مجموعه‌ای از مدارهای 555 با استفاده از تایمر 555 به عنوان یک اسیلاتور آستابل با سیکل‌های کاری (دیوتی سایکل) مختلف.
در چند مقاله اخیر دیدیم که تایمر 555 را می‌توان با اجزای متصل خارجی به عنوان مولتی ویبراتور، اسیلاتور و تایمر با فواصل زمانی از چند میکروثانیه تا چندین ساعت پیکربندی کرد. از آنجایی که تایمر 555 یکی از تراشه‌های مورد علاقه، ارزان و به راحتی قابل تنظیم است، در اینجا به استفاده از آن برای ایجاد مدارهای مختلف می‌پردازیم.
همانطور که قبلاً دیدیم، تایمر 555 به عنوان یک دستگاه در یک پکیج 8 پین دو خطی (DIP) یا به عنوان دستگاه 556 که دارای دو تراشه 555 در یک بسته 14 پین دوخطی است عرضه می‌شود. . دو تایمر 555 در تایمر 556 به طور مستقل از یکدیگر کار می‌کنند اما یک منبع تغذیه VCC و اتصال زمین (0 ولت) مشترک دارند.
استاندارد TTL 555 میتواند با ولتاژ تغذیه بین 4.5 تا 18 ولت کار کند و ولتاژ خروجی آن تقریباً 2 ولت کمتر از ولتاژ تغذیه VCC است. 555 میتواند حداکثر جریان خروجی 200 میلی آمپر را تامین یا جذب کند (اما ممکن است در این سطح داغ شود)، بنابراین تغییرات مدار نامحدود است. توجه داشته باشید که نسخه‌های CMOS 555، 7555 و 7556 ممکن است دارای گستره ولتاژ و جریان متفاوتی باشند.
اما ابتدا اجازه دهید برخی از فرمول‌های اساسی را که می‌توانیم برای محاسبه فرکانس نوسان استفاده کنیم، یادآوری کنیم.
در این معادلات، t1 مدت زمان خروجی زیاد، t2 مدت زمان خروجی کم، T زمان تناوب شکل موج خروجی، ƒ فرکانس شکل موج خروجی و 0.693 = ln(2) است.
هنگامی که به عنوان یک اسیلاتور استابل متصل می‌شود، خازن C از طریق RA و RB شارژ شده اما فقط از طریق RB تخلیه می‌شود.
بنابراین چرخه کاری D با نسبت این دو مقاومت تعیین می‌شود. با انتخاب مناسب مقاومت های RA و RB، چرخه‌های کاری بین 50 تا 100 درصد را می‌توان به راحتی تنظیم کرد.
کل دوره زمانی T به عنوان زمان شارژ خازن t1 (خروجی زیاد) به اضافه زمان تخلیه t2 (خروجی کم) همانطور که خازن به ترتیب بین 1/3Vcc و 2/3Vcc شارژ و تخلیه می‌شود، بیان می‌شود.
در این حالت کار، زمان های شارژ و تخلیه و در نتیجه فرکانس ƒ که به صورت 1/T داده می‌شود، مستقل از ولتاژ تغذیه است.
اسیلاتور 555 ساده
مدار نوسان ساز پایه 555 بسیار متنوع است و ما می‌توانیم تعدادی خروجی جذاب از آن ایجاد کنیم. ساده‌ترین مدار نوسان‌ساز آستابل آزادگرد 555، پین 3 (خروجی) را مستقیماً از طریق یک مقاومت منفرد به خازن زمانبندی، همانطور که نشان داده شده است، متصل میکند.
نوسانگر ساده 555
هنگامی که خروجی در پین 3 در حالت زیاد باشد، خازن از طریق مقاومت شارژ می‌شود. زمانی که ولتاژ دو طرف خازن به 2/3Vcc می‌رسد، پین 6 باعث می‌شود خروجی در پایه 3 تغییر حالت دهد و کم شود.
خازن اکنون از طریق همان مقاومت تخلیه می‌شود تا زمانی که پایه 2 به 1/3Vcc رسیده که باعث می‌شود خروجی یک بار دیگر تغییر حالت دهد. خازن به طور پیوسته بین 2/3Vcc و 1/3Vcc از طریق یک مقاومت شارژ و تخلیه می‌شود و در خروجی، پایه 3، حالت زیاد و کم ایجاد میکند.
هنگامی که خروجی در پین 3 در حالت زیاد باشد، خازن از طریق مقاومت شارژ می‌شود. زمانی که ولتاژ دو طرف خازن به 2/3Vcc می‌رسد، پین 6 باعث می‌شود خروجی در پایه 3 تغییر حالت دهد و کم شود.
خازن اکنون از طریق همان مقاومت تخلیه می‌شود تا زمانی که پایه 2 به 1/3Vcc رسیده که باعث می‌شود خروجی یک بار دیگر تغییر حالت دهد. خازن به طور پیوسته بین 2/3Vcc و 1/3Vcc از طریق یک مقاومت شارژ و تخلیه می‌شود و در خروجی، پایه 3، حالت زیاد و کم ایجاد میکند.
از آنجایی که خازن از طریق یک مقاومت شارژ و تخلیه می‌شود، چرخه وظیفه این آرایش اولیه بسیار نزدیک به 50٪ یا 1:1 است. پالس‌های خروجی موج مربعی تولیده شده به صورت سریالی، دارای زمان سیکل (T) تقریباً 2(0.693)×RC یا 2lin(2)×RC هستند. بنابراین، فرکانس شکل موج خروجی (ƒ) برابر با 0.722/RC است.
برای مثال، اگر بخواهیم یک شکل موج مربعی خروجی 1 کیلوهرتز تولید کنیم، آنگاه با استفاده از مقادیر ترجیحی، R = 3.3kΩ و C = 220nF می باشند.
سریعترین اسیلاتور 555
با تغییر مقدار R یا C، مدار مولتی ویبراتور استابل 555 را می‌توان ساخت که در هر فرکانس خروجی دلخواه نوسان کند. اما حداکثر فرکانس نوساناتی که می‌توانیم با استفاده از یک تراشه تایمر 555 تولید کنیم چقدر است؟
برای اینکه 555 در بالاترین فرکانس خود کار کند، لازم است که در لحظه تغییر حالت خروجی از زیاد به کم یا کم به زیاد، به طور مداوم آن را دوباره فعال کرد. سریعترین سرعت سوئیچینگ را می‌توان با حذف هر دو مؤلفه زمان بندی R و C، و تغذیه سیگنال خروجی مستقیماً با ورودی‌های تحریک بدست آورد.
با اتصال خروجی، پین 3، به هر دو ورودی تحریک، پین 2، و ورودی آستانه ،پین 6، هر بار که وضعیت خروجی تغییر میکند، 555 دوباره فعال شده تا دوباره تغییر حالت دهد. با این حال، شکل موج خروجی متقارن یا یک موج مربعی نبوده بلکه یک سری پالس منفی خواهد بود.
بالاترین فرکانس نوسان بدست آمده با استفاده از این آرایش، به ولتاژ تغذیه، نوع تراشه 555 مورد استفاده، TTL یا CMOS، و سازنده بستگی دارد زیرا مدار داخلی از سازنده‌ای به سازنده دیگر متفاوت است. امکان تولید فرکانس خروجی تا 350 کیلوهرتز در 5 ولت وجود دارد.
کندترین اسیلاتور 555
اگر به مدار اصلی اسیلاتور 555 برگردیم و خازن زمانبندی را با یک الکترولیت با مقدار بزرگ مانند خازن 220 میکروفاراد یا 470 میکروفاراد جایگزین کنیم، با انتخاب مقاومت زمانبندی مناسب می‌توان فرکانس نوسان را به بسیار کمتر از 1 هرتز کاهش داد. در این صورت، مدار 555 دیگر یک اسیلاتور نبوده و به یک مدار تایمر یا تاخیر تبدیل می‌شود که عرض پالس آن میتواند 10 ثانیه باشد.
مدار تایمر 555
در این مدار تأخیر زمانی، آستانه (پین 6) و تخلیه (پین 7) در محل اتصال اجزای زمانبندی RC به هم متصل شده و خروجی کم و پایدار می‌ماند تا زمانی که 555 با اعمال یک پالس منفی روی پین 2، وارد عمل شود.
پین تحریک 2، از طریق مقاومت R1 تا زمانی که کلید فشاری S1 بسته شود، زیاد نگه داشته می‌شود. عملکرد S1 به طور لحظه‌ای پین 2 را به زمین و در نتیجه کمتر از 1/3Vcc متصل کرده که باعث شروع چرخه تاخیر می‌شود.
هنگامی که تحریک شد، خروجی روی پین 3 برای مدتی از پیش محاسبه شده که توسط ثابت زمانی RC مدارها تعیین می‌شود، به حالت زیاد سوئیچ شده و تا زمانی که دوره تاخیر زمانبندی طی نشده باشد به راه‌اندازی اضافی کلید S1 پاسخ نمی‌دهد. در آن زمان، خروجی در پین 3 دوباره به حالت کم برمی‌گردد.
این عملکرد باعث می‌شود که این مدار مونوستابل با راه‌اندازی دستی در کاربردهای جهش (debounce) سوئیچ مفید باشد، زیرا صرف نظر از اینکه سوئیچ چند بار فشار داده شود، یک پالس واحد ایجاد می‌شود. عرض دوره پالس خروجی مونوستابل که در آن خروجی زیاد است به صورت 1.1RC در ثانیه، که در آن R بر حسب اهم و C بر حسب فاراد است، داده می‌شود.
بنابراین برای مدار تأخیر زمانی 555 ساده ما، تأخیر خروجی که در آن خروجی در حالت زیاد است به صورت: 1.1×9100×10×10-6 = 100ms محاسبه می‌شود. با انتخاب مقادیر مناسب R و C، تأخیرهای خروجی از چند میکروثانیه تا چندین ساعت به دست می‌آید. با این حال، برای تاخیرهای زمانبندی طولانی که نیاز به خازن‌های الکترولیتی با مقدار بالا دارند، دوره زمانبندی معمولاً آنقدر دقیق نیست زیرا تلرانس خازن‌های الکترولیتی میتواند بسیار زیاد، تا +/-50% ، باشد.
این مسئله را می‌توان با تغییر مقاومت زمانبندی به پتانسیومتر برای جبران تلرانس‌های خازن یا با انتخاب خازن‌های الکترولیتی با نشتی کم برطرف کرد. در عمل، مقاومت زمانبندی نباید از حدود 10 مگا اهم یا خازن زمانبندی بیشتر از 470 میکروفاراد تجاوز کند، زیرا هر دوی این‌ها با هم یک پالس تاخیری در حدود 5170 ثانیه یا حدود 1.5 ساعت ایجاد می‌کنند.
دیوتی سایکل اصلاح شده
قبلاً گفتیم که سیکل کاری یا دیوتی سایکل یعنی نسبت زمان روشن به کل زمان چرخه که برای مدار نوسانگر استاندارد 555 بین 50 تا 100 درصد محدود شده است. اما برخی از کاربردها نیاز به یک چرخه کاری خاص دارند که زیر 50% است، یعنی زمان t1 (زیاد) کمتر یا کوتاه‌تر از زمانt2 (کم) است که توسط نسبت‌های RA و RB تنظیم می‌شود.
همانطور که مقاومت RA بسیار بزرگتر از RB می‌شود، چرخه کاری به سمت واحد (100٪)، با نزدیک شدن RB به صفر، نزدیک می‌شود.
به همین ترتیب، با افزایش مقاومت RB نسبت به RA، چرخه وظیفه به 50% (یا 1:1) نزدیک می‌شود که به شکل موج خروجی ظاهر موج مربعی بیشتری می‌دهد. با این حال، برای بدست آوردن یک چرخه کاری کامل 50٪، RA باید صفر اهم باشد که مجاز نیست زیرا VCC را از طریق پین تخلیه 7 به زمین اتصال کوتاه میکند.
یکی از راه‌های دستیابی به سیکل کاری کمتر از 50 درصد، گنجاندن یک دیود در مدار زمانبندی RC است که در زیر نشان داده شده است.
دیوتی سایکل 50٪
افزودن دیود D1 در بین پین‌های 6 و 7 مدار اسیلاتور پایه 555، مقاومت RB را در طول چرخه شارژ اتصال کوتاه میکند.
دیود، که میتواند هر دیود سیلیکونی باشد، به خازن اجازه می‌دهد تا مستقیماً از RA شارژ شود، زیرا RA و D1 به طور موثر مقاومت RB را از چرخه شارژ حذف می‌کنند، اگرچه جریان نشتی بسیار کمی همچنان از طریق RB جریان می‌یابد.
در طول چرخه تخلیه، زمانی که خروجی در پین 3 در حالت کم است، دیود D1 بایاس معکوس است بنابراین مدار مانند قبل، از طریق مقاومت RB و به پایه 7 تایمر 555 تخلیه می‌شود.
بنابراین، در طول چرخه شارژ زمانی که خروجی زیاد است، RA و C دوره زمانی t1 را کنترل می‌کنند، در حالی که در طول چرخه تخلیه، زمانی که خروجی کم است، RB و C دوره زمانی t2 را کنترل می‌کنند.
توجه داشته باشید که به دلیل وجود دیود D1 به موازات RB، افت ولتاژ 0.7 ولتی دیودها باعث می‌شود مدار نسبت به تغییرات ولتاژ تغذیه Vcc حساس‌تر شود. بنابراین، بیان زمان t1 به تقریباً 0.8RC تغییر می‌یابد تا این افت ولتاژ دیود را در نظر بگیرد.
دیوتی سایکل بهبود یافته
می‌توانیم مدار قبلی را با افزودن یک دیود دوم D2 به صورت سری با مقاومت تخلیه RB مطابق شکل، بهبود دهیم.
با گنجاندن D2، هر جریان نشتی موازی که در طول چرخه شارژ از طریق RB جریان می‌یابد به طور کامل مسدود می‌شود، به دلیل اینکه دیود D2 در طول این دوره زمانبندی بایاس معکوس می‌شود.
در طول دوره تخلیه، خازن از طریق اتصال سری D2 و RB تخلیه می‌شود زیرا دیود D1 در طول این چرخه بایاس معکوس می‌شود.
بنابراین، هر دو مسیر شارژ و دشارژ برای خازن زمانبندی یکسان می‌شوند به دلیل اینکه خازن زمانبندی از طریق RA و D1 شارژ شده و از طریق RB و D2 تخلیه می‌شود که اجازه می‌دهد هر یک از دوره‌های زمانبندی بدون تأثیر بر دیگری تنظیم شوند.
یکی از نسخه‌های جالب مدار چرخه کاری بهبودیافته با استفاده از دیودها، این است که اگر دو مقاومت زمانبندی RA و RB را یکسان کنید، یعنی RA = RB، چرخه کاری دقیقاً 50 درصد خواهد بود که شکل موج خروجی موج مربعی را تولید میکند.
مجدداً معادلات استاندارد نوسانگر ناپایدار 555 کمی اصلاح می‌شوند تا اضافه کردن دیودها را در نظر بگیرند، و مانند قبل، به دلیل افت ولتاژ دیود در حالت عبور، دوره‌های زمانبندی به تغییرات ولتاژ تغذیه حساس هستند.
دوره‌های زمانی کاملا مستقل
می توانیم یک بار دیگر مدار فوق را با جایگزینی مقاومت ثابت RB با یک یا دو پتانسیومتر سری با دو دیود، بهبود دهیم. گنجاندن مقاومت‌های متغیر، تغییرات کاملاً مستقل در دوره‌های زمانبندی شارژ و تخلیه RC را، همانطور که نشان داده شده است، اجازه می‌دهد.
اسیلاتور 555 کاملا مستقل
مدار زمانبندی سمت چپ استفاده از دو پتانسیومتر را در طراحی نوسانگر نشان می‌دهد. با استفاده از دو پتانسیومتر VR1 و VR2، که هر کدام به صورت سری با دیودها هستند.
دوره زمانبندی برای هر دو چرخه شارژ (خروجی زیاد) و چرخه تخلیه (خروجی کم) میتواند اکنون به طور مستقل تنظیم شده و امکان کنترل کامل بر چرخه کاری را بدون تأثیر بر فرکانس خروجی فراهم کند. یک تغییر جایگزین ساده‌تر در مدار قبلی، استفاده از یک پتانسیومتر برای کنترل همزمان دو دوره زمانی خروجی، همانطور که در مدار سمت راست نشان داده شده، می‌باشد.
زمانی که بازوی درجه پتانسیومتر در موقعیت مرکزی خود قرار دارد، مقدار مقاومت بین نقطه A و درجه برابر با مقدار مقاومت بین نقطه B و درجه است. بنابراین، مقدار RB اکنون برابر مقدار VR1 شده و چرخه کاری شکل موج خروجی برابر با 50٪ خواهد بود. بدین ترتیب یک شکل موج خروجی به شکل پالس مدوله شده مربعی تولید می‌شود.
با تغییر درجه پتانسیومتر از مرکز به نقطه A، چرخه کاری کاهش می‌یابد. به همین ترتیب، با تغییر درجه پتانسیومتر در جهت معکوس از مرکز به نقطه B، چرخه کاری افزایش می‌یابد. بنابراین، چرخه کاری شکل موج خروجی را می‌توان از کم به زیاد، بدون هیچ تغییر عمده‌ای در فرکانس خروجی، تغییر داد.
می‌توانیم این ایده را یک قدم جلوتر ببریم و مدار ناپایدار 555 با چرخه کاری 50% را به مداری تبدیل کنیم که به ما امکان می‌دهد تا مشابه مدار قبلی زمان‌های tON به tOFF را تغییر دهیم. این نسبت روشن/خاموش (علامت/فاصله) را می‌توان با افزودن یک دیود و پتانسیومتر (یا یک دیود و دو مقاومت ثابت) مطابق شکل زیر تغییر داد.
تغییر دیوتی سایکل 555
هنگامی که برای اولین بار توان اعمال می‌شود، خازن زمان بندی C1 شارژ نشده است و خروجی (پین 3) به حالت زیاد می‌رود، بنابراین C1 به سرعت از طریق دیود بایاس مستقیم D1 و نیمی از پتانسیومتر VR1، شارژ می‌شود.
وقتی پین 6 (آستانه) 555، 2/3 Vcc را تشخیص داد، به دلیل اینکه اکنون دیود بایاس معکوس است پایه 3 خروجی بر روی حالت کم سوئیچ کرده و خازن C1 به آرامی از نیمه دیگر پتانسیومتر تخلیه می‌شود تا زمانی که پایه 2 (تحریک) 1/3 Vcc را تشخیص دهد که باعث می‌شود پین 3 خروجی دوباره به حالت زیاد برگشته و یک بار دیگر چرخه را تکرار کند.
مدت زمانی که خروجی 555 زیاد است “علامت” و مدت زمانی که خروجی 555 کم است “فاصله” نامیده می‌شود. بنابراین با تغییر پتانسیومتر بین نقطه “A” (کمترین) و نقطه “B” (بیشترین) می‌توانیم نسبت علامت به فاصله (چرخه کاری) شکل موج خروجی را بین حدود 5٪ (موقعیت A) و حداکثر 50% (موقعیت B) تغییر دهیم. به یاد داشته باشید که اگر طول علامت و فاصله یکسان باشد، خروجی 1:1 خواهد بود.
مزیت این مدار این است که می‌توانیم پالس‌های زمانی با طول‌های علامت (زیاد) کوتاه یا با دوره‌های بسیار طولانی فاصله (کم) برای انواع کاربردهای پالس و زمانبندی تولید کنیم. اگر جهت دیود D1 را معکوس کنیم، می‌توانیم یک مدار زمانبندی با فاصله کوتاه اما دوره علامت طولانی ایجاد کنیم، که معادل پالس خاموش کوتاه اما مدت زمان روشن طولانی است.
نقطه ضعف این مدار چرخه کاری متغیر اولیه این است که طول دوره زمانی با تنظیم پتانسیومتر به دلیل اثر متقابل دو نیمه پتانسیومتر، تغییر میکند. برای جبران این اثر، اگر یک دوره زمانی ثابت T مورد نیاز باشد، مقدار خازن زمان بندی C1 باید تنظیم شده یا تغییر کند.
یکی از کاربردهای بسیار خوب مدارهای زمانبندی متغیر در کنترل سرعت موتورهای DC با استفاده از مدولاسیون عرض پالس (PWM) است.
کنترل موتور با استفاده از مدولاسیون عرض پالس
مدولاسیون عرض پالس یا PWM، روشی برای کنترل مقدار متوسط ولتاژ اعمال شده به یک بار با روشن و خاموش کردن مداوم آن در چرخه‌های کاری مختلف است. به جای کنترل سرعت چرخش یک موتور با اعمال ولتاژ کمتر و کمتر به آن، می‌توانیم سرعت آن را با روشن و خاموش کردن کامل ولتاژ به گونه‌ای کنترل کنیم که میانگین زمان روشن شدن همان اثری را ایجاد کند که تغییر در ولتاژ تغذیه ایجاد میکند.
در واقع ولتاژ کنترل اعمال شده در پایانه‌های موتور توسط چرخه کاری شکل موج خروجی 555 کنترل می‌شود که به نوبه خود سرعت چرخش را کنترل میکند. همچنین می‌توانیم از این روش مدولاسیون عرض پالس برای کنترل روشنایی یک لامپ یا LED استفاده کنیم.
مدار کنترل مدولاسیون عرض پالس
سرعت چرخش موتور DC با استفاده از پتانسیومتر کنترل می‌شود که چرخه وظیفه شکل موج خروجی را از حدود 5% تا 95% تغییر می‌دهد. مقاومت R1 جریان هدایت شده به بیس ترانزیستور سوئیچینگ را محدود میکند و دیود D3 به موازات موتور برای متوقف کردن و گذر ولتاژ به هنگام روشن و خاموش شدن موتور استفاده می‌شود.
ترانزیستور سوئیچینگ ارائه شده در این مثال، یک ترانزیستور توان BD220 NPN مجاز به عبور 70 ولت، 4 آمپر است، اما می‌توان از هر ترانزیستور معادلی به شرطی که بتواند با خیال راحت جریان بار موتور را کنترل کند، استفاده کرد. ترانزیستور سوییچینگ ممکن است به یک هیت سینک (heatsink) برای دفع گرما نیاز داشته باشد.
