مدارهای اسیلاتور ۵۵۵

مجموعه­‌ای از مدارهای ۵۵۵ با استفاده از تایمر ۵۵۵ به عنوان یک  اسیلاتور آستابل با سیکل‌های کاری (دیوتی سایکل) مختلف.

در چند مقاله اخیر دیدیم که تایمر ۵۵۵ 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 ۵۵۵ 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.

۱. فرمول‌های اساسی محاسبه فرکانس نوسان

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 ۵۵۵ ساده

مدار نوسان ساز پایه ۵۵۵ بسیار متنوع است و ما می‌­توانیم تعدادی خروجی جذاب از آن ایجاد کنیم. ساده‌ترین مدار نوسان‌ساز آستابل آزادگرد ۵۵۵، پین ۳ (خروجی) را مستقیماً از طریق یک مقاومت منفرد به خازن زمان‌بندی، همانطور که نشان داده شده است، متصل می‌کند.

نوسانگر ساده ۵۵۵

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.

۲. اسیلاتور ساده با ۵۵۵

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 ۵۵۵

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 ۳، به هر دو ورودی تحریک، پین ۲، و ورودی آستانه ،پین ۶، هر بار که وضعیت خروجی تغییر می­‌کند، ۵۵۵ 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.

۳. سریع ترین اسیلاتور ۵۵۵

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 ۵۵۵

اگر به مدار اصلی اسیلاتور ۵۵۵ برگردیم و خازن زمان­ب‌ندی را با یک الکترولیت با مقدار بزرگ مانند خازن ۲۲۰ میکروفاراد  یا ۴۷۰ میکروفاراد جایگزین کنیم، با انتخاب مقاومت زمان­‌بندی مناسب می‌­توان فرکانس نوسان را به بسیار کمتر از ۱ هرتز کاهش داد. در این صورت، مدار ۵۵۵ دیگر یک اسیلاتور نبوده و به یک مدار تایمر یا تاخیر تبدیل می‌­شود که عرض پالس آن می­تواند ۱۰ ثانیه باشد.

مدار تایمر ۵۵۵

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.

۴. مدار تایمر ۵۵۵

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 ۵۵۵ ساده ما، تأخیر خروجی که در آن خروجی در حالت زیاد است به صورت: ۱.۱×۹۱۰۰×۱۰×۱۰-۶ = 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 ۱۰ مگا اهم یا خازن زمان‌بندی بیشتر از ۴۷۰ میکروفاراد تجاوز کند، زیرا هر دوی این‌ها با هم یک پالس تاخیری در حدود ۵۱۷۰ ثانیه یا حدود ۱.۵ 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 ۵۰ درصد، گنجاندن یک دیود در مدار زمان‌بندی RC است که در زیر نشان داده شده است.

دیوتی سایکل ۵۰٪

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.

۵. چرخه کاری ۵۰٪

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.

۶. چرخه کاری بهبود یافته

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 ۵۵۵ 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 ۵۵۵ کاملا مستقل

۷. نوسانگر ۵۵۵ کاملا مستقل

مدار زمان­‌بندی سمت چپ استفاده از دو پتانسیومتر را در طراحی نوسانگر نشان می­‌دهد. با استفاده از دو پتانسیومتر VR۱ و VR۲، 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 VR۱ شده و چرخه کاری شکل موج خروجی برابر با ۵۰٪ 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 ۵۵۵

۸. تغییر سیکل کاری ۵۵۵

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

۹. 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.