استفاده از اسیلاتور 555 RC برای تولید مدارهای ضرب کننده ولتاژ
در ادامه مقاله قبل؛ این مقاله در مورد تایمر 555 به برخی کاربردها و مدارهایی که می‌توانیم در هنگام استفاده از 555 به عنوان یک مولتی ویبراتور آستابل بسازیم، می‌پردازد.
از مقاله قبلی در مورد تایمر 555 به یاد داریم که برای اینکه به عنوان یک اسیلاتور موج مربعی نوسان کند، باید به طور مداوم آن را با دوره زمان‌بندی T و در نتیجه فرکانس خروجی ƒ تنظیم شده توسط خازن زمان‌بندی C و مقاومت‌های فیدبک RA و RB، دوباره فعال کنیم. چرخه کاری D و همچنین فرکانس توسط نسبت این مقاومت‌های زمان‌بندی کنترل میشود.
با در نظر گرفتن این موضوع، می‌توانیم مولتی ویبراتور اولیه 555 را طوری طراحی کنیم که فرکانس خروجی در حدود 1500 هرتز را با استفاده از مقادیر قطعات مورد نظر، همانطور که نشان داده شده است، فراهم کند.
مدار مولتی ویبراتور 555 اولیه
با استفاده از مقادیر قطعات داده شده، مقادیری از: t1 = 375uS، t2 = 325uS، T = 700uS، ƒ = 1430Hz یا 1.43kHz و یک سیکل کاری D حدود 0.535 یا 53.5٪ بدست می‌آید.
همچنین توجه داشته باشید که از آنجایی که چرخه کاری 53.5 درصد است، هنگامی که نوسان‌ساز 555 به ولتاژ تغذیه 9 ولت متصل میشود، میانگین ولتاژ معادل DC خروجی موجود در خروجی (پایه 3) برابر 9×0.535 یا تقریباً برابر با 4.8 ولت خواهد بود. و هنگامی که به ولتاژ تغذیه 15 ولت متصل شود، ولتاژ خروجی DC معادل 5×0.535 خواهد بود که حدود 8 ولت است. این سطح ولتاژ نشان دهنده ولتاژ ورودی DC (VIN) به مدار ضرب‌کننده ولتاژ است.
ضرب‌کننده ولتاژ 555
ترانسفورماتورها دستگاه‌های بسیار کارآمدی برای تبدیل ولتاژ ورودی AC اولیه به ولتاژ خروجی ثانویه هستند که ولتاژ ثانویه را نسبت به ولتاژ اولیه زیاد یا کم میکنند. اما اگر بخواهیم یک ولتاژ DC ثابت را از یک مقدار به مقدار دیگر تبدیل کنیم، نمی‌توانیم از ترانسفورماتور برای این کار استفاده کنیم.
تایمر 555 را می‌توان برای تبدیل ولتاژ DC به ولتاژ DC بسیار بالاتر و حتی معکوس کردن علامت ولتاژ DC تنها با افزودن چند قطعه اضافی به پین خروجی آن استفاده کرد. بسیاری از کاربردهای الکترونیکی به منابع ولتاژ کم متفاوت برای تغذیه بخش‌های مختلف مدار نیاز دارند و نوسانگر 555 ساده بالا به‌عنوان یک ضرب‌کننده بدون ترانسفورماتور ولتاژ DC به DC، پیکربندی شده است تا برای برآورده کردن نیاز بسیاری از کاربردهای کم مصرف استفاده شود.
مدار دو برابرکننده ولتاژ 555
ابتدایی‌ترین و ساده‌ترین ضرب‌کننده ولتاژ DC به DC که به راحتی ساخته میشود، دو برابرکننده ولتاژ است. 555 به عنوان یک مولتی ویبراتور ناپایدار پیکربندی شده است تا شرایط ورودی برای مدار “پمپ شارژ” (charge pump) ایجاد شده با استفاده از دیود و شبکه خازن را تامین کند.
مدار دو برابرکننده ولتاژ 555
این مدار دو برابرکننده ولتاژ 555 ساده شامل یک نوسان‌ساز 555 و یک شبکه دو برابرکننده ولتاژ خازن-دیود تشکیل شده توسط C3، D1، D2 و C4 است. این مدار دو برابرکننده ولتاژ، ولتاژ تغذیه را چند برابر کرده و خروجی‌ای تولید می‌کند که تقریباً دو برابر مقدار ولتاژ ورودی منهای افت ولتاژ دیود است.
هنگامی که خروجی در پایه 3 در حالت کم است، خازن 50 میکروفاراد (C3) تا ولتاژ تغذیه از طریق دیود D1 با دیود D2 خاموش، شارژ میشود. هنگامی که خروجی 555 زیاد میشود، ولتاژ در C3 از طریق دیود D2 تخلیه می شود، زیرا D1 بایاس معکوس است و این ولتاژ به ولتاژ منبع اضافه میشود زیرا VCC و C3 اکنون مانند دو منبع ولتاژ سری هستند.
چرخه زمان‌بندی 555 مجدداً از زیاد به کم تغییر حالت داده و یک بار دیگر تکرار میشود، بنابراین یک ولتاژ بار DC تولید میشود که دو برابر ولتاژ ورودی اصلی است (دو برابرکننده ولتاژ). بنابراین مدار دو برابرکننده ولتاژ 555 می‌تواند ولتاژ خروجی از حدود 10 تا 30 ولت در جریان بسیار کم تولید کند.
نکته دیگری که باید به آن توجه داشت این است که فرکانس نوسان مولتی ویبراتور 555 آستابل که برای تولید سیگنال ورودی موج مربعی استفاده میشود، مقدار خازن‌های مورد استفاده را تعیین می‌کند، زیرا آنها به همراه مقدار بار متصل‌شده، یک مدار شارژ/تخلیه RC برای فیلتر ولتاژ خروجی تولید میکنند. مقدار خازن خیلی کم یا فرکانس نوسان خیلی کم باعث ایجاد اعوجاج در شکل موج ولتاژ خروجی و در نتیجه ولتاژ خروجی متوسط DC کمتری میشود.
با اتصال بدون بار، ولتاژ خروجی دو برابر ولتاژ اولیه تغذیه 555 خواهد بود. ولتاژ خروجی واقعی به مقدار بار متصل RL و جریان بار IL بستگی دارد. همانطور که گفته شد، مدار دو برابرکننده ولتاژ 555 بالا می‌تواند حدود 30 میلی آمپر را در ولتاژ نامی تامین کند.
انواع زیادی از مدار دو برابرکننده ولتاژ بالا وجود دارد، اما همه آنها از دو جفت دیود/خازن برای فراهم کردن ضریب 2 استفاده میکنند. با افزودن شبکه‌های دیود/خازن بیشتر به دو برابرکننده ولتاژ، می‌توانیم مدارهایی ایجاد کنیم که نسبت‌های ضرب ولتاژ را به همان اندازه که می‌خواهیم ایجاد میکنند.
به عنوان مثال، با افزودن نیمی از ترکیب دیود/خازن به مدار دو برابرکننده ولتاژ 555، یک مدار سه برابرکننده ولتاژ با ضریب 3 ایجاد میشود و با افزودن یک بخش دیود/خازن کامل دوم به مدار دو برابرکننده ولتاژ 555، یک چهار برابرکننده ولتاژ با ضریب 4 تولید میشود که در زیر نشان داده شده است.
مدار سه برابرکننده ولتاژ 555
چهار برابرکننده ولتاژ با استفاده از تایمر 555 با اتصال آبشاری (cascading) دو شبکه دو برابرکننده ولتاژ در صورت نادیده گرفتن تلفات و افت ولتاژ دیود، ولتاژ خروجی تقریباً 4VIN را تولید می‌کند.
مدار چهار برابرکننده ولتاژ 555
علاوه بر تولید ضرب‌کننده‌های ولتاژ با ولتاژهای خروجی مثبت مختلف، می‌توانیم آنها را برای تولید ولتاژ خروجی منفی به سادگی با معکوس کردن جهت‌ها و قطبیت‌های دیودها و خازن‌های مورد استفاده، مطابق شکل زیر، پیکربندی کنیم.
دو برابرکننده ولتاژ منفی 555
دیدیم که ضرب‌کننده ولتاژ مبتنی بر تایمر 555 می‌تواند برای دو برابر کردن، سه برابر کردن یا حتی چهار برابر کردن یک ولتاژ منبع تغذیه برای تولید ولتاژهای مختلف مثبت و منفی استفاده شود. در تئوری هیچ محدودیتی برای مقدار ضریب ولتاژ که با اتصال چندین بخش دیود/خازن با هم تولید میشود، وجود ندارد تا ولتاژهای به تدریج بالاتر مانند ولتاژهایی که در یونیزرهای هوا (air ionizer) یا حشره‌کش‌های برقی (bug zapper) استفاده می‌شوند، تولید شود. با این حال، هنگام برخورد با چنین ولتاژهای خروجی بالا باید مراقب شوک الکتریکی بود.
مدار مبدل DC به AC با 555
می‌توانیم ایده ضرب‌کننده ولتاژ 555 را با استفاده از مدار تایمر پایه 555 برای تولید یک اینورتر DC به AC، گسترش دهیم. با 555 پیکربندی شده برای عمل به عنوان یک نوسانگر موج مربعی و چند قطعه اضافی، می‌توانیم یک خروجی موج سینوسی در سطح ولتاژ مورد نظر 120 ولت یا 240 ولت همانطور که نشان داده شده است، تولید کنیم.
معکوس‌کننده (Inverter) DC به AC
مدار اینورتر DC به AC چگونه کار می‌کند؟ تایمر 555 طوری پیکربندی شده است که به عنوان یک مولتی ویبراتور آستابل نوسان داشته باشد که خروجی موج مربعی را مانند قبل تولید کند. اما این بار می‌خواهیم فرکانس خروجی همان فرکانس شبکه AC باشد، یعنی 50 هرتز یا 60 هرتز که با استفاده از یک پتانسیومتر 47 کیلو اهم بدست می‌آید.
مقاومت زمان‌بندی RB از یک مقاومت با مقدار ثابت 100 کیلو اهم به صورت سری با پتانسیومتر 47 کیلو اهم تشکیل شده است. هنگامی که پتانسیومتر طوری تنظیم میشود که درجه آن در موقعیت صفر قرار گیرد، RB = 100kΩ (0 + 100kΩ) و هنگامی که در جهت مخالف موقعیت حداکثر خود تنظیم میشود، RB = 147kΩ (47kΩ + 100kΩ) می‌باشد.
بنابراین با استفاده از فرمول های قبلی، فرکانس خروجی 555 را می‌توان با استفاده از پتانسیومتر از حدود 46 هرتز تا 65 هرتز تنظیم کرد و فرکانس های خروجی 50 هرتز یا 60 هرتز مورد نیاز را همانطور که از منبع تغذیه AC انتظار داریم، مشاهده کنیم.
فرکانس خروجی موج مربعی از پین 3 تایمر 555 از طریق یک مقاومت محدود کننده جریان R1 به بیس‌های دو ترانزیستور مکمل می‌رسد. هنگامی که خروجی زیاد است (تامین جریان)، ترانزیستور NPN هدایت کرده و ترانزیستور PNP خاموش است، و زمانی که خروجی کم است (جذب جریان)، ترانزیستور PNP هدایت کرده و ترانزیستور NPN خاموش است. بنابراین، همانطور که سیگنال خروجی موج مربعی بین زیاد و کم نوسان می‌کند، ترانزیستور دیگر را سوئیچ می‌کند زیرا آنها جفت‌های مکمل هستند.
ترانزیستورهای TR1 و TR2 می‌توانند هر ترانزیستور NPN و PNP مکمل معقولی مانند TIP41، 2N2222 و TIP42، 2N2907، یا یک جفت دارلینگتون منطبق مانند NPN TIP140، TIP3055 و PNP TIP145،TIP2955 ، باشند. انتخاب ترانزیستورهای خروجی به ولتاژ و جریان مجاز سیم پیچ اولیه ترانسفورماتور بستگی دارد، اما در حالت ایدهآل باید دارای VA پایینی باشند.
حالت خروجی مکمل TR1 و TR2 برای تحریک سیم پیچ اولیه ترانسفورماتور کوچکی که نسبت پیچ‌های اولیه به ثانویه آن ولتاژ خروجی مورد نظر را تولید می‌کند، استفاده میشود. با این حال، اگر بخواهیم ترانسفورماتورها را مستقیماً از قسمت ترانزیستوری تغذیه کنیم، شکل موج خروجی از سیم‌پیچ ثانویه ترانسفورماتور مانند موج مربعی خواهد بود. بنابراین، به دلیل اینکه در حال ساخت یک اینورتر DC به AC هستیم، به روشی برای تبدیل خروجی موج مربعی تایمر 555 در پین 3 به شکل موج سینوسی از سیم پیچ ثانویه ترانسفورماتور نیاز داریم.
مدار فیلتر RLC متصل بین قسمت ترانزیستوری و سیم پیچ اولیه به عنوان یک مدار تشدید RLC که با فرکانس خروجی مورد نیاز تنظیم شده است، عمل می‌کند. با این حال، از آنجایی که می‌توانیم فرکانس خروجی را با استفاده از پتانسیومتر از 46 هرتز تا 65 هرتز تنظیم کنیم، فرکانس تشدید مدارهای تشدید RLC برای فرکانس‌های 50 هرتز یا 60 هرتز دقیق نخواهد بود، اما می‌توانیم مقادیر را برای مقداری بین این دو محاسبه کنیم.
با استفاده از مقادیر استاندارد قطعات، شبکه فیلتر مقاومت R2، سلف L1 و خازن C3، یک مدار تشدید RLC تنظیم شده روی حدود 52 هرتز تولید میکنند. سیم‌پیچ اولیه ترانسفورماتور به خازن متصل شده و یک شکل موج سینوسی منطقی در سیم‌پیچ ثانویه در ولتاژ مورد نیاز تعیین شده توسط نسبت چرخش ترانسفورماتورها، ایجاد می‌کند.
بنابراین، می‌توانیم از تایمر 555 برای تولید یک اینورتر DC به AC بسیار ابتدایی با ولتاژ و فرکانس خروجی AC مورد نیاز، برای مثال 120 ولت در 60 هرتز، یا 240 ولت در 50 هرتز، از یک منبع تغذیه 12 ولتی DC با درجه وات خروجی وابسته به قسمت ترانزیستوری خروجی و ترانسفورماتور استفاده شده، استفاده کنیم.
