Contador de un dígito con display de 7 segmentos

CD4026

El CD4026 es un contador de década CMOS con decodificador a siete segmentos integrado, de la familia 4000, fabricado por Texas Instruments y otros. Combina en un solo chip dos bloques que normalmente van por separado: un contador que avanza de 0 a 9 con cada flanco de reloj y un decodificador que traduce esa cuenta en las siete salidas a–g listas para atacar directamente un display de siete segmentos de cátodo común.

Funciona con cualquier alimentación entre 3 V y 18 V, la entrada de reloj admite señales lentas o ruidosas gracias al disparador Schmitt interno, y las salidas de segmento pueden encender directamente los LEDs del display si la corriente de cada segmento se mantiene baja.

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

Cómo funciona el circuito

El montaje convierte al CD4026 en un contador manual de un dígito: cada vez que pulsas el botón Count el número que se ve en el display sube en uno, del 0 al 9, y con el botón Reset vuelve a 0.

El pulsador Count (S1). Al pulsarlo, la entrada CLK sube a +9 V y el CD4026 avanza una posición en el flanco de subida. Al soltarlo, R1 (10 kΩ) tira de la línea de reloj a masa, dejándola preparada para el siguiente pulso. El condensador C1 (1 µF) forma con R1 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 el dígito se saltaría números. El disparador Schmitt que el CD4026 lleva integrado en la entrada de reloj remata la limpieza: convierte la subida suavizada por el filtro en un flanco nítido.

El pulsador Reset (S2). Funciona igual que el de cuenta, con su propio antirrebote R2 (10 kΩ) y C2 (1 µF), pero atacando al pin 15 (Reset). Un nivel alto en esa entrada fuerza de inmediato la cuenta al dígito 0, sin necesidad de esperar a un flanco de reloj.

La entrada CI. El pin 2 (Clock Inhibit) está atado a masa junto con VSS de forma permanente para que el reloj esté siempre habilitado. Si se pusiera a nivel alto, el contador dejaría de contar aunque le llegasen pulsos por CLK.

La entrada DEI. El pin 3 (Display Enable Input) está atado a VDD para tener las siete salidas de segmento siempre activas y así ver el dígito en todo momento. Si se pusiera a nivel bajo, las siete salidas irían a cero y el display se apagaría entero, aunque el contador seguiría avanzando internamente.

Las siete resistencias limitadoras (R3–R9, 470 Ω). Cada salida de segmento tiene su propia resistencia en serie con el LED correspondiente del display. No se pueden compartir como en un contador con LEDs individuales porque en un dígito casi siempre hay varios segmentos encendidos a la vez (el 8 los enciende todos), y una resistencia compartida repartiría la corriente entre segmentos haciendo que el brillo del dígito cambiase según el número mostrado.

El display DS1. Es un siete segmentos de cátodo común: los siete LEDs comparten el terminal negativo, que se lleva a masa por el pin GRID. El CD4026 pone a nivel alto los segmentos que tocan para formar el dígito y las resistencias R3–R9 limitan la corriente de cada uno.

Las salidas no usadas (Cout, DEO, UCS). Las tres salidas de la esquina inferior derecha del CD4026 se dejan al aire (las X del esquema). Cout (pin 5) daría un pulso cada diez cuentas para encadenar más dígitos, DEO (pin 4) serviría para el blanking en cascada y UCS (pin 14) sacaría el segmento c ignorando DEI para poder mostrar un piloto aunque el resto del dígito esté apagado. Ninguna de las tres es útil en un montaje de un solo dígito con el display siempre encendido.

El condensador C3 (100 nF). Es el condensador de desacoplo entre VDD y VSS: absorbe los picos de corriente que aparecen cuando el chip conmuta segmentos 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

La constante de tiempo del filtro R–C es:

$$\tau = R_1 \cdot C_1 = 10\,\text{k}\Omega \cdot 1\,\mu\text{F} = 10\,\text{ms}$$

Del mismo orden que los rebotes típicos de un pulsador, lo suficiente para que el disparador Schmitt de la entrada de reloj vea un único flanco limpio por pulsación. Lo mismo vale para el Reset con R2 y C2.

Corriente por cada segmento

Con R3–R9 de 470 Ω y 9 V de alimentación, la corriente por cada segmento encendido es aproximadamente:

$$I_{seg} \approx \frac{V_{DD} - V_{LED} - V_{OH,drop}}{R} \approx \frac{9 - 2 - 0.5}{470} \approx 14\,\text{mA}$$

$V_{OH,drop}$ es la caída interna del chip entre $V_{DD}$ y el pin de salida cuando está a nivel alto. Para el CD4026B a 10 V el datasheet garantiza un máximo de 0,5 V a 1,6 mA; a los 14 mA de este montaje sube, y la corriente real por cada LED queda algo por debajo de la calculada. Suficiente para que los segmentos brillen con claridad.

Con el 8 iluminado el chip entrega del orden de 100 mA en total, régimen alto pero dentro de lo que admite el CD4026. Si el display pide más brillo, se puede bajar R más cerca del máximo por pin del datasheet o interponer un buffer por segmento (transistores o un ULN2003).

Alimentación y escalabilidad

El circuito funciona entre 3 V y 18 V; al cambiar la tensión hay que ajustar R3–R9 para mantener un brillo parecido sin forzar las salidas.

Para contar más allá de 9, la salida Cout (pin 5) se conecta a la entrada CLK de la siguiente etapa CD4026, con su propio display y sus resistencias, y se comparte el Reset. Para dar la vuelta antes de llegar a 9 la vía más directa es decodificar el dígito objetivo con lógica externa sobre las salidas de segmento y realimentar a Reset.

Otras aplicaciones

El CD4026 se ha usado desde los años setenta siempre que hace falta mostrar una cuenta con display de siete segmentos sin recurrir a un microcontrolador:

• Contadores de eventos. Contar pulsaciones, vueltas de una rueda, productos en una cinta o piezas terminadas, con tantas décadas encadenadas como dígitos se quiera mostrar.
• Relojes y cronómetros discretos. Antes de la llegada de los microcontroladores baratos, los relojes digitales de sobremesa se hacían con una cadena de CD4026 (o el CD4033 hermano) alimentada por un divisor de la red o un cristal de 32,768 kHz.
• Frecuencímetros didácticos. Contando pulsos durante una ventana fija de un segundo se obtiene una lectura directa de frecuencia en Hz.
• Divisores por N con salida visible. Cout genera un pulso cada diez cuentas y sirve tanto para encadenar dígitos como para dividir una señal por 10 mientras se ve la cuenta en el display.
• Marcadores de puntos. En juegos de mesa electrónicos, pinballs caseros o proyectos educativos, donde se necesita un display grande y no hace falta programar nada.