استفاده از اسیلاتور 555 RC برای تولید مدارهای ضرب کننده ولتاژ

در ادامه مقاله قبل؛  این مقاله در مورد تایمر ۵۵۵ به برخی کاربردها و مدارهایی که می­‌توانیم در هنگام استفاده از ۵۵۵ به عنوان یک مولتی ویبراتور  آستابل بسازیم، می­‌پردازد.

از مقاله قبلی در مورد تایمر 555 به یاد داریم که برای اینکه به عنوان یک اسیلاتور موج مربعی نوسان کند، باید به طور مداوم آن را با دوره زمان­‌بندی T و در نتیجه فرکانس خروجی ƒ تنظیم شده توسط خازن زمان­‌بندی C و مقاومت‌­های فیدبک RA و RB، دوباره فعال کنیم. چرخه کاری D و همچنین فرکانس توسط نسبت این مقاومت‌­های زمان­‌بندی کنترل می­‌شود.

با در نظر گرفتن این موضوع، می‌توانیم مولتی ویبراتور اولیه ۵۵۵ را طوری طراحی کنیم که فرکانس خروجی در حدود ۱۵۰۰ هرتز را با استفاده از مقادیر قطعات مورد نظر، همانطور که نشان داده شده است، فراهم کند.

مدار مولتی ویبراتور ۵۵۵ اولیه

۱. مدار مولتی ویبراتور ۵۵۵ اولیه

با استفاده از مقادیر قطعات داده شده، مقادیری از: t1 = 375uS، t2 = 325uS، T = 700uS، ƒ = 1430Hz یا 1.43kHz و یک سیکل کاری D حدود 0.535 یا 53.5٪ بدست می‌­آید.

همچنین توجه داشته باشید که از آنجایی که چرخه کاری 53.5 درصد است، هنگامی که نوسان­‌ساز 555 به ولتاژ تغذیه 9 ولت متصل می­‌شود، میانگین ولتاژ معادل DC خروجی موجود در خروجی (پایه 3) برابر 9×0.535 یا تقریباً برابر با 4.8 ولت خواهد بود. و هنگامی که به ولتاژ تغذیه 15 ولت متصل ‌­شود، ولتاژ خروجی DC معادل 5×0.535 خواهد بود که حدود 8 ولت است. این سطح ولتاژ نشان دهنده ولتاژ ورودی DC  (VIN) به مدار ضرب­‌کننده ولتاژ است.

ضرب‌کننده ولتاژ ۵۵۵

ترانسفورماتورها دستگاه‌­های بسیار کارآمدی برای تبدیل ولتاژ ورودی AC اولیه به ولتاژ خروجی ثانویه هستند که ولتاژ ثانویه را نسبت به ولتاژ اولیه زیاد یا کم می‌­کنند. اما اگر بخواهیم یک ولتاژ DC ثابت را از یک مقدار به مقدار دیگر تبدیل کنیم، نمی‌­توانیم از ترانسفورماتور برای این کار استفاده کنیم.

تایمر 555 را می‌­توان برای تبدیل ولتاژ DC به ولتاژ DC بسیار بالاتر و حتی معکوس کردن علامت ولتاژ DC تنها با افزودن چند قطعه اضافی به پین خروجی آن استفاده کرد. بسیاری از کاربردهای الکترونیکی به منابع ولتاژ کم متفاوت برای تغذیه بخش‌های مختلف مدار نیاز دارند و نوسان‌گر 555 ساده بالا به‌عنوان یک ضرب‌کننده بدون ترانسفورماتور ولتاژ DC به DC، پیکربندی شده است تا برای برآورده کردن نیاز بسیاری از کاربردهای کم مصرف استفاده شود.

مدار دو برابر‌کننده ولتاژ ۵۵۵

ابتدایی­‌ترین و ساده­‌ترین ضرب­‌کننده ولتاژ DC به DC که به راحتی ساخته می­‌شود، دو برابر­کننده ولتاژ است. 555 به عنوان یک مولتی ویبراتور ناپایدار پیکربندی شده است تا شرایط ورودی برای مدار “پمپ شارژ” (charge pump) ایجاد شده با استفاده از دیود و شبکه خازن را تامین کند.

مدار دو برابر‌کننده ولتاژ ۵۵۵

۲. مدار دو برابر‌کننده ولتاژ ۵۵۵

این مدار دو برابرکننده ولتاژ 555 ساده شامل یک نوسان­‌ساز 555 و یک شبکه دو برابر­کننده ولتاژ خازن-دیود تشکیل شده توسط C3، D1، D2 و C4 است. این مدار دو برابرکننده ولتاژ، ولتاژ تغذیه را چند برابر کرده و خروجی‌­ای تولید می­‌کند که تقریباً دو برابر مقدار ولتاژ ورودی منهای افت ولتاژ دیود است.

هنگامی که خروجی در پایه ۳ در حالت کم است، خازن 50 میکروفاراد (C۳) تا ولتاژ تغذیه از طریق دیود  D1 با دیود D2 خاموش، شارژ می‌‌­شود. هنگامی که خروجی 555 زیاد می‌­شود، ولتاژ در C3 از طریق دیود D2 تخلیه می شود، زیرا D1 بایاس معکوس است و این ولتاژ به ولتاژ منبع اضافه می‌­شود زیرا VCC و C3 اکنون مانند دو منبع ولتاژ سری هستند.

چرخه زمان‌­بندی 555 مجدداً از زیاد به کم تغییر حالت داده و یک بار دیگر تکرار می­‌شود، بنابراین یک ولتاژ بار DC تولید می­‌شود که دو برابر ولتاژ ورودی اصلی است (دو برابرکننده ولتاژ). بنابراین مدار دو برابرکننده ولتاژ 555 می­‌تواند ولتاژ خروجی از حدود 10 تا 30 ولت در جریان بسیار کم تولید کند.

نکته دیگری که باید به آن توجه داشت این است که فرکانس نوسان مولتی ویبراتور 555 آستابل که برای تولید سیگنال ورودی موج مربعی استفاده می‌شود، مقدار خازن‌های مورد استفاده را تعیین می‌کند، زیرا آن­ها به همراه مقدار بار متصل­‌شده، یک مدار شارژ/تخلیه RC برای فیلتر ولتاژ خروجی تولید می‌کنند. مقدار خازن خیلی کم یا فرکانس نوسان خیلی کم باعث ایجاد اعوجاج در شکل موج ولتاژ خروجی و در نتیجه ولتاژ خروجی متوسط DC کمتری می‌­شود.

با اتصال بدون بار، ولتاژ خروجی دو برابر ولتاژ اولیه تغذیه 555 خواهد بود. ولتاژ خروجی واقعی به مقدار بار متصل RL و جریان بار IL بستگی دارد. همانطور که گفته شد، مدار دو برابرکننده ولتاژ 555 بالا می­‌تواند حدود 30 میلی آمپر را در ولتاژ نامی تامین کند.

انواع زیادی از مدار دو برابرکننده ولتاژ بالا وجود دارد، اما همه آن­ها از دو جفت دیود/خازن برای فراهم کردن ضریب ۲ استفاده می‌­کنند. با افزودن شبکه‌های دیود/خازن بیشتر به دو برابرکننده ولتاژ، می‌توانیم مدارهایی ایجاد کنیم که نسبت‌های ضرب ولتاژ را به همان اندازه که می‌خواهیم ایجاد می‌­کنند.

به عنوان مثال، با افزودن نیمی از ترکیب دیود/خازن به مدار دو برابرکننده ولتاژ ۵۵۵، یک مدار سه برابرکننده ولتاژ با ضریب ۳ ایجاد می­‌شود و با افزودن یک بخش دیود/خازن کامل دوم به مدار دو برابرکننده ولتاژ ۵۵۵، یک چهار برابرکننده ولتاژ با ضریب ۴ تولید می­‌شود که در زیر نشان داده شده است.

مدار سه برابرکننده ولتاژ ۵۵۵

۳. مدار سه برابرکننده ولتاژ ۵۵۵

چهار برابرکننده ولتاژ با استفاده از تایمر 555 با اتصال آبشاری (cascading) دو شبکه دو برابرکننده ولتاژ در صورت نادیده گرفتن تلفات و افت ولتاژ دیود، ولتاژ خروجی تقریباً 4VIN را تولید می­‌کند.

مدار چهار برابرکننده ولتاژ ۵۵۵

۴. مدار چهار برابرکننده ولتاژ ۵۵۵

علاوه بر تولید ضرب‌کننده‌های ولتاژ با ولتاژهای خروجی مثبت مختلف، می‌توانیم آن‌ها را برای تولید ولتاژ خروجی منفی به سادگی با معکوس کردن جهت‌ها و قطبیت‌های دیودها و خازن‌های مورد استفاده، مطابق شکل زیر، پیکربندی کنیم.

دو برابرکننده ولتاژ منفی ۵۵۵

۵. دو برابرکننده ولتاژ منفی ۵۵۵

دیدیم که ضرب­‌کننده ولتاژ مبتنی بر تایمر 555 می­‌تواند برای دو برابر کردن، سه برابر کردن یا حتی چهار برابر کردن یک ولتاژ منبع تغذیه برای تولید ولتاژهای مختلف مثبت و منفی استفاده شود. در تئوری هیچ محدودیتی برای مقدار ضریب ولتاژ که با اتصال چندین بخش دیود/خازن با هم تولید می­‌شود، وجود ندارد تا ولتاژهای به تدریج بالاتر مانند ولتاژهایی که در یونیزرهای هوا (air ionizer) یا حشره­‌کش‌­های برقی (bug zapper) استفاده می‌شوند، تولید شود. با این حال، هنگام برخورد با چنین ولتاژهای خروجی بالا باید مراقب شوک الکتریکی بود.

مدار مبدل DC به AC با 555

می‌توانیم ایده ضرب‌­کننده ولتاژ 555 را با استفاده از مدار تایمر پایه 555 برای تولید یک اینورتر DC به AC، گسترش دهیم. با 555 پیکربندی شده برای عمل به عنوان یک نوسانگر موج مربعی و چند قطعه اضافی، می­‌توانیم یک خروجی موج سینوسی در سطح ولتاژ مورد نظر 120 ولت یا 240 ولت همانطور که نشان داده شده است، تولید کنیم.

معکوس‌کننده (Inverter) DC به AC

6. معکوس‌کننده (Inverter) DC به AC 555

مدار اینورتر DC به AC چگونه کار می­‌کند؟ تایمر 555 طوری پیکربندی شده است که به عنوان یک مولتی ویبراتور آستابل نوسان داشته باشد که خروجی موج مربعی را مانند قبل تولید کند. اما این بار می‌خواهیم فرکانس خروجی همان فرکانس شبکه AC باشد، یعنی 50 هرتز یا 60 هرتز که با استفاده از یک پتانسیومتر 47 کیلو اهم بدست می‌آید.

مقاومت زمان‌­بندی RB از یک مقاومت با مقدار ثابت 100 کیلو اهم به صورت سری با پتانسیومتر 47 کیلو اهم تشکیل شده است. هنگامی که پتانسیومتر طوری تنظیم می‌­شود که درجه آن در موقعیت صفر قرار گیرد، RB = 100kΩ (0 + 100kΩ) و هنگامی که در جهت مخالف موقعیت حداکثر خود تنظیم می‌­شود، RB = 147kΩ (47kΩ + 100kΩ) می­‌باشد.

بنابراین با استفاده از فرمول های قبلی، فرکانس خروجی 555 را می­‌توان با استفاده از پتانسیومتر از حدود 46 هرتز تا 65 هرتز تنظیم کرد و فرکانس های خروجی 50 هرتز یا 60 هرتز مورد نیاز را همانطور که از منبع تغذیه AC انتظار داریم، مشاهده کنیم.

فرکانس خروجی موج مربعی از پین 3 تایمر 555 از طریق یک مقاومت محدود کننده جریان R1 به بیس‌­های دو ترانزیستور مکمل می‌­رسد. هنگامی که خروجی زیاد است (تامین جریان)، ترانزیستور NPN هدایت کرده و ترانزیستور PNP خاموش است، و زمانی که خروجی کم است (جذب جریان)، ترانزیستور PNP هدایت کرده و ترانزیستور NPN خاموش است. بنابراین، همانطور که سیگنال خروجی موج مربعی بین زیاد و کم نوسان می‌­کند، ترانزیستور دیگر را سوئیچ می­‌کند زیرا آن­ها جفت‌­های مکمل هستند.

ترانزیستورهای TR۱ و TR۲ می­‌توانند هر ترانزیستور NPN و PNP مکمل معقولی مانند TIP41، 2N2222 و TIP42، 2N2907، یا یک جفت دارلینگتون منطبق مانند NPN TIP140، TIP3055 و PNP TIP145،TIP2955 ، باشند. انتخاب ترانزیستورهای خروجی به ولتاژ و جریان مجاز سیم پیچ اولیه ترانسفورماتور بستگی دارد، اما در حالت ایده­آل باید دارای VA پایینی باشند.

حالت خروجی مکمل TR1 و TR2 برای تحریک سیم پیچ اولیه ترانسفورماتور کوچکی که نسبت پیچ‌­های اولیه به ثانویه آن ولتاژ خروجی مورد نظر را تولید می‌­کند، استفاده می‌­شود. با این حال، اگر بخواهیم ترانسفورماتورها را مستقیماً از قسمت ترانزیستوری تغذیه کنیم، شکل موج خروجی از سیم­‌پیچ ثانویه ترانسفورماتور مانند موج مربعی خواهد بود. بنابراین، به دلیل اینکه در حال ساخت یک اینورتر DC به AC هستیم، به روشی برای تبدیل خروجی موج مربعی تایمر 555 در پین 3 به شکل موج سینوسی از سیم پیچ ثانویه ترانسفورماتور نیاز داریم.

مدار فیلتر RLC متصل بین قسمت ترانزیستوری و سیم پیچ اولیه به عنوان یک مدار تشدید RLC که با فرکانس خروجی مورد نیاز تنظیم شده است، عمل می­‌کند. با این حال، از آنجایی که می‌توانیم فرکانس خروجی را با استفاده از پتانسیومتر از 46 هرتز تا 65 هرتز تنظیم کنیم، فرکانس تشدید مدارهای تشدید RLC برای فرکانس‌های 50 هرتز یا 60 هرتز دقیق نخواهد بود، اما می‌توانیم مقادیر را برای مقداری بین این دو محاسبه کنیم.

با استفاده از مقادیر استاندارد قطعات، شبکه فیلتر مقاومت R2، سلف L1 و خازن C3، یک مدار تشدید RLC تنظیم شده روی حدود 52 هرتز تولید می­کنند. سیم‌­پیچ اولیه ترانسفورماتور به خازن متصل شده و یک شکل موج سینوسی منطقی در سیم‌­پیچ ثانویه در ولتاژ مورد نیاز تعیین شده توسط نسبت چرخش ترانسفورماتورها، ایجاد می­‌کند.

بنابراین، می‌توانیم از تایمر 555 برای تولید یک اینورتر DC به AC بسیار ابتدایی با ولتاژ و فرکانس خروجی AC مورد نیاز، برای مثال 120 ولت در 60 هرتز، یا 240 ولت در 50 هرتز، از یک منبع تغذیه 12 ولتی DC با درجه وات خروجی وابسته به قسمت ترانزیستوری خروجی و ترانسفورماتور استفاده شده، استفاده کنیم.