CD4013 — двойной D-триггер: распиновка, принципы работы и пример схемы «Подбрасывание монетки»

Общие сведения

CD4013 (серия 4000 CMOS) — два независимых D-триггера в одном корпусе DIP-14 / SOIC-14. Каждый триггер запоминает 1 бит на фронте тактового сигнала (CLK). Имеет асинхронные входы установки (SET) и сброса (RESET). Работает от 3–15 В (некоторые версии до 18–20 В), потребляет микрокопические токи в статике.

Распиновка (DIP-14)

Таблица истинности (один триггер)

Правила подключения

• Неиспользуемые входы (D, CLK, S, R) **обязательно** подключите к GND или VDD — не оставляйте висеть (CMOS ловит помехи).
• Входы S и R асинхронны и приоритетны над CLK.
• Рекомендуется pull-down резисторы 10–100 кОм на S, R, D, CLK если управляются кнопками/переключателями.
• Байпас-конденсатор 100 нФ керамики рядом с VDD/VSS — обязателен.

Пример схемы: «Подбрасывание монетки» (Coin Tosser)

Два светодиода (L1 — «Орел», L2 — «Решка») мигают в быстрой смене при нажатии кнопки. При отпускании — один остаётся горящим случайно.

Компоненты

• CD4013 — 1 шт.
• NE555 — 1 шт. (генератор импульсов ~20 Гц)
• Кнопка S1 (нормально разомкнутая)
• 2 светодиода (красный/зелёный) + 2 резистора 1 кОм
• R1=R2=1 кОм, R5=10–100 кОм (pull-down на RESET 555)
• C1=22 пФ (частота 555), C2=100 нФ (байпас CD4013), C3=10 мкФ (питание 555)
• Питание 5–9 В (9В «Крона» или 3×AA)

Принцип работы

1. Кнопка S1 нажата → 555 генерирует ~20 Гц на CLK (pin 3) CD4013.
2. Вход D1 соединён с Q̅1 (pin 2) — инверсный выход. На каждом фронте CLK триггер инвертирует своё состояние (переключается).
3. Q1 управляет L1 (через резистор), Q̅1 — L2. Они горят по очереди с частотой 10 Гц (половина от CLK).
4. Кнопка отпущена → 555 останавливается (RESET=1 через R5) → CLK замирает → триггер сохраняет последнее состояние. Один из LED горит постоянно — результат «броска».

Схема соединений (текстово)

555: 
  Pin 3 (OUT) → CD4013 Pin 3 (CLK1)
  Pin 4 (RESET) ← R5 (10-100k) → GND, кнопка S1 → VCC (при нажатии RESET=0 → генерация)
  
CD4013 (триггер 1):
  Pin 3 (CLK1) ← 555 OUT
  Pin 5 (D1) ← Pin 2 (Q̅1) — обратная связь
  Pin 4 (R1) → GND
  Pin 6 (S1) → GND
  Pin 1 (Q1) → R(1k) → LED1 → GND
  Pin 2 (Q̅1) → R(1k) → LED2 → GND
  Pin 7 (VSS) → GND
  Pin 14 (VDD) → VCC (+5-9V)

Аналоги и замены

• CD4013B / CD4013BE / HCF4013 / MC14013 / HEF4013 / TC4013 / NTE4013 — прямые аналоги (суффиксы = производитель/корпус/температурный диапазон).
• 74HC74 / 74LS74 — TTL/CMOS аналоги, но питание 2–6 В, другой корпус, быстрее.
• 40174 (Hex D-FF), 40175 (Quad D-FF) — больше триггеров в корпусе.

Заключение

CD4013 — классика для изучения последовательной логики, простых автоматов, делителей частоты, защёлок. Работает от 3 В, идеален для батарейных схем. Пример «монетки» демонстрирует суть D-триггера: запоминание состояния на фронте такта с обратной связью для переключения.