1. خانه
  2. »
  3. مفاهیم پایه الکترونیک
  4. »
  5. تایمر 555 چیست؟

تایمر 555 چیست؟

بازدید: 63

فهرست مطالب

تایمر 555 یک آی­‌سی رایج است که برای تولید انواع شکل موج خروجی با اضافه کردن یک شبکه RC خارجی طراحی شده است.

دیدیم که مولتی ویبراتورها و نوسان­‌سازهای CMOS را می­‌توان به راحتی با استفاده از اجزای مجزا برای تولید نوسان‌گرهای وقفه­‌ای (ریلاکسیون) جهت تولید شکل موج‌­های خروجی موج مربعی ساخت. اما آی‌­سی­‌های مشخصی نیز وجود دارند که به طور خاص برای تولید دقیق شکل موج خروجی مورد نیاز با اضافه کردن چند جزء زمان­‌بندی اضافی طراحی شده‌­‌اند.

یکی از این دستگاه‌هایی که جزء IC های اولیه بوده و خود به نوعی «استاندارد» در صنعت تبدیل شده است، نوسان‌گر تایمر 555 است که معمولاً «تایمر 555» نامیده می‌شود.

تایمر 555 نام خود را از این واقعیت گرفته است که سه مقاومت داخلی 5 کیلو اهم وجود دارد که از آن­ها برای تولید دو ولتاژ مرجع مقایسه­‌کننده‌­ها استفاده می­‌شود. آی‌­سی تایمر 555 یک تراشه زمان‌­بندی دقیق، بسیار ارزان، محبوب و مفید است که می­‌‌تواند به عنوان یک تایمر ساده برای تولید پالس­‌های منفرد یا تأخیرهای طولانی مدت یا به عنوان یک نوسان‌گر وقفه­‌ای عمل کند که رشته­‌ای از شکل موج­‌های تثبیت شده با چرخه­‌های کاری مختلف از 50 تا 100 درصد را تولید می­‌کند.

تراشه تایمر 555 یک دستگاه 8 پین بسیار قوی و پایدار است که می­‌تواند به عنوان یک مولتی ویبراتور بسیار دقیق مونوستابل، بایستابل یا ناپایدار که دارای کاربردهای مختلفی مانند تایمرهای تک شات یا تاخیری، تولید پالس، فلاشرهای LED و لامپ، آلارم‌‎­ها و تولید صدا، ساعت­‌های منطقی، تقسیم فرکانس، منابع تغذیه و مبدل‌­ها و غیره، در واقع هر مداری که به نوعی کنترل زمان نیاز دارد، استفاده شود.

یک تراشه تایمر 555 تکی در شکل اولیه خود یک دستگاه دو خطی (DIP) کوچک 8 پین دوقطبی است که شامل 25 ترانزیستور، 2 دیود و حدود 16 مقاومت است که برای تشکیل دو مقایسه­‌کننده، یک فلیپ فلاپ و یک حالت خروجی جریان زیاد، همانطور که در زیر نشان داده شده است، استفاده می­‌شوند. علاوه بر تایمر 555، نوسانگر تایمر NE556 نیز موجود است که دو تایمر 555 جداگانه را در یک بستهDIP  14 پین و نسخه‌های کم مصرف CMOS تایمر 555 مانند 7555 و LMC555 که از ترانزیستورهای ماسفت استفاده می‌کنند، ترکیب می‌کند.

یک “بلوک دیاگرام” ساده شده که مدار داخلی تایمر 555 را نشان می­‌دهد در زیر با توضیح مختصری در مورد هر یک از پایه‌­های اتصال آن ارائه شده است تا به درک واضح­‌تری از نحوه عملکرد آن کمک کند.

بلوک دیاگرام تایمر 555

1. بلوک دیاگرام تایمر 555
  • پین 1 :  زمین، پین زمین، تایمر 555 را به خط تغذیه منفی (0 ولت) متصل می­‌کند.
  • پین 2 :  تحریک، ورودی منفی به مقایسه کننده شماره 1. یک پالس منفی در این پین، فلیپ فلاپ داخلی را هنگامی که ولتاژ به زیر Vcc3/1 کاهش می‌یابد، «تنظیم» می‌کند و باعث می‌شود خروجی از حالت «کم» به «زیاد» تغییر کند.
  • پین 3 : خروجی، پین خروجی می‌­تواند هر مدار TTL را به حرکت درآورده و تا 200 میلی­‌آمپر جریان را با ولتاژ خروجی معادل تقریباً Vcc – 1.5 (v) تولید کند، بنابراین بلندگوهای کوچک، LED ها یا موتورها می­‌توانند مستقیماً به خروجی متصل شوند.
  • پین 4 : تنظیم مجدد، این پین برای “تنظیم مجدد” فلیپ فلاپ داخلی که وضعیت خروجی، پین 3 ، را کنترل می‌­کند، استفاده می­‌شود. این پین، یک ورودی فعال-پایین است و به طور کلی زمانی که کاری انجام نمی­‌شود، به سطح منطقی “1” وصل شده تا از هر گونه تنظیم مجدد ناخواسته خروجی جلوگیری کند.
  • پین 5 : ولتاژ کنترل، این پین زمان­‌بندی تایمر 555 را با در نظر گرفتن سطح Vcc3/2 شبکه تقسیم‌­کننده ولتاژ، کنترل می­‌کند. با اعمال یک ولتاژ به این پین، عرض سیگنال خروجی را می‌­توان مستقل از شبکه زمان­‌بندی RC تغییر داد. هنگامی که از آن استفاده نمی‌­شود، از طریق یک خازن 10 نانوفاراد به زمین متصل شده تا هرگونه نویز را از بین ببرد.
  • پین 6 : آستانه، ورودی مثبت به مقایسه­‌کننده شماره 2. این پین برای تنظیم مجدد فلیپ فلاپ زمانی که ولتاژ اعمال شده به آن از Vcc3/2 بیشتر می‌­شود، استفاده شده و باعث می­‌شود خروجی از حالت “زیاد” به “کم” تغییر کند. این پین مستقیماً به مدار زمان‌­بندی RC متصل می­‌شود.
  • پین 7 : تخلیه، پین تخلیه مستقیماً به کلکتور یک ترانزیستور NPN داخلی متصل می­‌شود که برای تخلیه خازن زمان­‌بندی به زمین زمانی که خروجی در پایه 3 به سمت «کم» سوئیچ می­‌شود، استفاده می‌­شود.
  • پین 8 :  منبع +Vcc، این پین منبع تغذیه است و برای تایمرهای TTL 555 با مصارف عمومی بین 4.5 تا 15 ولت است.

نام تایمر 555 از این واقعیت گرفته شده است که سه مقاومت 5 کیلواهم به هم متصل شده­‌اند و یک شبکه تقسیم­‌کننده ولتاژ بین ولتاژ تغذیه در پین 8 و زمین در پین 1 ایجاد می­‌کنند. ولتاژ در این شبکه مقاومتی سری، ورودی معکوس منفی به مقایسه کننده دو را در Vcc3/2 نگه داشته و ورودی غیر معکوس مثبت به مقایسه کننده یک را در Vcc3/1 نگه می­‌دارد.

این دو مقایسه­‌کننده، یک ولتاژ خروجی وابسته به اختلاف ولتاژ در ورودی­‌های خود تولید می­‌کنند که توسط عمل شارژ و دشارژ شبکه RC متصل خارجی تعیین می­‌شود. خروجی‌­های هر دو مقایسه­‌کننده به دو ورودی فلیپ فلاپ متصل می­‌شوند که به نوبه خود یک خروجی سطح “زیاد” یا “کم” را در Ǭ بر اساس حالت‌­های ورودی آن تولید می­‌کنند. خروجی فلیپ فلاپ برای کنترل حالت سوئیچینگ خروجی جریان بالا استفاده می­‌شود تا بار متصل را تحریک کرده و سطح ولتاژ “بالا” یا “پایین” را در پایه خروجی تولید کند.

متداول­‌ترین استفاده از نوسان‌­ساز تایمر 555 به عنوان یک نوسان‌­ساز ساده ناپایدار با اتصال دو مقاومت و یک خازن در ترمینال‌­های آن برای تولید یک قطار پالس ثابت با دوره زمانی تعیین شده توسط ثابت زمانی شبکه RC، می­‌باشد. اما تراشه نوسان‌­ساز تایمر 555 می­‌تواند به روش­‌های مختلف برای تولید مولتی ویبراتورهای مونو استابل یا بای استابل و همچنین مولتی ویبراتور رایج­‌تر آستابل، متصل شود.

تایمر 555 مونو استابل

عملکرد و خروجی تایمر مونو استابل 555 دقیقاً همانند مولتی ویبراتورهای مونو استابل ترانزیستوری است که در مقاله‌های قبلی به آن پرداختیم. تفاوت این بار این است که دو ترانزیستور با دستگاه تایمر 555 جایگزین شده اند. مدار مونو استابل تایمر 555 را در زیر در نظر بگیرید.

تایمر 555 مونو استابل

2. تایمر 555 مونوستابل

هنگامی که یک پالس منفی (0 ولت) به ورودی تحریک (پین 2) نوسان‌گر تایمر 555 پیکربندی‌­شده مونو استابل اعمال می‌­شود، مقایسه کننده داخلی (مقایسه کننده شماره 1) این ورودی را تشخیص داده و وضعیت فلیپ فلاپ را با تغییر خروجی از حالت “کم” به حالت “زیاد”، “تنظیم” می­‌کند. این عمل به نوبه خود ترانزیستور تخلیه متصل به پایه 7 را خاموش کرده و در نتیجه اتصال کوتاه در خازن زمان‌­بندی خارجی C1 را از بین می­‌برد.

این عمل به خازن زمان‌بندی اجازه می‌دهد تا از طریق مقاومت R1 شروع به شارژ شدن کند تا زمانی که ولتاژ در خازن به ولتاژ آستانه (پین 6) Vcc3/2 که توسط شبکه تقسیم‌کننده ولتاژ داخلی تنظیم می‌­شود، برسد. در این مرحله، خروجی مقایسه­‌کننده‌­ها “زیاد” شده و فلیپ فلاپ را به حالت اولیه خود “بازنشانی” می­‌کند که به نوبه خود ترانزیستور را “روشن” کرده و خازن را از طریق پین 7 به زمین تخلیه می­‌کند. این عمل باعث می‌­شود تا  حالت خروجی خود را به مقدار پایدار اولیه “کم” تغییر داده و در انتظار یک پالس فرمان دیگر برای شروع دوباره فرآیند زمان­‌بندی بماند. بنابراین مانند قبل، مولتی ویبراتور مونوستابل فقط “یک” حالت پایدار دارد.

مدار تایمر مونوستابل 555 با یک پالس منفی که روی پین 2 اعمال می‌شود، فعال می‌شود و این پالس فرمان باید بسیار کوتاه‌تر از عرض پالس خروجی باشد تا به خازن زمان‌بندی اجازه شارژ دهد و سپس کاملاً تخلیه شود. پس از راه اندازی، تایمر 555 مونو استابل تا زمانی که دوره زمانی R1 × C1 تنظیم شده توسط شبکه سپری شود، در این وضعیت خروجی ناپایدار “زیاد” باقی می­‌ماند. مقدار زمانی که ولتاژ خروجی “زیاد” یا در سطح منطقی “1” باقی می‌­ماند، با معادله ثابت زمانی زیر به دست می­‌آید.

در این معادله، t بر حسب ثانیه، R بر حسب اهم و C بر حسب فاراد است.

تایمر 555 - مثال 1

یک تایمر 555 مونوستابل برای ایجاد تاخیر زمانی در مدار مورد نیاز است. اگر از یک خازن زمان­‌بندی 10 میکروفاراد استفاده شود، مقدار مقاومت مورد نیاز برای تولید حداقل تاخیر زمانی خروجی 500 میلی ثانیه را محاسبه کنید.

500 میلی‌ثانیه همان 0.5 ثانیه است، بنابراین با تنظیم مجدد فرمول بالا، مقدار محاسبه‌شده برای مقاومت R  به صورت زیر محاسبه می­شود:

بنابراین، مقدار محاسبه شده برای مقاومت زمان­‌بندی مورد نیاز برای تولید ثابت زمانی 500 میلی ثانیه، 45.5 کیلواهم است. با این حال، مقدار مقاومت 45.5 کیلواهم به عنوان یک مقاومت با مقدار استاندارد وجود ندارد، بنابراین باید نزدیک‌ترین مقاومت با مقدار ترجیحی 47 کیلواهم را انتخاب کرد که در تمام محدوده‌های استاندارد تحمل از E12 (10%) تا E96 (1%) موجود بوده و به ما تأخیر زمانی 517 میلی‌ثانیه را می‌دهد.

اگر این اختلاف زمانی 17 میلی‌ثانیه (500 تا 517 میلی‌ثانیه) با یک مقاومت زمان‌بندی غیرقابل قبول باشد، می‌توان دو مقاومت با مقادیر مختلف را به صورت سری به هم متصل کرد تا عرض پالس را به مقدار دقیق مورد نظر تنظیم کند، یا مقدار خازن زمان‌بندی متفاوتی انتخاب کرد.

اکنون می­‌دانیم که تاخیر زمانی یا عرض پالس خروجی یک تایمر 555 مونوستابل با ثابت زمانی شبکه RC متصل تعیین می­‌شود. اگر تأخیرهای طولانی مدت از مرتبه 10 ثانیه مورد نیاز باشد، همیشه توصیه نمی‌شود از خازن‌های زمان‌بندی با مقادیر زیاد استفاده شود، زیرا می‌توانند از نظر فیزیکی بزرگ، گران و دارای تلرانس‌های زیاد مانند 20± درصد باشند.

یک راه حل جایگزین استفاده از یک خازن زمان‌­بندی با مقدار کم و یک مقاومت بسیار بزرگ تا حدود 20 مگا اهم برای ایجاد تاخیر زمانی مورد نیاز است. همچنین با استفاده از یک خازن زمان‌بندی با مقدار کمتر و مقادیر مقاومت مختلف که از طریق یک کلید چرخشی چند وضعیتی به آن متصل می‌شود، می‌توانیم یک مدار نوسان‌گر تایمر 555 مونوستابل تولید کنیم که در هر چرخش سوئیچ می‌تواند عرض پالس‌های مختلفی تولید کند، مانند مدار تایمر 555 مونوستابل قابل سوییچ نشان داده شده در شکل زیر.

تایمر 555 قابل سوییچ

3. تایمر 555 قابل سوییچ

همانطور که در مثال بالا محاسبه کردیم، می‌توانیم مقادیر R و C را برای تک تک اجزای مورد نیاز محاسبه کنیم. با این حال، انتخاب مولفه‌های مورد نیاز برای به دست آوردن تأخیر زمانی مورد نظر، ما را ملزم می‌کند که با کیلوهم (KΩ)، مگااهم (MΩ)، میکروفاراد (μF) یا پیکافاراد (pF) محاسبه کنیم که منجربه تأخیر زمانی از مرتبه ده یا حتی صد می­‌شود.

می توانیم با استفاده از یک نوع نمودار به نام “نوموگراف (Nomograph)”، که به ما کمک می‌­کند تا خروجی فرکانس مورد نظر مولتی ویبراتورهای مونو استابل را برای ترکیبات یا مقادیر مختلف R و C پیدا کنیم، محاسبات را ساده­‌تر کنیم.

نوموگراف مونو استابل

4. نوموگراف مونو استابل

بنابراین با انتخاب مقادیر مناسب C و R به ترتیب در بازه‌های 0.001 تا 100 میکروفاراد و 1 کیلو تا 10 مگا اهم، می‌توان فرکانس خروجی مورد انتظار را مستقیماً از نمودار نوموگراف خواند و در نتیجه هرگونه خطا در محاسبات را حذف کرد. در عمل مقدار مقاومت زمان­‌بندی برای یک تایمر 555 مونوستابل نباید کمتر از 1 کیلو اهم و یا بیشتر از 20 مگا اهم باشد.

تایمر 555 بای استابل

علاوه بر پیکربندی تک حالته 555 مونو استابل بالا، می‌توانیم یک دستگاه بای استابل (دو حالت پایدار) با عملکرد و خروجی مشابه نوع ترانزیستوری آن که قبلاً در مقاله مولتی ویبراتورهای بای استابل پرداختیم، تولید کنیم.

بای استابل 555 یکی از ساده‌­ترین مدارهایی است که می­‌توانیم با استفاده از تراشه نوسان‌گر تایمر 555 بسازیم. این پیکربندی بای استابل از هیچ شبکه زمان­‌بندی RC برای تولید شکل موج خروجی استفاده نمی­‌کند، بنابراین هیچ معادله‌­ای برای محاسبه دوره زمانی مدار لازم نیست. مدار تایمر 555 بای استابل  زیر را در نظر بگیرید.

تایمر 555 بای استابل (فلیپ فلاپ)

5. تایمر 555 بایستابل (فلیپ فلاپ)

سوئیچینگ شکل موج خروجی با کنترل ورودی­‌های تحریک و تنظیم مجدد تایمر 555 حاصل می‌­شود که توسط دو مقاومت بالا نگهدار (pull-up) R1 وR2  در سطح “زیاد” نگه داشته می‌­شوند. با قرار دادن ورودی تحریک (پین 2) در حالت “کم”، سوئیچ در موقعیت تنظیم، وضعیت خروجی به حالت “زیاد” تغییر می­‌کند و با قرار گرفتن ورودی تنظیم مجدد (پین 4) در حالت “کم”، سوئیچ در موقعیت تنظیم مجدد، خروجی به حالت “کم” تغییر می­‌کند.

این مدار تایمر 555 به طور نامحدود در هر دو حالت باقی مانده و بای استابل است. بنابراین تایمر 555 بای استابل در هر دو حالت “زیاد” و “کم” پایدار است. ورودی آستانه (پین 6) به زمین متصل می­‌شود تا اطمینان حاصل شود که نمی‌­توان مدار بایستابل را مانند یک برنامه زمان­‌بندی معمولی تنظیم مجدد کرد.

خروجی تایمر 555

آموزش تایمر 555 را نمی­‌توان بدون بحث درباره قابلیت‌های سوئیچینگ و تحریک تایمر 555 یا در واقع آی­‌سی تایمر 556 دوگانه به پایان رساند.

خروجی (پین 3) تایمر استاندارد 555 یا تایمر 556، توانایی “Sink” (جذب) یا “Source” (تامین) جریان بار حداکثر تا 200 میلی آمپر را دارد که برای هدایت مستقیم مبدل­‌های خروجی مانند رله‌­ها، لامپ‌­های رشته­‌ای، موتورهای LED یا بلندگوها و غیره با کمک مقاومت­‌های سری یا حفاظت دیودی، کافی است.

این توانایی تایمر 555 در هر دو “Sink” (جذب) یا “Source” (تامین) جریان به این معنی است که دستگاه خروجی را می­‌توان بین پایانه خروجی تایمر 555 و منبع تغذیه وصل کرد تا جریان بار را جذب کند یا بین ترمینال خروجی و زمین وصل کرد تا جریان بار را تامین کند.

جذب و تامین خروجی تایمر 555

6. جذب و تامین خروجی تایمر 555

در اولین مدار بالا، LED بین خط منبع تغذیه مثبت (Vcc+) و پین خروجی 3 وصل می­‌شود. این بدان معنی است که جریان “جذب” یا وارد ترمینال خروجی تایمر 555 شده و LED زمانی که خروجی “کم” است، “روشن” خواهد بود.

مدار دوم بالا نشان می­‌دهد که LED بین پین خروجی 3 و زمین (0 ولت) وصل شده است. این بدان معناست که جریان از ترمینال خروجی تایمر 555  “تامین” یا خارج شده و زمانی که خروجی “زیاد” باشد، LED “روشن” خواهد بود.

توانایی تایمر 555 در جذب و تامین جریان بار خروجی به این معنی است که هر دو LED را می­‌توان همزمان به ترمینال خروجی وصل کرد اما بسته به اینکه حالت خروجی “زیاد” یا “کم” باشد، فقط یکی از آنها روشن می­‌شود.

دار سمت چپ یک نمونه­ از این عملکرد را نشان می­‌دهد.

7. جذب و تامین خروجی تایمر 555

 بسته به خروجی، دو LED به طور متناوب “روشن” و “خاموش” می­‌شوند. مقاومت R برای محدود کردن جریان LED به زیر 20 میلی‌­آمپر استفاده می‌­شود.

قبلاً گفتیم که حداکثر جریان خروجی برای جذب یا تامین جریان بار از طریق پین 3 حدود 200 میلی آمپر در حداکثر ولتاژ تغذیه است و این مقدار برای راه‌­اندازی یا سوئیچ کردن سایر آی­‌سی­‌های منطقی، LED ها یا لامپ­‌های کوچک کافی است. اما اگر بخواهیم دستگاه‌­های با توان بالاتر مانند موتورها، آهنرباهای الکتریکی، رله‌­ها یا بلندگوها را کنترل کنیم، باید از یک ترانزیستور برای تقویت خروجی تایمر 555 استفاده کنیم تا توان کافی برای هدایت بار را فراهم کند.

درایور ترانزیستوری تایمر 555

8. درایور ترانزیستوری تایمر 555

در صورت بالا بودن جریان بار، ترانزیستور در دو مثال بالا می­‌تواند با ماسفت توان یا ترانزیستور دارلینگتون جایگزین شود. هنگام استفاده از یک بار القایی مانند موتور، رله یا آهنربای الکتریکی، توصیه می­‌شود که یک دیود ضربه­‌گیر یا فلایویل (flywheel) را مستقیماً در بین پایانه‌­های بار وصل کرد تا ولتاژهای EMF تولید شده توسط دستگاه القایی را در هنگام تغییر حالت، جذب کند.

تا اینجا ما به استفاده از تایمر 555 برای تولید پالس­‌های خروجی بای استابل و مونو استابل  پرداختیم. در مقاله بعدی در مورد تولید شکل موج، به اتصال تایمر 555 در یک پیکربندی مولتی ویبراتور ناپایدار یا آستابل خواهیم پرداخت. هنگامی که در حالت ناپایدار استفاده می­‌شود، هم فرکانس و هم چرخه کاری شکل موج خروجی را می­‌توان به دقت کنترل کرد تا یک مولد شکل موج تطبیق­‌پذیر تولید شود.

نظرتان را درباره این مقاله بگویید 1 نظر

5 1
تایمر 555 چیست؟

این مقاله را با دوستانتان به اشتراک بگذارید!

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.

فروشگاه
علاقه مندی
0 محصول سبد خرید
حساب کاربری من