آیسی 555 را میتوان برای ایجاد یک اسیلاتور آستابل آزادگرد برای تولید مداوم پالس‌های موج مربعی استفاده کرد.
آیسی تایمر 555 را میتوان در حالت مونو استابل خود وصل کرده و در نتیجه یک تایمر دقیق با مدت زمان ثابت تولید کرد، یا در حالت بای استابل خود برای ایجاد یک عمل سوئیچینگ نوع فلیپ فلاپ، استفاده کرد. همچنین می‌توانیم آیسی تایمر 555 را در حالت آستابل وصل کنیم تا یک مدار نوسان ساز 555 بسیار پایدار برای تولید شکل موج‌های آزادگرد بسیار دقیق تولید شود. فرکانس خروجی این مدار را میتوان با استفاده از یک مدار مخزنی (تانک) RC متصل خارجی که فقط از دو مقاومت و یک خازن تشکیل شده است، تنظیم کرد.
اسیلاتور 555 نوع دیگری از نوسانساز وقفه‌ای (ریلاکسیون) برای تولید شکل موج‌های خروجی موج مربعی پایدار با فرکانس ثابت تا 500 کیلوهرتز و با چرخه‌های کاری متغیر از 50 تا 100 درصد است. در مقاله قبلی تایمر 555 دیدیم که مدار مونو استابل هنگامی که ورودی تحریک پین 2 فعال می‌شود، یک پالس تکی را در خروجی تولید می‌کند.
در حالی که مدار مونو استابل 555 پس از یک زمان انتظار از پیش تعیین شده جهت تحریک بعدی، متوقف می‌شود، برای اینکه نوسانگر 555 به عنوان یک مولتی ویبراتور آستابل عمل کند لازم است که به طور مداوم آیسی 555 را پس از هر چرخه زمان‌بندی مجدداً راه‌اندازی کرد.
این راه‌اندازی مجدد اساساً با اتصال ورودی تحریک (پین 2) و ورودی آستانه (پین 6) به هم بدست می‌آید، در نتیجه به دستگاه اجازه می‌دهد تا به عنوان یک نوسانگر آستابل عمل کند. بنابراین، نوسانگر 555 هیچ حالت پایداری ندارد زیرا به طور مداوم از یک حالت به حالت دیگر سوییچ می‌کند. همچنین تک مقاومت زمان‌بندی مدار مولتی ویبراتور مونو استابل قبلی به دو مقاومت جداگانه R1 و R2 تقسیم شده است که به ورودی تخلیه (پین 7)، مطابق شکل زیر، متصل شده‌اند.
مدار اسیلاتور 555 آستابل
در مدار اسیلاتور 555 بالا، پین 2 و پین 6 به هم متصل شده‌اند و به مدار اجازه می‌دهد تا در هر چرخه دوباره خود را راه‌اندازی کرده تا به عنوان یک اسیلاتور یا نوسانگر آزادگرد کار کند. در طول هر چرخه، خازن C از طریق هر دو مقاومت زمان‌بندی R1 و R2 شارژ می‌شود، اما فقط از طریق مقاومت R2 تخلیه می‌شود زیرا سمت دیگر R2 به ترمینال تخلیه، پایه 7، متصل است.
سپس خازن تا 2/3Vcc (حد بالایی مقایسه‌کننده) که با ترکیب 0.693(R1+R2)C تعیین می‌شود، شارژ شده و خود را تا 1/3Vcc (حد پایینی مقایسه‌کننده) که توسط ترکیب 0.693(R2×C) تعیین می‌شود، تخلیه می‌کند. این منجر به یک شکل موج خروجی می‌شود که سطح ولتاژ آن تقریباً برابر Vcc – 1.5(V) است و دوره‌های زمانی “روشن” و “خاموش” خروجی آن توسط ترکیب خازن و مقاومت تعیین می‌شود. بنابراین، زمان‌های مورد نیاز برای تکمیل یک چرخه شارژ و تخلیه خروجی به صورت زیر محاسبه می‌شود:
زمان شارژ و دشارژ اسیلاتور 555 آستابل
که در آن، R به Ω و C به فاراد است.
هنگامی که به عنوان یک مولتی ویبراتور ناپایدار یا آستابل استفاده می‌شود، خروجی نوسانگر 555 تا زمانی که منبع تغذیه قطع شود به طور نامحدود بین 2/3Vcc و 1/3Vcc شارژ و تخلیه می‌شود. مشابه مولتی ویبراتور مونو استابل، این زمان‌های شارژ و تخلیه (دشارژ) و بنابراین فرکانس، مستقل از ولتاژ تغذیه هستند.
بنابراین، مدت زمان یک چرخه زمان‌بندی کامل برابر است با مجموع دو بار که خازن شارژ و تخلیه شده و به صورت زیر محاسبه می‌شود:
چرخه زمانی اسیلاتور 555
فرکانس خروجی نوسانات را میتوان با معکوس کردن معادله بالا برای کل زمان چرخه پیدا کرد و یک معادله نهایی برای فرکانس خروجی یک اسیلاتور 555 ناپایدار به صورت زیر بدست آورد:
معادله فرکانس اسیلاتور 555
با تغییر ثابت زمانی تنها یکی از ترکیبات RC، چرخه کاری شکل موج خروجی که بیشتر به عنوان نسبت “علامت به فاصله” شناخته می‌شود را می توان به دقت تنظیم کرد و به عنوان نسبت مقاومت R2 به مقاومت R1 در نظر گرفت. چرخه کاری برای نوسانگر 555، که نسبت زمان “روشن” تقسیم بر زمان “خاموش” است، برابر است با:
چرخه کاری اسیلاتور 555
چرخه وظیفه هیچ واحدی ندارد زیرا یک نسبت است اما میتواند به صورت درصد (٪) بیان شود. اگر هر دو مقاومت زمان‌بندی R1 و R2 از نظر مقدار برابر باشند، چرخه کاری خروجی 2:1 خواهد بود، یعنی 66% زمان دوره روشن و 33% زمان خاموش خواهد بود.
اسیلاتور 555 - شماره 1
یک نوسانگر 555 ناپایدار با استفاده از اجزای زیر ساخته شده است، R1 = 1kΩ، R2 = 2kΩ و خازن C = 10uF. فرکانس خروجی نوسانگر 555 و چرخه کاری شکل موج خروجی را محاسبه کنید.
t1 – زمان “روشن” شارژ خازن به صورت زیر محاسبه می‌شود:
t2 – زمان “خاموش” تخلیه خازن به صورت زیر است:
بنابراین کل زمان دوره (T) به صورت زیر محاسبه می‌شود:
بنابراین فرکانس خروجی ƒ به صورت زیر است:
در نتیجه مقدار چرخه وظیفه:
به دلیل اینکه که خازن زمان‌بندی C از طریق مقاومت‌های R1 و R2 شارژ شده اما فقط از طریق مقاومت R2 تخلیه می‌شود، چرخه کاری خروجی را میتوان بین 50 تا 100 درصد با تغییر مقدار مقاومت R2 تغییر داد. با کاهش مقدار R2، چرخه کاری به 100٪ افزایش می‌یابد و با افزایش R2، چرخه کاری به 50٪ کاهش می‌یابد. اگر مقاومت R2 نسبت به مقاومت R1 بسیار بزرگ باشد، فرکانس خروجی مدار ناپایدار 555 تنها با R2 × C تعیین می‌شود.
مشکل این پیکربندی پایه اسیلاتور 555 ناپایدار این است که چرخه کاری، نسبت “علامت به فاصله”، هرگز زیر 50% نمی‌رود زیرا وجود مقاومت R2 از این امر جلوگیری می‌کند. به عبارت دیگر، ما نمی‌توانیم زمان «روشن» خروجی را کوتاه‌تر از زمان «خاموش» آن کنیم، زیرا (R1 + R2)C همیشه بزرگتر از مقدار R1 × C است. یکی از راه‌های غلبه بر این مشکل، اتصال یک دیود بای پس (bypassing diode) سیگنال به صورت موازی با مقاومت R2 مطابق شکل زیر است.
چرخه کاری اسیلاتور 555 بهبود یافته
با اتصال دیود D1 بین ورودی تحریک و ورودی تخلیه، خازن زمان‌بندی مستقیماً فقط از طریق مقاومت R1 شارژ می‌شود، زیرا مقاومت R2 به طور مؤثر توسط دیود اتصال کوتاه شده است. خازن به طور معمول از طریق مقاومت R2 تخلیه می‌شود.
در صورت نیاز برای اطمینان از اینکه خازن زمان‌بندی فقط از طریق D1 شارژ می‌شود و نه از طریق مسیر موازی R2، میتوان دیود اضافی D2 را به صورت سری به مقاومت تخلیه R2 متصل کرد. دلیل آن این است که در طول فرآیند شارژ، دیود D2 در بایاس معکوس متصل شده و جریان را از خود عبور نمی‌دهد.
زمان شارژ قبلی t1 = 0.693 (R1 + R2)C برای این مدار شارژ جدید اصلاح شده و برابر 0.693(R1 × C) می‌باشد. همچنین چرخه کاری به صورت D = R1/(R1 + R2) محاسبه می‌شود. بنابراین، برای تولید یک چرخه کاری کمتر از 50 درصد، مقاومت R1 باید کمتر از مقاومت R2 باشد.
اگرچه مدار قبلی با شارژ کردن خازن زمان‌بندی C1 از طریق ترکیب R1 + D1 و سپس تخلیه آن از طریق ترکیب D2 + R2، چرخه وظیفه شکل موج خروجی را بهبود می‌بخشید، اما مشکل این آرایش این است که مدار اسیلاتور 555 از اجزاء اضافی، یعنی دو دیود، استفاده می‌کند.
می‌توانیم این ایده را بهبود بخشیده و با تغییر موقعیت مقاومت شارژ R2 به خروجی (پین 3)، به راحتی و بدون نیاز به دیود اضافی شکل موج خروجی مربعی ثابت با چرخه کاری دقیق 50 درصد تولید کنیم که در زیر نشان داده شده است.
اسیلاتور آستابل با چرخه کاری 50٪
نوسانگر 555 اکنون یک چرخه کاری 50% را تولید می‌کند زیرا خازن C1 به جای تخلیه از طریق پین 7 (تخلیه)، از طریق مقاومت R2 شارژ و تخلیه می‌شود. هنگامی که خروجی نوسانگر 555 زیاد باشد، خازن از طریق R2 شارژ شده و هنگامی که خروجی کم است، از طریق R2 تخلیه می‌شود. از مقاومت R1 برای اطمینان از شارژ کامل خازن به اندازه ولتاژ تغذیه استفاده می‌شود.
با این حال، از آنجایی که خازن از طریق یک مقاومت شارژ و تخلیه می‌شود، معادله بالا برای فرکانس خروجی نوسانات باید کمی اصلاح شود تا این تغییر مدار را منعکس کند. معادله جدید برای نوسانگر 555 ناپایدار 50% به صورت زیر ارائه می‌شود:
معادله فرکانس چرخه کاری 50٪
توجه داشته باشید که مقاومت R1 باید به اندازه کافی زیاد باشد تا اطمینان حاصل شود که با شارژ خازن تداخلی ایجاد نمی‌کند تا چرخه کاری 50٪ مورد نیاز را تولید کند. همچنین تغییر مقدار خازن زمان‌بندی C1، فرکانس نوسان مدار ناپایدار را تغییر می‌دهد.
کاربردهای اسیلاتور 555
قبلاً گفتیم که حداکثر خروجی برای جذب یا تامین جریان بار از طریق پین 3 حدود 200 میلی آمپر است و این مقدار برای راه‌اندازی سایر آی‌سی‌های منطقی، تعدادی LED یا یک لامپ کوچک کافی بوده و باید از یک ترانزیستور دوقطبی یا ماسفت برای تقویت خروجی 555 برای هدایت بارهای جریان بزرگتر مانند موتور یا رله‌ها استفاده کرد.
نوسانساز 555 همچنین میتواند در طیف وسیعی از مدارها و برنامه‌های مولد شکل موج که به جریان خروجی بسیار کمی نیاز دارند، مانند استفاده در تجهیزات تست الکترونیکی جهت تولید طیف وسیعی از فرکانس‌های تست خروجی مختلف، استفاده شود.
555 همچنین میتواند برای تولید شکل‌های سینوسی، مربعی و پالسی بسیار دقیق یا به‌عنوان فلاشرهای LED یا لامپ و دیمرها تا مدارهای ساده تولید نویز مانند مترونوم‌ها (Metronome)، مولدهای صدا و افکت‌های صوتی و حتی اسباب‌بازی‌های موزیکال برای کریسمس استفاده شود.
می‌توانیم به راحتی یک مدار نوسانگر ساده 555 بسازیم تا تعدادی LED “روشن” و “خاموش” مشابه آنچه نشان داده شده است، فلاش بزنند، یا صدایی با فرکانس بالا از یک بلندگو تولید کنیم. اما یک پروژه علمی بسیار جذاب و ساده برای ساخت با استفاده از یک نوسانگر 555 ناپایدار، مترونوم الکترونیکی است.
مترونوم‌ها دستگاه‌هایی هستند که برای علامت‌گذاری زمان در قطعات موسیقی با تولید ضرب آهنگ یا کلیک منظم و تکراری استفاده می‌شوند. یک مترونوم الکترونیکی ساده را میتوان با استفاده از یک اسیلاتور 555 به عنوان دستگاه زمان‌بندی اصلی ساخت و با تنظیم فرکانس خروجی نوسانگر میتوان سرعت یا “ضربان در دقیقه” را تنظیم کرد.
به عنوان مثال، سرعت 60 ضربه در دقیقه به معنی یک ضربه در هر ثانیه و از نظر الکترونیکی برابر با 1 هرتز است. بنابراین، با استفاده از تعاریف بسیار رایج موسیقی می‌توانیم به راحتی جدولی از فرکانس‌های مختلف مورد نیاز برای مدار مترونوم خود را مطابق شکل زیر بسازیم.
جدول فرکانس مترونوم
|
فرکانس
|
دوره زمانی (T)
|
ضربه در دقیقه
|
نرخ
|
تعریف موسیقیایی
|
|---|---|---|---|---|
|
1.0Hz
|
1sec
|
60
|
خیلی آرام
|
Larghetto
|
|
1.5Hz
|
666ms
|
90
|
آرام
|
Andante
|
|
2.0Hz
|
500ms
|
120
|
متوسط
|
Moderato
|
|
2.5Hz
|
400ms
|
150
|
سریع
|
Allegro
|
|
3.0Hz
|
333ms
|
180
|
خیلی سریع
|
Presto
|
محدوده فرکانس خروجی مترونوم به سادگی به صورت معکوس 1 دقیقه یا 60 ثانیه تقسیم بر تعداد ضربان در دقیقه مورد نیاز محاسبه می‌شود. برای مثال، (1/(60 secs / 90 bpm) = 1.5Hz) و 120bpm معادل 2 هرتز است. بنابراین، با استفاده از معادله آشنای بالا برای محاسبه فرکانس خروجی یک مدار نوسانگر 555 ناپایدار، مقادیر جداگانه R1، R2 و C را میتوان یافت.
دوره زمانی شکل موج خروجی برای یک اسیلاتور 555 آستابل به صورت زیر است:
برای مدار مترونوم الکترونیکی ما، مقدار مقاومت زمان‌بندی R1 را میتوان با مرتب کردن مجدد معادله بالا پیدا کرد:
با فرض مقادیر برای مقاومت R2 = 1kΩ و خازن C = 10uF، مقدار مقاومت زمان‌بندی R1 برای محدوده فرکانس ما به صورت 142.3 کیلو اهم برای 60 ضربه در دقیقه تا 46.1 کیلو اهم برای 180 ضربه در دقیقه محاسبه می‌شود، بنابراین یک مقاومت متغیر (پتانسیومتر) 150kΩ برای مدار مترونوم جهت تولید طیف وسیعی از ضربات مورد نیاز، کافی خواهد بود. مدار نهایی برای مثال مترونوم الکترونیکی به صورت زیر ارائه می‌شود:
مترونوم الکترونیکی 555
این مدار مترونوم ساده، تنها یک استفاده از نوسانگر 555 برای تولید یک صدا یا نت قابل شنیدن را نشان می‌دهد. این دستگاه از یک پتانسیومتر 150 کیلو اهم برای کنترل طیف کامل پالس‌ها یا ضربان‌های خروجی استفاده می‌کند، و از آنجایی که مقدار آن 150 کیلو اهم است، میتوان آن را به راحتی کالیبره کرد تا مقدار درصدی معادل مربوط به موقعیت پتانسیومتر را به دست آورد. برای مثال، 60 ضربه در دقیقه معادل 142.3 کیلو اهم یا 95 درصد چرخش است.
به همین ترتیب، 120 ضربه در دقیقه برابر با 70.1 kΩ یا 47% چرخش می‌باشد. مقاومت‌ها یا تریمرهای (trimmer) اضافی را میتوان به صورت سری با پتانسیومتر وصل کرد تا حد بالایی و پایینی خروجی را روی مقادیر از پیش تعریف شده تنظیم کند، اما این اجزای اضافی باید هنگام محاسبه فرکانس خروجی یا دوره زمانی در نظر گرفته شوند.
در حالی که مدار فوق یک مثال بسیار ساده و سرگرم کننده از تولید صدا است، میتوان از اسیلاتور 555 به عنوان یک تولیدکننده/ترکیب‌کننده نویز یا برای ساخت صداها، آهنگ‌ها و آلارم‌های موسیقی با ساخت یک مولد شکل موج فرکانس متغیر، نسبت علامت/فاصله متغیر، استفاده کرد.
در این آموزش ما فقط از یک مدار اسیلاتور 555 برای تولید صدا استفاده کرده‌ایم اما با اتصال دو یا چند تراشه اسیلاتور 555 میتوان مدارهای مختلفی برای تولید طیف وسیعی از جلوه‌های موسیقی و صوتی ساخت. یکی از این مدارهای جدید، آژیر “Dee-Dah” ماشین پلیس است که در مثال زیر ارائه شده است.
آژیر پلیس با اسیلاتور 555
این مدار یک سیگنال زنگ هشدار را شبیه‌سازی کرده که صدای آژیر پلیس را تولید می‌کند. IC1 به عنوان یک مولتی ویبراتور غیرمتقارن 2 هرتز متصل می‌شود که برای تعدیل فرکانس IC2 از طریق مقاومت 10kΩ استفاده می‌شود. خروجی IC2 به طور متقارن بین 300 هرتز و 660 هرتز تغییر کرده و هر چرخه تناوب 0.5 ثانیه طول می‌کشد.
