آی سی 555 و نحوه‌ی عملکرد آن – اصول کاربردی، بلوک دیگرام و شماتیک مداری

آیا با آی سی 555 و نحوه‌ی عملکرد آن آشنا هستید؟ در این آموزش روش عملکرد یکی از پرکاربردترین تراشه ها یعنی تراشه زمان سنج 555 را می آموزیم. آیسی زمان سنج 555 که توسط Hans Camenzind در سال 1971 میلادی طراحی شده است، در بسیاری از وسایل الکترونیکی نظیر اسباب بازی و لوازم آشپزخانه و یا حتی فضاپیماها استفاده شده است. این تراشه، یک مدار مجتمع بسیار پایدار است که می­تواند تاخیرهای زمانی و نوسانات دقیقی تولید کند.

نگاه اجمالی به آیسی 555

تراشه زمان سنج 555 سه مد کاری متفاوت دارد که عبارت اند از مونوآستابل، بی آستابل و آستابل.

ساختار داخلی تراشه زمان سنج 555

حالا در ادامه با میکرو دیزاینر الکترونیک هماره باشید و بیایید نگاهی به داخل تراشه زمان سنج 555 بیاندازیم و نحوه عملکرد آن در هر یک از حالت های کاری را بررسی کنیم. در شکل زیر شماتیک ساختار داخلی یک تراشه زمان سنج 555 را می­بینید که از 25 ترانزیستور، 2 دیود و 15 مقاومت تشکیل شده است.

همچنین در بیان این ساختار با بلوک دیاگرام طبق شکل زیر مشاهده می‌­شود که از 2 مقایسه کننده، یک فلیپ‌­‌فلاپ، یک تقسیم کننده جریان، یک ترانزیستور جهت تخلیه و یک طبقه خروجی تشکیل شده است.

تقسیم کننده ولتاژ از سه مقاومت با اندازه 5 کیلواهم و مشابه بایکدیگر تشکیل شده است که دو مقدار ولتاژ مرجع برابر با 3/1 و 3/2 ولتاژ تغذیه مدار تولید می­کند. اندازه این ولتاژ تغذیه می­تواند در بازه 5 ولت تا 15 ولت تغییر کند.

سپس دو مقایسه کننده را مشاهده می­کنید. یک مقایسه کننده در واقع یکی از المان های مدار است که دو مقدار ولتاژ ورودی آنالوگ را در پایانه های مثبت (غیر وارونگر) و منفی (وارونگر) با یکدیگر مقایسه می­کند. اگر مقدار ولتاژ ورودی پایانه مثبت بیشتر از مقدار ولتاژ ورودی پایانه منفی باشد، خروجی این مقایسه کننده برابر مقدار 1 می­شود. بالعکس، اگر ولتاژ پایانه منفی ورودی بیشتراز ولتاژ پایانه مثبت ورودی باشد، مقایسه کننده مقدار صفر را در خروجی قرار می­دهد.

پایه منفی ورودی اولین مقایسه کننده به 2/3 ولتاژ مرجع در تقسیم کننده ولتاژ و پین خروجی “Control” متصل شده و پایه مثبت ورودی نیز به خروجی “Threshold” وصل است.

از طرفی پایه ورودی منفی دومین مقایسه کننده به پین “Trigger” و پایه ورودی مثبت آن به مقداربه 1/3 ولتاژ مرجع در تقسیم کننده ولتاژ متصل شده است. در نتیجه با استفاده از سه پین Control ، Thresholdو Trigger می­توانیم خروجی این دو مقایسه کننده را که در نهایت به عنوان ورودی های Rو S به فلیپ­فلاپ داده می­شوند، کنترل کنیم. اگر مقدار R برابر 0 و مقدار S برابر1 باشد خروجی فلیپ­فلاپ برابر1 خواهد بود و بالعکس مقدار خروجی به ازای R=1 و S=0 برابر 0 خواهد بود. به علاوه فلیپ­فلاپ می­تواند توسط پین خروجی “Reset ” بازنشانی شود. به این صورت که به محض فعال شدن این پایه در هر زمانی، مقدار دو ورودی غیر معتبر شده و همچنین مقدار زمان سنج به حالت اولیه برمی­گردد.

خروجی از فلیپ­‌فلاپ به سمت طبقه یا درایور خروجی می‌­رود. این طبقه می­تواند بار متصل شده را با مقادیر جریان تا 200 میلی آمپر تغذیه کند و یا از آن جریان بکشد. همچنین خروجی فیلپ­فلاپ به یک ترانزیستور که پین “Discharge” را به زمین وصل نموده، متصل شده است.

زمان­سنج 555 – حالت بی­استابل

حال به بررسی مثالی از عملکرد زمان­سنج 555 در حالت بی­استابل می­پردازیم. برای این منظور به دو مقاومت و دو کلیدفشاری نیاز داریم.

پین های Trigger و Reset این تراشه از طریق دو مقاومت به Vcc متصل شده اند و به این صورت مقدار آن ها همیشه برابر1(سطح فعال سیگنال) است. کلیدهای فشاری بین این پین ها و زمین قرار گرفته اند درنتیجه اگر آن هارا بفشاریم، حالت ورودی برابر صفر خواهد بود.

در ابتدا، مقدار خروجی هر دو مقایسه کننده ، خروجی فلیپ­فلاپ و همچنین خروجی تایمر 555 برابر صفر است.

اگر کلید فشاری مربوط به Trigger را بفشاریم، ورودی Trigger در حالت صفر قرار می­گیرد. درنتیجه مقایسه کننده مقدار 1 را در خروجی قرار می­دهد و خروجی فلیپ­فلاپ برابر صفر می­شود. طبقه خروجی این مقدار را معکوس کرده و مقدار نهایی خروجی زمان سنج555 برابر 1 خواهد بود.

حتی اگر کلید Trigger فشرده نشود، مجددا مقدار خروجی برابر 1 خواهد بود زیرا در آن صورت ورودی های R و S از فلیپ­فلاپ صفر خواهند بود. این بدان معناست که فلیپ­فلاپ حالت قبلی خود را تغییر

نمی­دهد. برای تغییر دادن مقدار خروجی به صفر باید کلید Reset را بفشاریم تا حالت فلیپ­فلاپ و همچنین حالت کل تراشه تغییر به وضعیت ابتدایی باز گردد.

زمان سنج555- حالت مونواسابل

حالا بیایید عملکرد زمان­سنج555 در حالت کاری مونواستابل را بررسی کنیم. یک مدار به عنوان نمونه در اینجا نشان داده شده است.

ورودی trigger توسط یک مقاومت به ولتاژ تغذیه مدار (Vcc) متصل شده و در نتیجه مقدار آن برابر 1 است. این بدان معناست که مقایسه کننده trigger مقدار صفر را به عنوان خروجی خود به ورودی S از فلیپ­فلاپ می­دهد. از طرف دیگر، مقدار پین Threshold برابر صفر است که خروجی مقایسه کننده Threshold را نیز در حالت صفر قرار می­دهد. دلیل صفر بودن مقدار پین Threshold در واقع آن است که خروجی فلیپ­فلاپ 1 است که این پین ترانزیستور دشارژ را در حالت فعال قرار داده و در نتیجه ولتاژ منتقل شده از منبع توسط ترانزیستور به زمین منتقل می­شود.

جهت تغییر دادن وضعیت خروجی زمان­سنج 555 به مقدار 1 باید کلیدفشاری پین trigger را را بفشاریم. این کار پین trigger را زمین می­کند یا به عبارت دیگر حالت ورودی برابر صفر قرار داده می­شود و همچنین مقایسه کننده مقدار 1 را به عنوان خروجی به ورودی S از فیلپ­فلاپ اعمال می­کند.

این اتفاق باعث می­شود خروجی برابر صفر و خروجی زمان­سنج555 برابر 1 شود. به طور همزمان، ترانزیستور دشارژ خاموش شده در نتیجه حالا خازن C1 از طریق مقاومت R1 شارژ می­شود.

زمان­سنج 555 تا وقتی که مقدار ولتاژ خازن به ولتاژ تغذیه مدار برسد، درهمین حالت می­ماند. در این حالت، ولتاژ ورودی Threshold مقدار بیشتری خواهد داشت و مقایسه کننده به خروجی خود مقدار 1 اعمال می­کند. در نتیجه این مقدار ورودی R فلیپ­فلاپ نیز اعمال خواهد شد.

این روند، مدار را به حالت اولیه خود برمی­گرداند. خروجی برابر 1 و ترانزیستور دشارژ توسط آن فعال می­شود. درنتیجه مقدار خروجی تراشه مجددا برابر صفر خواهد شد.

در نتیجه می­توانیم نتیجه بگیریم مقدار زمانی که خروجی زمان­سنج555 در حالت 1 قرار دارد به مقدار زمان لازم برای شارژ خازن تا ولتاژ تغذیه مدار، بستگی داشته و درنهایت این مقدار نیز با اندازه ظرفیت خازن C1 و مقدار مقاومت R1 رابطه مستقیم دارد . در واقع می­توانیم مقدار زمان ذکر شده را از رابطه زیر بدست آوریم .

زمان­سنج555 – حالت آستابل

حالا به بررسی روند کارکرد زمان­سنج555 در حالت آستابل می­پردازیم. در این حالت تراشه به یک نوسان­ساز و یا به عبارت دیگر یک مولتی ویبراتور تبدیل می­شود. در این حالت، تراشه هیچ وضعیت پایداری نداشته و بدون اعمال هیچ محرک خارجی دائما بین مقادیر صفر و یک نوسان می­کند.

در اینجا یک مدار به عنوان مثال از عملکرد تراشه زمان­سنج555 در حالت آاستابل آورده شده است.

برای این مدار ما تنها به دو مقاومت و یک خازن نیاز داریم. پین های Trigger و Threshold به یکدیگر متصل شده اند. در واقع به پالس محرک خارجی احتیاج نداریم. در ابتدا منبع ولتاژ از طریق مقاومت های R1 و R2 خازن را شارژ می­کند. در حین شارژ، Trigger از مقایسه کننده مقدار خروجی را برابر 1 قرار می­دهد. به این دلیل که مقدار ولتاژ پین Trigger هنوز کمتر از ولتاژ تغذیه مدار است. این بدان معنی است که خروجی برابر صفر بوده و ترانزیستور دشارژ در حالت غیرفعال است. در این حالت خروجی زمان­سنج555 برابر یک خواهد بود.

به محض اینکه ولتاژ خازن به مقدار ولتاژ تغذیه برسد، مقایسه کننده Trigger مقدار خروجی را برابر صفر قرار می­دهد اما در این لحظه این تغییر تاثیری خواهد داشت زیرا مقادیر دو ورودی R و S فلیپ­فلاپ همچنان برابر صفر است. در نتیجه ولتاژ خازن مانند قبل در حال افزایش بوده و به محض اینکه به مقدار ولتاژ تغذیه برسد، خروجی مقایسه کننده Threshold مقدار ورودی R از فلیپ­فلاپ را یک می­کند. این اتفاق ترانزیستور دشارژ را فعال کرده و حالا خازن از طریق مقاومت R2 و ترانزیستور دشارژ تخلیه می­شود. در این لحظه خروجی تراشه زمان­سنج555 برابر صفر خواهد شد.

در حین دشارژ، ولتاژ خازن به مرور کاهش می­یابد و خروجی مقایسه کننده Threshold به مقدار صفر تغییر می­یابد که در واقع هیچ تاثیری بر ورودی های فلیپ­فلاپ نداشته و مقدار R و S همچنان برابر صفر می­مانند. اما به محض اینکه ولتاژ خازن تا ولتاژ تغذیه کاهش یابد، خروجی مقایسه کننده Threshold برابر یک خواهد شد. در نتیجه ترانزیستور دشارژ غیرفعال شده و مجددا خازن شروع به شارژ شدن می­کند. در نهایت این روند شارژ و دشارژ بین و ولتاژ منبع تغذیه آنقدر ادامه می‌یابد تا شکل موج مربعی در خروجی تراشه زمان­سنج 555 تولید کند .

ما می­توانیم با استفاده از رابطه نشان داده شده، مدت زمان صفر و یک بودن خروجی را محاسبه کنیم. زمان یک بودن به مقادیر مقاومت های R1 و R2 و همچنین ظرفیت خازن بستگی دارد. از طرف دیگر، زمان صفر بودن تنها به مقدار مقاومت R2 و ظرفیت خازن وابسته است. اگر مقدار زمان صفر بودن و یک بودن را باهم جمع کنیم، کل زمان تناوب یک سیکل بدست می­آید. از طرفی، می­دانیم فرکانس برابر تعداد دفعاتی است که این اتفاق در یک ثانیه تکرار می­شود. در نتیجه مقدار فرکانس موج مربعی خروجی از طریق معکوس کردن مقدار زمان تناوب قابل محاسبه است.

برای تغییر فرکانس و یا مقدار duty cycle میتوانیم با اعمال تغییراتی در مدار، به جای مقاومت R2 از یک مقاومت متغیر و یا پتانسیومتر استفاده کنیم و با استفاده از آن مقادیر گفته شده را کنترل کنیم .

به عنوان نمونه دیگر از این کاربرد  این آیسی کنترل کننده سرعت موتور با استفاده از تراشه زمان سنج555 است. علت کاربرد 555 بیشتر بخاطر ارزان بودن آن است و بسادگی مدارات مختلفی را می‌توان طراحی کرد.

منبع: ترجمه از وب‌سایت howtomechatronics.com

در ادامه توصیه ‌میکنیم دیگر مطالب آموزشی وب‌سایت را هم مطالعه کنید.

همچنین لطفا نظرات خودتان را در قسمت کامنت‌ها ⇓ با ما به اشتراک بگذارید.

اگر این نوشته‌ برایتان مفید بود لطفا کامنت بنویسید.