Contador secuencial de 10 salidas con LEDs

CD4017

El CD4017 es un contador de década CMOS de la familia 4000, fabricado por Texas Instruments y por muchos otros. Internamente contiene un contador Johnson de 5 etapas seguido de un decodificador que traduce la cuenta a diez salidas independientes Q0–Q9: en cada momento solo una de las diez está a nivel alto, y va avanzando de Q0 a Q9 con cada flanco de subida del reloj. Al pasar de Q9 vuelve a Q0 y el ciclo se repite.

Es un integrado muy tolerante: funciona con cualquier alimentación entre 3 V y 18 V, la entrada de reloj tiene disparador Schmitt (admite señales lentas y sucias sin problema) y las salidas pueden encender directamente un LED de pequeña corriente. Todo eso, junto con la sencillez de la idea “una salida por cuenta”, lo ha convertido en el chip de referencia para hacer secuenciadores de luces, divisores por N y contadores didácticos.

Encapsulado DIP-16 / SOIC-16 / TSSOP-16.

Cómo funciona el circuito

El montaje convierte al CD4017 en un contador manual: cada vez que pulsas SW1 se enciende el siguiente LED de la fila, y con SW2 se apaga todo y se vuelve a empezar por D1.

El pulsador de cuenta (SW1). Al pulsarlo, la entrada CLK sube a +9 V y el CD4017 avanza una posición en el flanco de subida. Cuando lo sueltas, la resistencia R2 (1 kΩ) tira de la línea de reloj a masa, dejándola preparada para el siguiente pulso. El pequeño condensador C1 (0,1 µF) forma con R2 un filtro paso bajo que absorbe los rebotes rápidos del contacto mecánico y las chispas de conmutación; sin él, cada pulsación podría contar como varias y saltarse LEDs. El disparador Schmitt que el CD4017 lleva integrado en la entrada de reloj remata la limpieza: convierte la subida suavizada por el filtro en un flanco nítido.

La entrada CKEN. El pin 13 (Clock Inhibit) está conectado a masa de forma permanente para que el reloj esté siempre habilitado. Si se pusiera a nivel alto, el contador dejaría de avanzar aunque le llegasen pulsos por CLK.

El pulsador de reset (SW2). Funciona igual que el de cuenta, con su antirrebote R3 (1 kΩ) y C3 (0,1 µF), pero atacando al pin 15 (Reset). Un nivel alto en esa entrada fuerza de inmediato la cuenta al estado 0: se enciende D1 (Q0) y se apagan los otros nueve, sin necesidad de esperar a un flanco de reloj.

Las diez salidas y los LEDs. Q0–Q9 se cablean directamente a los diez LEDs (D1–D10), que comparten una única resistencia de 1 kΩ (R1) hacia masa. Se puede compartir porque el CD4017 solo pone una salida a nivel alto en cada momento: nunca hay dos LEDs encendidos a la vez, así que la resistencia siempre limita la corriente de un único LED.

La salida Cout (pin 12). Se deja sin conectar (la X del esquema). Su función es dar un pulso cada diez cuentas para encadenar varios CD4017 y contar más allá de 10, algo que aquí no interesa.

El condensador C2 (100 nF). Es el clásico condensador de desacoplo entre VDD y VSS: absorbe los picos de corriente que aparecen cuando el chip conmuta salidas y evita que se propague ruido por la línea de alimentación. Debe montarse lo más cerca posible de los pines 16 y 8 del integrado.

Diseño de aplicación

Antirrebote del pulsador

El pequeño condensador en paralelo con la resistencia de pull-down forma un filtro paso bajo que suaviza los picos y chispas de la conmutación del contacto mecánico. El disparador Schmitt de la entrada de reloj del CD4017 remata la limpieza y descarta los rebotes que queden, de modo que cada pulsación cuenta como un único flanco.

Corriente por los LEDs

Con la resistencia compartida R1 de 1 kΩ y una alimentación de 9 V, la corriente que circula por el LED activo es aproximadamente:

$$I_{LED} \approx \frac{V_{DD} - V_{LED} - V_{OH,drop}}{R_1} \approx \frac{9 - 2 - 1}{1000} \approx 6\,\text{mA}$$

$V_{OH,drop}$ es la caída de tensión dentro del propio integrado entre $V_{DD}$ y el pin de salida cuando ese pin está a nivel alto: se debe a la resistencia del PMOS de salida y crece con la corriente que se le pide. Para el CD4017B, el datasheet garantiza una caída máxima de 0,5 V a 1,25 mA con $V_{DD}=10\,\text{V}$; a los 6 mA de este montaje la caída sube a algo más de 1 V, que es el valor que se ha usado en el cálculo. Suficiente para que un LED rojo de 5 mm brille con claridad.

Se puede subir el brillo bajando R1, pero conviene no pasar de 10 mA por salida: por encima de esa corriente $V_{OH,drop}$ crece deprisa y el LED brilla menos de lo esperado. Al recalcular R1 hay que tener en cuenta el nuevo valor de $V_{OH,drop}$ (mayor a más corriente), no el de este cálculo.

Alimentación

El circuito funciona con cualquier tensión entre 3 V y 18 V.

Cambiar el número de pasos

Para que la secuencia dé la vuelta antes de llegar a 10, se conecta la salida Qn+1 (la que iría después del último LED que quieras usar) al pin de RESET. Ejemplo: para un secuenciador de 7 pasos, cablear Q7 (pin 6) directamente a Reset (pin 15) y desconectar SW2 y su antirrebote; en el instante en que Q7 intente activarse, el reset la aborta y devuelve la cuenta a Q0. Es el truco clásico para hacer divisores por N con el CD4017.

Otras aplicaciones

El CD4017 se usa desde hace décadas siempre que hace falta activar una cosa cada vez, en orden y con control sencillo:

• Secuenciadores de luces. Guirnaldas de LEDs, luces de escenario y efectos de “coche fantástico” con un CD4017 gobernado por un NE555 en modo astable.
• Divisor de frecuencia por N. Cableando la salida Qn a Reset se obtiene un divisor programable entre 2 y 10 con un solo integrado.
• Contadores didácticos. Es el ejemplo típico para enseñar lógica CMOS, antirrebote de pulsadores y multiplexado de salidas sin necesidad de osciloscopio.
• Máquinas de estados sencillas. Secuencias fijas de pocos pasos (por ejemplo, controladores de riego por goteo, semáforos didácticos o secuencias de arranque) donde cada salida activa una etapa distinta.
• Generadores de patrones. Combinando varias salidas con diodos en OR se pueden generar patrones binarios repetitivos sin escribir código.