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
- 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
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
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
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)
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
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.
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
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.
