برق , مهندسی 92 بازدید

تایمر 555 یک آی‌سی بسیار متداول است که برای تولید گستره وسیعی از شکل موج‌های ولتاژ الکتریکی طراحی شده است. برای مثال با اتصال یک مدار RC خارجی به تایمر به راحتی می‌توان شکل‌ موج‌های پالس، پله‌ای و موج مربعی را تولید کرد. در این آموزش قصد داریم تا به معرفی این آی‌سی بپردازیم و اجزای مختلف و نحوه کار آن را بررسی کنیم.

نوسان‌سازهای CMOS و مولتی‌ویبراتورها (Multivibrator) می‌توانند به سادگی از عناصر گسسته ساخته شوند و برای ایجاد نوسان‌های آرام (Relaxation Oscillators) در تولید شکل موج خروجی موج مربعی ساده مورد استفاده قرار گیرند. اما آی‌سی‌های اختصاصی وجود دارند که مخصوص تولید شکل موج مورد نیاز به صورت دقیق هستند. چنین المانی که از اوایل عصر آی‌سی وجود داشت و عضوی از استانداردهای صنعتی شده است، نوسان‌ساز تایمر 555 (555 Timer Oscillator) است که به آن تایمر 555 نیز گفته می‌شود.

مقدمه

تایمر 555 نام خود را از این واقعیت گرفته است که دارای سه مقاومت $$5K\Omega$$ است که در داخل آی‌سی به هم متصل هستند. این مقاومت‌ها برای تولید دو ولتاژ مرجعِ مقایسه مورد استفاده قرار می‌گیرند. تایمر ۵۵۵ یک آی‌سی بسیار ارزان، محبوب و المان زمان‌بندی دقیق است که می‌تواند هم به عنوان یک تایمر ساده برای تولید پالس تکی و یا تاخیرهای زمانی طولانی مدت مورد استفاده قرار گیرد و هم به عنوان یک نوسان‌ساز آرام برای تولید شکل موج‌های پایدار با چرخه کاری (Duty Cycle) متغیر از ۵۰ تا ۱۰۰٪ عمل کند.

تراشه تایمر ۵۵۵ المانی بسیار پایدار و دارای ۸ پین است که می‌تواند به عنوان یک مولتی‌ویبراتور مونواستابل (Monostable)، بای‌استابل (Bistable) و یا آستابل (Astable) مورد استفاده قرار گیرد. این تراشه دارای کاربردهای بسیار گسترده در مداراتی است که به نوعی به کنترل زمان نیاز دارند. تایمرهای تاخیری، مولدهای پالس، LED، چراغ‌های چشمک‌زن، آلارم‌، کلاک‌های منطقی، مقسم فرکانس، منابع تغذیه و مبدل‌ها مثالی از این مدارات هستند.

تراشه تایمر 555 از ۲۵ ترانزیستور، ۲ دیود و ۱۶ مقاومت به فرم دو مقایسه‌گر، یک فلیپ فلاپ و یک طبقه خروجی جریان بالا تشکیل شده است. تایمر نوسان‌ساز NE556 نیز تراشه دیگری است که در آن دو تایمر 555 با یکدیگر ترکیب شده‌اند. نوع CMOS توان پایین تایمرهای ۵۵۵، مانند ۷۵۵۵ و LMC555 که از ترانزیستورهای MOSFET استفاده می‌کنند نیز در حال حاضر موجود هستند. در شکل زیر یک دیاگرام ساده از مدار داخلی تایمر 555 نشان داده شده است.

مدار داخلی تایمر ۵۵۵
مدار داخلی تایمر ۵۵۵

پایه‌های تراشه تایمر 555

در این قسمت به معرفی پین‌های تایمر ۵۵۵ می‌پردازیم تا درک اجمالی از نحوه کار این آی‌سی به دست آوریم.

  • Pin 1: پین شماره ۱، Ground نام دارد که تایمر ۵۵۵ را به منفی منبع تغذیه متصل می‌کند.
  • Pin ۲: پین شماره ۲، Trigger، ورودی منفی برای مقایسه‌گر شماره 1 است. یک پالس منفی روی این پین زمانی‌ که ولتاژ ورودی به 1٫۳ مقدار ولتاژ VCC افت کند، فلیپ فلاپ را SET می‌کند تا خروجی از حالت LOW به حالت HIGH تغییر وضعیت دهد.
  • Pin ۳: این پین Output نام دارد و می‌تواند هر مدار TTL را حمایت کند و نیز می‌تواند تا ۲۰۰mA جریان خروجی در ولتاژ VCC برابر با ۱٫۵ ولت را تامین کند.
  • Pin ۴: پین شماره ۴، Reset است. این پین برای تنظیم مجدد یا ریست (Reset) فلیپ فلاپ داخلی به منظور کنترل حالت خروجی (پین شماره ۳) مورد استفاده قرار می‌گیرد. این پین یک ورودی Active-low است و معمولا زمانی که مورد استفاده قرار نمی‌گیرد، برای جلوگیری از ریست ناخواسته خروجی، به ولتاژ سطح یک منطقی متصل می‌شود.
  • Pin ۵: این پین در شکل بالا با Control Voltage مشخص شده است. پین شماره ۵ زمان‌بندی (Timing) تایمر ۵۵۵ را از طریق حذف ۲٫۳ سطح ولتاژ VCC از شبکه مقسم ولتاژ و ایجاد یک سطح ولتاژ مقایسه جدید انجام می‌دهد. با اعمال ولتاژ به این پین، عرض سیگنال خروجی می‌تواند بسته به شبکه زمان‌بندی RC، تغییر کند. وقتی از این پین استفاده نشود، معمولا با یک خازن $$10nF$$ به زمین متصل می‌شود تا از ایجاد نویز جلوگیری شود.
  • Pin ۶: این پین Threshold نام دارد و ورودی مثبت برای مقایسه‌گر شماره ۲ است. این پین برای ریست کردن فلیپ فلاپ، زمانی که ولتاژ اعمالی به آن از ۲٫۳ مقدار ولتاژ VCC بیشتر شود، مورد استفاده قرار می‌گیرد و منجر به تغییر حالت خروجی از حالت HIGH به حالت LOW می‌شود. این پین مستقیما به مدار زمان‌بندی RC متصل می‌شود.
  • Pin ۷: این پین Discharge نام دارد. پین شماره ۷ مستقیما به کلکتور ترانزیستور NPN داخلی متصل می‌شود و برای تخلیه خازن زمان‌بندی از طریق زمین در زمان‌هایی است که خروجی پین ۳ به حالت LOW تغییر وضعیت دهد.
  • Pin ۸: پین شماره ۸، تغذیه مثبت یا Vcc است. این پین مربوط به منبع تغذیه است و برای تایمر TTL ۵۵۵ معمولی بین ۴٫۵ تا ۱۵ ولت است.

همان‌طور که قبلا اشاره کردیم، نام تایمر ۵۵۵ برگرفته از این واقعیت است که سه مقاومت $$5K\Omega$$ که به صورت داخلی به یکدیگر متصل هستند، در این تایمر وجود دارند. این مقاومت‌ها یک شبکه مقسم ولتاژ بین ولتاژ تغذیه (پین شماره ۸) و ولتاژ زمین (پین شماره ۱) می‌سازند. ولتاژ در طول این شبکه مقاومت‌های سری، ورودی منفی معکوس‌کننده مقایسه‌گر شماره ۲ را در ۲٫۳ ولتاژ VCC و ورودی مثبت غیرمعکوس‌کننده مقایسه‌گر شماره ۱ را در ۱٫۳ ولتاژ VCC نگه می‌دارد.

دو مقایسه‌گر، ولتاژ خروجی را تولید می‌کنند که بسته به اختلاف ولتاژ دو ورودی آن‌ها است و توسط عمل شارژ و تخلیه مدار RC خارجی متصل به آن تعیین می‌شوند. خروجی هر دو مقایسه‌گر به دو ورودی فلیپ فلاپ متصل می‌شود. فلیپ فلاپ یک خروجی سطح HIGH یا LOW در $$\overline{Q}$$ تولید می‌کند که به حالت ورودی‌های آن بستگی دارد. خروجی فلیپ فلاپ برای کنترل طبقه بافر خروجی جریان بالا مورد استفاده قرار می‌گیرد. این خروجی برای راه‌اندازی بار متصل و تولید خروجی HIGH یا LOW در پین خروجی کاربرد دارد.

متداول‌ترین کاربرد تایمر نوسان‌ساز 555 به عنوان نوسان‌ساز آستابل ساده از طریق اتصال دو مقاومت و یک خازن در طول ترمینال‌های آن است، تا یک قطار پالس ثابت تولید کند که دوره تناوب توسط ثابت زمانی مدار RC تعیین می‌شود. اما تایمر 555 می‌تواند به روش‌های مختلفی به عنوان مولتی‌ویبراتور مونواستابل یا بای‌استابل نیز مورد استفاده قرار گیرد.

مولتی ویبراتور مونواستابل با تایمر ۵۵۵

عملکرد و خروجی مولتی ویبراتور مونواستابل با تایمر ۵۵۵ دقیقا مشابه با نوع ترانزیستوی آن است. تفاوت بزرگ آن‌ها در این است که دو ترانزیستور با تایمر ۵۵۵ جایگزین شده‌اند. مدار مونواستابل تایمر ۵۵۵ زیر را در نظر بگیرید.

مونواستابل تایمر ۵۵۵
مونواستابل تایمر ۵۵۵

زمانی‌ که یک پالس منفی به ورودی تریگر تایمر ۵۵۵، یعنی پین شماره ۲ اعمال شود، مقایسه‌گر شماره ۱ این ورودی را تشخیص می‌دهد و حالت فلیپ فلاپ را SET کرده و خروجی را از وضعیت LOW به HIGH تغییر می‌دهد. این تغییر وضعیت به نوبه خود منجر به خاموش کردن ترانزیستور تخلیه متصل به پین شماره ۷ می‌شود. بنابراین اتصال کوتاه در خازن C1 از بین می‌رود.

این عمل به خازن زمان‌بندی C1 اجازه می‌دهد تا از طریق مقاومت R1 شارژ شود. عمل شارژ تا زمانی انجام می‌شود که ولتاژ خازن به مقدار ولتاژ Threshold (پین ۶) یعنی 2٫3VCC برسد که توسط مدار مقسم ولتاژ داخلی تنظیم می‌شود. در این نقطه خروجی مقایسه HIGH شده و فلیپ فلاپ به حالت قبلی ریست می‌شود. سپس ترانزیستور روشن می‌شود و خازن را از طریق پین ۷ به زمین تخلیه می‌کند. این عمل باعث می‌شود که وضعیت خروجی به مقدار طبیعی و پایدار LOW باز گردد و منتظر دریافت پالس تریگر دیگر برای شروع فرایند زمان‌بندی بماند.

مدار مونواستابل تایمر ۵۵۵ در پالس‌های منفی‌شونده اعمالی به پین ۲ تریگر می‌شود. پالس تریگر باید بسیار کوتاه‌تر از عرض پالس‌های خروجی باشد تا به خازن زمان‌بندی مهلت کافی برای شارژ و دشارژ کامل بدهد. زمانی که تریگر انجام شد، مونواستابل ۵۵۵ در این خروجی ناپایدار باقی خواهد ماند تا دوره زمانی (که توسط شبکه RC تعیین می‌شود)، سپری شود. مقدار زمانی که ولتاژ خروجی HIGH یا سطح ۱ منطقی باقی می‌ماند، توسط ثابت زمانی زیر تعیین می‌شود:

$$\tau=1.1R_{1}C_{1}$$

در فرمول بالا $$\tau$$ بر حسب ثانیه، $$\text{R}_{1}$$ بر حسب Ω و $$\text{C}_{1}$$ بر حسب فاراد است.

مثال

یک مونواستابل تایمر ۵۵۵ برای تولید تاخیر زمانی در یک مدار مورد نیاز است. اگر از یک خازن زمان‌بندی $$10\mu F$$ استفاده شده باشد، مقدار مقاومت مورد نیاز برای تولید کمینه تاخیر زمانی 500ms را محاسبه کنید.

500ms برابر با 0٫۵s است. با جایگذاری در فرمول بالا داریم:

$$R=\frac{t}{1.1c}=\frac{0.5}{1.1\times 10\mu F}=\frac{0.5}{1.1\times 10\times 10^{-6}}=45.5 K\Omega$$

بنابراین، مقدار مقاومت زمان‌بندی مورد نیاز به منظور تولید ثابت زمانی 500ms برابر با $$45.5 K\Omega$$ به دست می‌آید. اما این مقدار در مقاومت‌های استاندارد تولیدی وجود ندارد و به همین دلیل باید نزدیک‌ترین مقدار به آن یعنی $$47 K\Omega$$ را انتخاب کنیم که در تمام بازه تلرانس‌های استاندارد از E12 (۱۰٪) تا E96 (۱٪) موجود است. حال اگر مقدار جدید تاخیر زمانی را بر حسب مقاومت جدید محاسبه کنیم، 517MS به دست خواهد آمد.

اگر این مقدار 17ms اختلاف در تاخیر زمانی قابل قبول نباشد، به جای یک مقاومت زمان‌بندی از دو مقاومت مختلف که به صورت سری به یکدیگر متصل شده‌اند، استفاده می‌شود تا پهنای پالس دقیقا به مقدار مورد نظر برسد. راه دیگر انتخاب یک خازن زمان‌بندی دیگر با مقداری متفاوت است.

می‌دانیم که تاخیر زمانی یا پهنای پالس خروجی یک مونواستابل تایمر ۵۵۵ توسط ثابت زمانی مدار RC تعیین می‌شود. اگر تاخیر زمانی طولانی از مرتبه ۱۰ ثانیه مورد نیاز باشد، استفاده از خازن‌های زمان‌بندی با مقادیر بزرگ توصیه نمی‌شود، زیرا از لحاظ فیزیکی بزرگ هستند و نیز هزینه بالا و تلرانس بزرگ در حد $$\pm 20٪$$ دارند.

یک روش دیگر استفاده از خازن با مقادیر کوچک و مقاومت‌های با مقادیر بزرگ در مرتبه $$20\text{M} \Omega$$ برای تولید تاخیر زمانی مورد نیاز است. با استفاده از یک خازن زمان‌بندی کوچک و مقادیر مختلف مقاومت که از طریق کلید گردان چند-موقعیتی (Multi-position Rotary Switch) به یکدیگر متصل شده‌اند، می‌توان یک مونواستابل تایمر ۵۵۵ ایجاد کرد که در هر چرخش کلید، یک پهنای پالس مختلف تولید می‌کند. دیاگرامی از یک مونواستابل تایمر ۵۵۵ با قابلیت کلیدزنی در شکل زیر نشان داده شده است.

مونواستابل تایمر ۵۵۵ با قابلیت کلیدزنی
مونواستابل تایمر ۵۵۵ با قابلیت کلیدزنی

نموگراف یک مونواستابل

می‌توان مقادیر R و C را مانند مثال بالا به صورت دستی محاسبه کرد. اما انتخاب مقادیر مورد نیاز برای تاخیر زمانی هدف، مستلزم این امر است که تمام مقاومت‌های با مقادیر $$\text{M} \Omega$$، $$\text{K} \Omega$$ و نیز خازن‌های با مقادیر $$\mu F$$ و $$p F$$ را در نظر بگیریم که در نهایت مجبور به انتخاب از بین ده‌ها و حتی صدها مقدار مختلف خواهیم شد. راه حلی برای آسان کردن این انتخاب استفاده از نموداری به نام نموگراف (Nomograph) است. این نمودار به ما کمک می‌کند که فرکانس خروجی مورد انتظار از یک مولتی‌ویبراتور مونواستابل به ازای ترکیبات مختلف برای مقاومت و خازن را بیابیم. تصویر زیر نمایی از یک نموگراف را نشان می‌دهد.

نمودار نموگراف یک مونواستابل
نمودار نموگراف یک مونواستابل

بنابراین با انتخاب مقادیر مناسب برای خازن در بازه $$0.001\mu F$$ تا $$100\mu F$$ و مقاومت در بازه $$1 \text{K} \Omega$$ تا $$10 \text{M} \Omega$$ می‌توانیم مقدار فرکانس خروجی را مستقیما از نموگراف بخوانیم و از خطاهای احتمالی در محاسبات جلوگیری کنیم. در عمل مقدار مقاومت زمان‌بندی مونواستابل تایمر ۵۵۵ نباید از $$1 \text{K} \Omega$$ کمتر و یا از $$۲0 \text{M} \Omega$$ بزرگتر باشد.

مولتی ویبراتور بای‌استابل با تایمر ۵۵۵

مدارات بای‌استابل، مداراتی هستند که دو حالت پایدار دارند. این مدارات را نیز با کمک تایمر ۵۵۵ می‌توان ایجاد کرد که در این حالت به آن بای‌استابل 555 می‌گویند و شباهت زیادی با مدارات مولتی‌ویبراتور بای‌استابل نوع ترانزیستوری دارند. مدار بای‌استابل تایمر ۵۵۵ یکی از ساده‌ترین مداراتی است که با تراشه‌های ۵۵۵ می‌توان ساخت. این مدار از هیچ مدار زمان‌بندی RC برای تولید شکل موج خروجی کمک نمی‌گیرد. بنابراین احتیاجی به محاسبه دوره زمانی مدار نیست. شکل زیر دیاگرام یک مدار بای‌استابل را نشان می‌دهد.

بای‌استابل تایمر ۵۵۵
بای‌استابل تایمر ۵۵۵

کلیدزنی موج خروجی از طریق کنترل ورودی‌های ریست و تریگر تایمر 555 که توسط مقاومت‌های بالاکش (Pull-up) $$R_{1}$$ و $$R_{2}$$ در وضعیت HIGH نگه داشته شده‌اند، صورت می‌گیرد. برای LOW کردن ورودی تریگر پین ۲، باید به موقعیت SET تغییر حالت داد تا خروجی نیز به موقعیت HIGH تغییر حالت دهد. برای LOW کردن ورودی ریست پین ۴، باید به موقعیت ریست تغییر حالت داد تا حالت خروجی به LOW تغییر کند.

این مدار تایمر ۵۵۵ در هر دو حالت HIGH و LOW پایدار می‌ماند و به همین دلیل به آن مدار بای‌استابل می‌گویند. در این مدار ورودی Threshold پین ۶ به زمین متصل می‌شود تا اطمینان حاصل شود که مدار به صورت ناخواسته ریست نشود.

خروجی تایمر ۵۵۵

در این قسمت قصد داریم قابلیت کلیدزنی و درایو تایمر ۵۵۵ یا در واقع آی‌سی تایمر ۵۵۵ دوگان را بررسی کنیم. خروجی پین ۳ تایمر 555 استاندارد یا تایمر ۵۵۶، قابلیت عمل در دو حالت چاه جریان (Sink) و منبع جریان (Source) با جریان حداکثر 200mA را دارد که برای راه‌اندازی بلندگوهای کوچک، LED و موتورها کافی است و می‌توانند مستقیما به آن‌ها متصل شوند.

توانایی تایمر ۵۵۵ در حالت چاه یا منبع جریان به این معنی است که تجهیزات خروجی می‌توانند برای جذب جریان بار بین ترمینال خروجی تایمر ۵۵۵ و منبع تغذیه و یا برای تامین جریان بار بین ترمینال خروجی و زمین متصل شوند. تصویر زیر نمایی از مدهای چاه و منبع خروجی تایمر ۵۵۵ را نشان می‌دهد.

چاه جریان و منبع جریان در تایمر ۵۵۵
چاه جریان و منبع جریان در تایمر ۵۵۵

در مدار اول، یک LED بین منبع تغذیه VCC+ و پین خروجی ۳ متصل شده است. در نتیجه، جریان جذب شده و به ترمینال خروجی تایمر ۵۵۵ وارد می‌شود و زمانی که خروجی LOW باشد، LED روشن خواهد شد.

در مدار دوم، LED بین زمین (0v) و پین خروجی ۳ متصل شده است. در نتیجه، جریان از ترمینال خروجی تایمر ۵۵۵ خارج می‌شود و زمانی که خروجی HIGH باشد، LED روشن خواهد شد.

این ویژگی به این معنی است که می‌توان هر دو LED را هم‌زمان به ترمینال خروجی تایمر 555 متصل کرد، اما بسته به اینکه حالت خروجی HIGH یا LOW باشد، فقط یکی از آن‌ها روشن خواهند بود. تصویر زیر نمایی از این حالت را نشان می‌دهد.

اتصال دو LED به صورت هم‌زمان به خروجی تایمر ۵۵۵
اتصال دو LED به صورت هم‌زمان به خروجی تایمر ۵۵۵

در مدار بالا دو LED بسته به خروجی به صورت متناوب خاموش و روشن می‌شوند. مقاومت R برای محدود کردن جریان LED به زیر 20mA استفاده شده است.

درایو ترانزیستوری تایمر ۵۵۵

همان‌طور که قبلا اشاره شد، بیشینه جریان خروجی برای هر دو حالت چاه و منبع جریان از طریق پین ۳ حدودا 200mA در بیشینه ولتاژ تغذیه است. اما اگر بخواهیم که سایر ادوات توان بالا مانند موتورها و رله‌ها را کلیدزنی یا کنترل کنیم، باید چگونه عمل کنیم؟

در این صورت باید از یک ترانزیستور برای تقویت جریان خروجی تایمر ۵۵۵ به منظور تامین توان بزرگ برای درایو بار استفاده کنیم. نمایی از درایو ترانزیستوری تایمر ۵۵۵ را در شکل زیر مشاهده می‌کنید.

استفاده از ترانزیستور برای تقویت جریان خروجی در تایمر ۵۵۵
استفاده از ترانزیستور برای تقویت جریان خروجی در تایمر ۵۵۵

اگر جریان بار بزرگ باشد، ترانزیستور در دو مدار شکل بالا، می‌تواند با ماسفت قدرت یا ترانزیستور دارلینگتون جایگزین شود. زمانی که از یک بار سلفی مانند موتور یا رله استفاده می‌شود، بهتر است که از یک دیود هرزگرد (Freewheeling Diode) مستقیما در راستای ترمینال‌های بار استفاده شود تا ولتاژهای ضدمحرکه (Back EMF) تولید شده توسط سلف جذب شوند و به آی‌سی آسیبی وارد نشود.

اگر نوشته بالا برای شما مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند.

^^

به عنوان حامی، استارتاپ، محصول و خدمات خود را در انتهای مطالب مرتبط مجله فرادرس معرفی کنید.

telegram
twitter

مرضیه آقایی

«مرضیه آقایی» دانش‌آموخته مهندسی برق است. فعالیت‌های کاری و پژوهشی او در زمینه کنترل پیش‌بین موتورهای الکتریکی بوده و در حال حاضر، آموزش‌های مهندسی برق مجله فرادرس را می‌نویسد.

آیا این مطلب برای شما مفید بود؟

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *