اسیلاتور ۵۵۵ چیست؟

آی­‌سی ۵۵۵ را می‌­توان برای ایجاد یک اسیلاتور آستابل آزادگرد برای تولید مداوم پالس‌­های موج مربعی استفاده کرد.

آی­‌سی تایمر ۵۵۵ را می‌­توان در حالت مونو استابل خود وصل کرده و در نتیجه یک تایمر دقیق با مدت زمان ثابت تولید کرد، یا در حالت بای استابل خود برای ایجاد یک عمل سوئیچینگ نوع فلیپ فلاپ، استفاده کرد. همچنین می‌­توانیم آی‌­سی تایمر ۵۵۵ را در حالت آستابل وصل کنیم تا یک مدار نوسان ساز 555 بسیار پایدار برای تولید شکل موج­‌های آزادگرد بسیار دقیق تولید شود. فرکانس خروجی این مدار را می­‌توان با استفاده از یک مدار مخزنی (تانک) RC متصل خارجی که فقط از دو مقاومت و یک خازن تشکیل شده است، تنظیم کرد.

اسیلاتور ۵۵۵ نوع دیگری از نوسان­‌ساز وقفه‌­ای (ریلاکسیون) برای تولید شکل موج‌­های خروجی موج مربعی پایدار با فرکانس ثابت تا ۵۰۰ کیلوهرتز و با چرخه‌­های کاری متغیر از ۵۰ تا ۱۰۰ درصد است. در مقاله قبلی  تایمر ۵۵۵ دیدیم که مدار مونو استابل هنگامی که ورودی تحریک پین ۲ فعال می­‌شود، یک پالس تکی را در خروجی تولید می­‌کند.

در حالی که مدار مونو استابل ۵۵۵ پس از یک زمان انتظار از پیش تعیین شده جهت تحریک بعدی، متوقف می‌­شود، برای اینکه نوسان‌گر ۵۵۵ به عنوان یک مولتی ویبراتور آستابل عمل کند لازم است که به طور مداوم آی­سی  ۵۵۵ را پس از هر چرخه زمان‌­بندی مجدداً راه‌­اندازی کرد.

این راه‌اندازی مجدد اساساً با اتصال ورودی تحریک (پین 2) و ورودی آستانه (پین 6) به هم بدست می‌آید، در نتیجه به دستگاه اجازه می‌دهد تا به عنوان یک نوسان‌گر آستابل عمل کند. بنابراین، نوسان‌گر 555 هیچ حالت پایداری ندارد زیرا به طور مداوم از یک حالت به حالت دیگر سوییچ می­‌کند. همچنین تک مقاومت زمان‌­بندی مدار مولتی ویبراتور مونو استابل قبلی به دو مقاومت جداگانه R1 و R2 تقسیم شده است که به ورودی تخلیه (پین 7)، مطابق شکل زیر، متصل شده‌­اند.

{ درباره قطعات پایه الکترونیک مانند مقاومت، خازن، سلف و… بیشتر بدانید }

مدار اسیلاتور ۵۵۵ آستابل

۱. مدار اسیلاتور ۵۵۵ استابل

در مدار اسیلاتور 555 بالا، پین 2 و پین 6 به هم متصل شده‌­اند و به مدار اجازه می­‌دهد تا در هر چرخه دوباره خود را راه‌­اندازی کرده تا به عنوان یک اسیلاتور یا نوسانگر آزادگرد کار کند. در طول هر چرخه، خازن C از طریق هر دو مقاومت زمان­‌بندی R1 و R2 شارژ می­‌شود، اما فقط از طریق مقاومت R2 تخلیه می‌­شود زیرا سمت دیگر R2 به ترمینال تخلیه، پایه 7، متصل است.

سپس خازن تا 2/3Vcc (حد بالایی مقایسه‌­کننده) که با ترکیب 0.693(R1+R2)C تعیین می­‌شود، شارژ شده و خود را تا 1/3Vcc (حد پایینی مقایسه­‌کننده) که توسط ترکیب  0.693(R2×C) تعیین می­‌شود، تخلیه می­‌کند. این منجر به یک شکل موج خروجی می‌­شود که سطح ولتاژ آن تقریباً برابر Vcc – 1.5(V) است و دوره‌­های زمانی “روشن” و “خاموش” خروجی آن توسط ترکیب خازن و مقاومت تعیین می‌­شود. بنابراین، زمان‌های مورد نیاز برای تکمیل یک چرخه شارژ و تخلیه خروجی به صورت زیر محاسبه می‌شود:

زمان شارژ و دشارژ اسیلاتور ۵۵۵ آستابل

که در آن، R به Ω و C به فاراد است.

هنگامی که به عنوان یک مولتی ویبراتور ناپایدار یا آستابل استفاده می‌­شود، خروجی نوسانگر 555 تا زمانی که منبع تغذیه قطع شود به طور نامحدود بین 2/3Vcc و 1/3Vcc شارژ و تخلیه می­‌شود. مشابه مولتی ویبراتور مونو استابل، این زمان­‌های شارژ و تخلیه (دشارژ) و بنابراین فرکانس، مستقل از ولتاژ تغذیه هستند.

بنابراین، مدت زمان یک چرخه زمان­‌بندی کامل برابر است با مجموع دو بار که خازن شارژ و تخلیه شده و به صورت زیر محاسبه می­‌شود:

چرخه زمانی اسیلاتور ۵۵۵

فرکانس خروجی نوسانات را می‌­توان با معکوس کردن معادله بالا برای کل زمان چرخه پیدا کرد و یک معادله نهایی برای فرکانس خروجی یک اسیلاتور ۵۵۵ ناپایدار به صورت زیر بدست آورد:

معادله فرکانس اسیلاتور ۵۵۵

با تغییر ثابت زمانی تنها یکی از ترکیبات RC، چرخه کاری شکل موج خروجی که بیشتر به عنوان نسبت “علامت به فاصله” شناخته می­‌شود را می توان به دقت تنظیم کرد و به عنوان نسبت مقاومت R2 به مقاومت R1 در نظر گرفت. چرخه کاری برای نوسانگر 555، که نسبت زمان “روشن” تقسیم بر زمان “خاموش” است، برابر است با:

چرخه کاری اسیلاتور ۵۵۵‌

چرخه وظیفه هیچ واحدی ندارد زیرا یک نسبت است اما می‌­تواند به صورت درصد (٪) بیان شود. اگر هر دو مقاومت زمان­‌بندی R1 و R2 از نظر مقدار برابر باشند، چرخه کاری خروجی 2:1 خواهد بود، یعنی 66% زمان دوره روشن و 33% زمان خاموش خواهد بود.

اسیلاتور ۵۵۵ - شماره ۱

یک نوسان‌گر  555 ناپایدار با استفاده از اجزای زیر ساخته شده است، R1 = 1kΩ، R2 = 2kΩ و خازن C = 10uF. فرکانس خروجی نوسانگر 555 و چرخه کاری شکل موج خروجی را محاسبه کنید.

t1 – زمان “روشن” شارژ خازن به صورت زیر محاسبه می‌­شود:

t2 – زمان “خاموش” تخلیه خازن به صورت زیر است:

بنابراین کل زمان دوره (T) به صورت زیر محاسبه می­‌شود:

بنابراین فرکانس خروجی ƒ به صورت زیر است:

در نتیجه مقدار چرخه وظیفه:

به دلیل اینکه که خازن زمان‌بندی C از طریق مقاومت‌های R1 و R2 شارژ شده اما فقط از طریق مقاومت R2 تخلیه می‌شود، چرخه کاری خروجی را می‌توان بین 50 تا 100 درصد با تغییر مقدار مقاومت R2 تغییر داد. با کاهش مقدار R2، چرخه کاری به 100٪ افزایش می­‌یابد و با افزایش R2، چرخه کاری به 50٪ کاهش می­‌یابد. اگر مقاومت R2 نسبت به مقاومت R1 بسیار بزرگ باشد، فرکانس خروجی مدار ناپایدار 555 تنها با R2 × C تعیین می­‌شود.

مشکل این پیکربندی پایه اسیلاتور 555 ناپایدار این است که چرخه کاری، نسبت “علامت به فاصله”، هرگز زیر 50% نمی‌­رود زیرا وجود مقاومت R2 از این امر جلوگیری می­‌کند. به عبارت دیگر، ما نمی‌توانیم زمان «روشن»  خروجی‌ را کوتاه‌تر از زمان «خاموش» آن کنیم، زیرا (R1 + R2)C همیشه بزرگ‌تر از مقدار R1 × C است. یکی از راه‌های غلبه بر این مشکل، اتصال یک دیود بای پس (bypassing diode) سیگنال به صورت موازی با مقاومت R2 مطابق شکل زیر است.

چرخه کاری اسیلاتور ۵۵۵ بهبود یافته

۲. چرخه کاری نوسانگر ۵۵۵ بهبود یافته

با اتصال دیود D1 بین ورودی تحریک و ورودی تخلیه، خازن زمان‌بندی مستقیماً فقط از طریق مقاومت R1 شارژ می‌شود، زیرا مقاومت R2 به طور مؤثر توسط دیود اتصال کوتاه شده است. خازن به طور معمول از طریق مقاومت R2 تخلیه می­‌شود.

در صورت نیاز برای اطمینان از اینکه خازن زمان­‌بندی فقط از طریق D1 شارژ می­‌شود و نه از طریق مسیر موازی R2، می­‌توان دیود اضافی D2 را به صورت سری به مقاومت تخلیه R2 متصل کرد. دلیل آن این است که در طول فرآیند شارژ، دیود D2 در بایاس معکوس متصل شده و جریان را از خود عبور نمی­‌دهد.

زمان شارژ قبلی t1 = 0.693 (R1 + R2)C برای این مدار شارژ جدید اصلاح شده و برابر 0.693(R1 × C) می­‌باشد. همچنین چرخه کاری به صورت D = R1/(R1 + R2) محاسبه می‌­شود. بنابراین، برای تولید یک چرخه کاری کمتر از 50 درصد، مقاومت R1 باید کمتر از مقاومت R2 باشد.

اگرچه مدار قبلی با شارژ کردن خازن زمان­‌بندی C1 از طریق ترکیب R1 + D1 و سپس تخلیه آن از طریق ترکیب D2 + R2، چرخه وظیفه شکل موج خروجی را بهبود می­‌بخشید، اما مشکل این آرایش این است که مدار اسیلاتور 555 از اجزاء اضافی، یعنی دو دیود، استفاده می‌­کند.

می‌توانیم این ایده را بهبود بخشیده و با تغییر موقعیت مقاومت شارژ R2 به خروجی (پین 3)، به راحتی و بدون نیاز به دیود اضافی شکل موج خروجی مربعی ثابت با چرخه کاری دقیق 50 درصد تولید کنیم که در زیر نشان داده شده است.

اسیلاتور آستابل با چرخه کاری ۵۰٪

۳. نوسان ساز آستابل با چرخه کاری ۵۰٪

نوسانگر 555 اکنون یک چرخه کاری 50% را تولید می‌­کند زیرا خازن C1 به جای تخلیه از طریق پین 7 (تخلیه)، از طریق مقاومت R2 شارژ و تخلیه می‌­شود. هنگامی که خروجی نوسانگر 555 زیاد باشد، خازن از طریق R2 شارژ شده و هنگامی که خروجی کم است، از طریق R2 تخلیه می­‌شود. از مقاومت R1 برای اطمینان از شارژ کامل خازن به اندازه ولتاژ تغذیه استفاده می­‌شود.

با این حال، از آنجایی که خازن از طریق یک مقاومت شارژ و تخلیه می‌­شود، معادله بالا برای فرکانس خروجی نوسانات باید کمی اصلاح شود تا این تغییر مدار را منعکس کند. معادله جدید برای نوسانگر ۵۵۵ ناپایدار ۵۰% به صورت زیر ارائه می‌­شود:

معادله فرکانس چرخه کاری ۵۰٪

توجه داشته باشید که مقاومت R1 باید به اندازه کافی زیاد باشد تا اطمینان حاصل شود که با شارژ خازن تداخلی ایجاد نمی­‌کند تا چرخه کاری 50٪ مورد نیاز را تولید کند. همچنین تغییر مقدار خازن زمان­‌بندی C1، فرکانس نوسان مدار ناپایدار را تغییر می‌­دهد.

کاربردهای اسیلاتور ۵۵۵

قبلاً گفتیم که حداکثر خروجی برای جذب یا تامین جریان بار از طریق پین 3 حدود 200 میلی آمپر است و این مقدار برای راه­‌اندازی سایر آی­‌سی­‌های منطقی، تعدادی LED یا یک لامپ کوچک کافی بوده و باید از یک ترانزیستور دوقطبی یا ماسفت برای تقویت خروجی 555 برای هدایت بارهای جریان بزرگتر مانند موتور یا رله­‌ها استفاده کرد.

نوسان­ساز ۵۵۵ همچنین می­تواند در طیف وسیعی از مدارها و برنامه‌­های مولد شکل موج که به جریان خروجی بسیار کمی نیاز دارند، مانند استفاده در تجهیزات تست الکترونیکی جهت تولید طیف وسیعی از فرکانس­‌های تست خروجی مختلف، استفاده شود.

555 همچنین می‌تواند برای تولید شکل‌های سینوسی، مربعی و پالسی بسیار دقیق یا به‌عنوان فلاشرهای LED یا لامپ و دیمرها تا مدارهای ساده تولید نویز مانند مترونوم‌ها (Metronome)، مولدهای صدا و افکت‌های صوتی و حتی اسباب‌بازی‌های موزیکال برای کریسمس استفاده شود.

می‌توانیم به راحتی یک مدار نوسانگر ساده 555 بسازیم تا تعدادی LED “روشن” و “خاموش” مشابه آنچه نشان داده شده است، فلاش بزنند، یا صدایی با فرکانس بالا از یک بلندگو تولید کنیم. اما یک پروژه علمی بسیار جذاب و ساده برای ساخت با استفاده از یک نوسانگر 555 ناپایدار، مترونوم الکترونیکی است.

۴. کاربردهای نوسان‌ساز ۵۵۵

مترونوم‌­ها دستگاه‌­هایی هستند که برای علامت­‌گذاری زمان در قطعات موسیقی با تولید ضرب آهنگ یا کلیک منظم و تکراری استفاده می­‌شوند. یک مترونوم الکترونیکی ساده را می‌­توان با استفاده از یک اسیلاتور ۵۵۵ به عنوان دستگاه زمان­‌بندی اصلی ساخت و با تنظیم فرکانس خروجی نوسانگر می­‌توان سرعت یا “ضربان در دقیقه” را تنظیم کرد.

به عنوان مثال، سرعت ۶۰ ضربه در دقیقه به معنی یک ضربه در هر ثانیه و از نظر الکترونیکی برابر با ۱ هرتز است. بنابراین، با استفاده از تعاریف بسیار رایج موسیقی می‌توانیم به راحتی جدولی از فرکانس‌های مختلف مورد نیاز برای مدار مترونوم خود را مطابق شکل زیر بسازیم.

جدول فرکانس مترونوم

فرکانس

دوره زمانی (T)

ضربه در دقیقه

نرخ

تعریف موسیقیایی

محدوده فرکانس خروجی مترونوم به سادگی به صورت معکوس 1 دقیقه یا 60 ثانیه تقسیم بر تعداد ضربان در دقیقه مورد نیاز محاسبه می‌­شود. برای مثال، (1/(60 secs / 90 bpm) = 1.5Hz) و 120bpm معادل 2 هرتز است. بنابراین، با استفاده از معادله آشنای بالا برای محاسبه فرکانس خروجی یک مدار نوسانگر 555 ناپایدار، مقادیر جداگانه R1، R2 و C را می‌­توان یافت.

دوره زمانی شکل موج خروجی برای یک اسیلاتور ۵۵۵ آستابل به صورت زیر است:

برای مدار مترونوم الکترونیکی ما، مقدار مقاومت زمان­‌بندی R1 را می­‌توان با مرتب کردن مجدد معادله بالا پیدا کرد:

با فرض مقادیر برای مقاومت R2 = 1kΩ و خازن C = 10uF، مقدار مقاومت زمان­‌بندی R1 برای محدوده فرکانس ما به صورت 142.3 کیلو اهم برای 60 ضربه در دقیقه تا 46.1 کیلو اهم برای 180 ضربه در دقیقه محاسبه می‌­شود، بنابراین یک مقاومت متغیر (پتانسیومتر) 150kΩ برای مدار مترونوم جهت تولید طیف وسیعی از ضربات مورد نیاز، کافی خواهد بود. مدار نهایی برای مثال مترونوم الکترونیکی به صورت زیر ارائه می­‌شود:

مترونوم الکترونیکی ۵۵۵

۵. مترونوم الکترونیکی ۵۵۵

این مدار مترونوم ساده، تنها یک استفاده از نوسانگر ۵۵۵ برای تولید یک صدا یا نت قابل شنیدن را نشان می­‌دهد. این دستگاه از یک پتانسیومتر ۱۵۰ کیلو اهم برای کنترل طیف کامل پالس‌ها یا ضربان‌های خروجی استفاده می‌کند، و از آنجایی که مقدار آن ۱۵۰ کیلو اهم است، می‌توان آن را به راحتی کالیبره کرد تا مقدار درصدی معادل مربوط به موقعیت پتانسیومتر را به دست آورد. برای مثال، ۶۰ ضربه در دقیقه معادل ۱۴۲.۳ کیلو اهم یا ۹۵ درصد چرخش است.

به همین ترتیب، 120 ضربه در دقیقه برابر با 70.1 kΩ یا 47% چرخش می‌­باشد. مقاومت­‌ها یا تریمرهای (trimmer) اضافی را می‌‌توان به صورت سری با پتانسیومتر وصل کرد تا حد بالایی و پایینی خروجی را روی مقادیر از پیش تعریف شده تنظیم کند، اما این اجزای اضافی باید هنگام محاسبه فرکانس خروجی یا دوره زمانی در نظر گرفته شوند.

در حالی که مدار فوق یک مثال بسیار ساده و سرگرم کننده از تولید صدا است، می­‌توان از اسیلاتور ۵۵۵ به عنوان یک تولید­کننده/ترکیب­‌کننده نویز یا برای ساخت صداها، آهنگ­‌ها و آلارم‌­های موسیقی با ساخت یک مولد شکل موج فرکانس متغیر، نسبت علامت/فاصله متغیر، استفاده کرد.

در این آموزش ما فقط از یک مدار اسیلاتور 555 برای تولید صدا استفاده کرده‌­ایم اما با اتصال دو یا چند تراشه اسیلاتور 555 می­‌توان مدارهای مختلفی برای تولید طیف وسیعی از جلوه­‌های موسیقی و صوتی ساخت. یکی از این مدارهای جدید، آژیر “Dee-Dah” ماشین پلیس است که در مثال زیر ارائه شده است.

آژیر پلیس با اسیلاتور ۵۵۵

6. آژیر "Dee-Dah" پلیس با استفاده از نوسان‌ساز 555

این مدار یک سیگنال زنگ هشدار را شبیه­‌سازی کرده که صدای آژیر پلیس را تولید می­‌کند. IC1 به عنوان یک مولتی ویبراتور غیر­متقارن 2 هرتز متصل می‌­شود که برای تعدیل فرکانس IC2 از طریق مقاومت 10kΩ استفاده می­‌شود. خروجی IC2 به طور متقارن بین 300 هرتز و 660 هرتز تغییر کرده و هر چرخه تناوب 0.5 ثانیه طول می­‌کشد.