Tạo dao động bằng IC 555

IC 555 có thể được sử dụng để tạo ra một bộ dao động ổn định chạy tự do để liên tục tạo ra các xung sóng vuông

IC 555 có thể được kết nối hoặc trong chế độ đơn ổn của nó do đó tạo ra một bộ định thời chính xác của một khoảng thời gian thời gian cố định, hoặc trong chế độ lưỡng ổn (tham khao phần Các chế độ hoạt động của IC 555) của nó để tạo ra một mạch kiểu flip-flop. Nhưng chúng ta cũng có thể kết nối IC định thời 555 ở chế độ không ổn định để tạo ra mạch Dao động 555 rất ổn định để tạo ra các dạng sóng chạy tự do có độ chính xác cao mà tần số đầu ra có thể được điều chỉnh bằng mạch cộng hưởng RC được kết nối bên ngoài chỉ bao gồm hai điện trở và một tụ điện.

Bộ tạo dao động 555 là một loại bộ dao động thư giãn khác để tạo ra các dạng sóng đầu ra sóng vuông ổn định có tần số cố định lên đến 500kHz hoặc các chu kỳ làm việc thay đổi từ 50 đến 100%. Trong hướng dẫn về Bộ định thời 555 trước đó, chúng ta đã thấy rằng mạch Monostable tạo ra một xung một lần đầu ra duy nhất khi được kích hoạt trên đầu vào kích hoạt chân 2 của nó.

Trong khi mạch đơn ổn 555 dừng sau một thời gian đặt trước để chờ xung kích hoạt tiếp theo bắt đầu lại, để Bộ tạo dao động 555 hoạt động như một bộ tạo đa hài, cần phải liên tục kích hoạt lại IC 555 .

Việc kích hoạt lại này về cơ bản đạt được bằng cách kết nối đầu vào kích hoạt (chân 2) và đầu vào ngưỡng (chân 6) với nhau, do đó cho phép thiết bị hoạt động như một bộ dao động ổn định. Sau đó, Bộ tạo dao động 555 không có trạng thái ổn định vì nó liên tục chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác. Ngoài ra, điện trở định thời của mạch đa hài đơn ổn trước đây đã được tách thành hai điện trở riêng biệt, R1 và R2 điểm giữa của chúng được kết nối với đầu vào Discharge (chân 7) như hình dưới đây.

Mạch dao động không ổn định 555 cơ bản

Trong mạch ở trên, chân 2 và chân 6 được kết nối với nhau cho phép mạch tự kích hoạt lại theo từng chu kỳ cho phép nó hoạt động như một bộ dao động chạy tự do. Trong mỗi chu kỳ tụ điện C1 tích điện qua cả hai điện trở định thời là R1 và R2 nhưng chỉ phóng điện qua điện trở, R2 vì mặt kia của R2 được nối với chân 7.

Sau đó, tụ sạc lên đến 2 / 3Vcc (giới hạn so sánh trên) được xác định bởi tổ hợp 0,693 (R1 + R2) C và tự phóng điện xuống 1 / 3Vcc (giới hạn so sánh dưới) được xác định bởi 0,693 (R2 * C )(xem chi tiết phần này ở : Chế độ không ổn định IC 555). Điều này dẫn đến dạng sóng đầu ra có mức điện áp xấp xỉ bằng Vcc – 1,5V và khoảng thời gian đầu ra “BẬT” và “TẮT” được xác định bởi sự kết hợp của tụ điện và điện trở. Do đó, thời gian riêng lẻ cần thiết để hoàn thành một chu kỳ sạc và xả của đầu ra được đưa ra như sau:

Thời gian sạc và xả dao động không ổn định 555

Trong đó, R tính bằng Ω và C tính bằng Farads.

Khi được kết nối như một bộ đa hài không ổn định, đầu ra từ IC 555 sẽ tiếp tục sạc và xả vô thời hạn giữa 2 /3Vcc và 1 /3Vcc cho đến khi nguồn điện được rút ra. Giống như với bộ đa hài đơn ổn, thời gian sạc và xả và do đó tần số là độc lập trên điện áp cung cấp.

Do đó, khoảng thời gian của một chu kỳ định thời đầy đủ bằng tổng của hai thời gian riêng lẻ mà tụ điện tích điện và phóng điện cộng lại với nhau và được cho là:

Chu kỳ dao động 555

Tần số đầu ra của dao động có thể được tìm thấy bằng cách đảo ngược phương trình trên cho tổng thời gian chu kỳ để đưa ra phương trình cuối cùng cho tần số đầu ra của Bộ dao động không ổn định 555 là:

Tần số

Bằng cách thay đổi hằng số thời gian của chỉ một trong các giá trị RC , Chu kỳ làm việc hay còn gọi là tỷ lệ “Mark-Space” của dạng sóng đầu ra có thể được thiết lập chính xác và được coi là tỷ số của điện trở R2 và điện trở R1 . Chu kỳ làm việc cho Bộ dao động 555, là tỷ lệ giữa thời gian “BẬT” chia cho thời gian “TẮT” được cho bởi:

555 Chu kỳ làm việc của bộ tạo dao động

Chu kỳ làm việc không có đơn vị vì nó là một tỷ lệ nhưng có thể được biểu thị bằng phần trăm (%). Nếu cả hai điện trở định thời, R1 và R2 có giá trị bằng nhau, thì chu kỳ làm việc đầu ra sẽ là 2: 1, nghĩa là thời gian BẬT 66% và thời gian TẮT 33% đối với khoảng thời gian.

Ví dụ bộ tạo dao động IC 555

Bộ tạo dao động IC 555 được xây dựng bằng cách sử dụng các thành phần sau đây, R1 = 1kΩ , R2 = 2kΩ và tụ điện C1 = 10uF . Tính tần số đầu ra từ bộ dao động 555 và chu kỳ làm việc của dạng sóng đầu ra.

t 1 – thời gian tích điện “BẬT” của tụ điện được tính như sau:

t 2 – thời gian phóng điện “TẮT” của tụ điện được tính như sau:

Do đó, chu kỳ (T) được tính như sau:

Do đó , tần số đầu ra, ƒ được cho là:

Đưa ra giá trị chu kỳ làm việc là:

Tụ điện định thời C tích điện qua điện trở R1 và R2 nhưng chỉ phóng điện qua điện trở R2 , chu kỳ làm việc đầu ra có thể thay đổi trong khoảng từ 50 đến 100% bằng cách thay đổi giá trị của điện trở R2 . Bằng cách giảm giá trị của R2 , chu kỳ làm việc tăng lên 100% và bằng cách tăng R2 , chu kỳ làm việc giảm xuống 50%. Nếu điện trở, R2 là rất lớn so với điện trở R1 tần số đầu ra của mạch không ổn định 555 sẽ xác định bởi R2 x C1.

Vấn đề với cấu hình dao động 555 khôn ổn định cơ bản này là chu kỳ làm việc, tỷ lệ “mark-space” sẽ không bao giờ xuống dưới 50% vì sự hiện diện của điện trở R2 ngăn cản điều này. Nói cách khác chúng ta không thể làm cho kết quả đầu ra “ON” thời gian ngắn hơn so với “OFF” thời gian, như (R1 + R2) C1 sẽ luôn luôn lớn hơn giá trị của R1 x C1 . Một cách để khắc phục vấn đề này là kết nối song song một diode với điện trở R2 như hình dưới đây.

Chu kỳ làm việc của bộ tạo dao động 555 được cải thiện

Bằng cách kết nối diode này, D1 giữa đầu vào kích hoạt và đầu vào phóng điện , tụ điện định thời giờ sẽ chỉ sạc trực tiếp thông qua điện trở R1 , vì điện trở R2 được diode rút ngắn mạch. Tụ điện phóng điện như bình thường qua điện trở R2 .

Diode bổ sung D2 có thể được mắc nối tiếp với điện trở phóng điện, R2 nếu được yêu cầu để đảm bảo rằng tụ điện định thời sẽ chỉ tích điện qua D1 và không qua đường dẫn song song của R2 . Điều này là do trong quá trình sạc, diode D2 được kết nối phân cực ngược lại chặn dòng điện chạy qua chính nó.

Bây giờ thời gian sạc trước đó của t1 = 0,693 (R1 + R2) C được sửa đổi để tính đến mạch sạc mới này và được cho là: 0,693 (R1 x C) . Do đó, chu kỳ làm việc được cho là D = R1 / (R1 + R2) . Sau đó, để tạo ra một chu kỳ làm việc nhỏ hơn 50%, điện trở R1 cần phải nhỏ hơn điện trở R2 .

Mặc dù mạch trước đó cải thiện chu kỳ làm việc của dạng sóng đầu ra bằng cách sạc tụ điện định thời C1 thông qua tổ hợp R1 + D1 và sau đó xả nó qua tổ hợp D2 + R2 , vấn đề với việc sắp xếp mạch này là mạch dao động 555 sử dụng thêm linh kiện, tức là hai điốt.

Chúng ta có thể cải thiện ý tưởng này và tạo ra dạng sóng đầu ra sóng vuông cố định với chu kỳ làm việc chính xác 50% rất dễ dàng và không cần thêm bất kỳ điốt nào bằng cách chỉ cần di chuyển vị trí của điện trở sạc, R2 đến đầu ra (chân 3) như hình dưới.

Bộ dao động có thể thay đổi chu kỳ làm việc 50%

Bộ tạo dao động 555 hiện tạo ra chu kỳ làm việc 50% như tụ định thời C1 hiện đang sạc và xả qua cùng một điện trở, R2 thay vì xả qua chân xả 7 của bộ định thời như trước. Khi đầu ra từ bộ dao động 555 là CAO, tụ điện tích điện qua R2 và khi đầu ra ở mức THẤP, nó phóng điện qua R2 . Điện trở R1 được sử dụng để đảm bảo rằng tụ điện tích điện đầy đủ đến cùng giá trị với điện áp cung cấp.

Tuy nhiên, khi tụ điện tích điện và phóng điện qua cùng một điện trở, phương trình ở trên cho tần số dao động đầu ra phải được sửa đổi một chút để phản ánh sự thay đổi mạch này. Sau đó, phương trình mới cho 50% được đưa ra là:

Phương trình tần số chu kỳ làm việc 50%

Lưu ý rằng điện trở R1 cần phải đủ cao để đảm bảo nó không cản trở quá trình sạc của tụ điện để tạo ra chu kỳ làm việc 50% theo yêu cầu. Cũng thay đổi giá trị của tụ điện thời gian thì C1 làm thay đổi tần số dao động của mạch không ổn định.

Ứng dụng bộ tạo Dao động 555

Chúng tôi đã nói trước đây rằng đầu ra tối đa để làm sink hoặc source cho dòng tải qua chân 3 là khoảng 200mA và giá trị này là quá đủ để điều khiển hoặc chuyển đổi các IC logic khác, một vài đèn LED hoặc một đèn nhỏ, v.v. và chúng tôi sẽ cần sử dụng transistor lưỡng cực hoặc MOSFET để khuếch đại đầu ra của 555 để điều khiển tải dòng điện lớn hơn như động cơ hoặc rơ le.

Nhưng Bộ tạo dao động 555 cũng có thể được sử dụng trong một loạt các mạch tạo dạng sóng và các ứng dụng đòi hỏi dòng điện đầu ra rất nhỏ, chẳng hạn như trong thiết bị kiểm tra điện tử để tạo ra toàn bộ dải tần số kiểm tra đầu ra khác nhau.

555 cũng có thể được sử dụng để tạo ra các dạng sóng sin, vuông và xung rất chính xác hoặc làm đèn LED hoặc đèn nháy và bộ điều chỉnh độ sáng cho các mạch tạo tiếng ồn đơn giản như máy đo thời gian, máy phát âm thanh và hiệu ứng âm thanh và thậm chí cả đồ chơi âm nhạc.

Chúng ta có thể rất dễ dàng xây dựng một mạch dao động 555 đơn giản để nhấp nháy “BẬT” và “TẮT” của một vài đèn LED tương tự như hình minh họa hoặc để tạo ra tiếng ồn tần số cao từ loa. 

Máy nhịp là thiết bị được sử dụng để đánh dấu thời gian trong các bản nhạc bằng cách tạo ra một nhịp đều đặn và định kỳ. Một máy nhịp điện tử đơn giản có thể được chế tạo bằng cách sử dụng bộ dao động 555 làm thiết bị định thời gian chính và bằng cách điều chỉnh tần số đầu ra của bộ dao động, có thể đặt nhịp độ hoặc “Nhịp mỗi phút”.

Vì vậy, ví dụ, một nhịp độ 60 nhịp mỗi phút có nghĩa là một nhịp sẽ xảy ra mỗi giây và trong thuật ngữ điện tử tương đương với 1Hz. Vì vậy, bằng cách sử dụng một số định nghĩa âm nhạc rất phổ biến, chúng ta có thể dễ dàng xây dựng một bảng các tần số khác nhau cần thiết cho mạch nhịp của chúng ta như hình dưới đây.

Bảng tần số nhịp

Dải tần số đầu ra của máy đếm nhịp được tính toán đơn giản bằng nghịch đảo của 1 phút hoặc 60 giây chia cho số nhịp mỗi phút cần thiết, ví dụ ( 1 / (60 giây / 90 bpm) = 1,5Hz ) và 120bpm tương đương với 2Hz, v.v. Vì vậy, bằng cách sử dụng phương trình quen thuộc của chúng tôi ở trên để tính toán tần số đầu ra của một mạch dao động 555 đáng khôn ổn định, các giá trị riêng lẻ của R1 , R2 và C có thể được tìm thấy.

Khoảng thời gian của dạng sóng đầu ra cho Bộ dao động 555 khôn ổn định được cho là:

Đối với mạch nhịp điện tử, giá trị của điện trở định thời R1 có thể được tìm thấy bằng cách sắp xếp lại phương trình ở trên:

Giả sử giá trị của điện trở R2 = 1kΩ và tụ điện C = 10uF , giá trị của điện trở định thời R1 cho dải tần của chúng ta được cho là 142k3Ω ở 60 nhịp mỗi phút đến 46k1Ω ở 180 nhịp mỗi phút, do đó, một biến trở (chiết áp) 150kΩ sẽ là quá đủ để mạch nhịp tạo ra đầy đủ các nhịp cần thiết và một số nhịp nữa. Sau đó, mạch cuối cùng cho ví dụ về máy đếm nhịp điện tử của chúng tôi sẽ được đưa ra như sau:

555 Máy nhịp điện tử

Mạch nhịp đơn giản này chỉ một cách đơn giản là sử dụng bộ dao động 555 để tạo ra âm thanh hoặc nốt nhạc có thể nghe được. Nó sử dụng một chiết áp 150kΩ để điều khiển toàn bộ các xung hoặc nhịp đầu ra, và vì nó có giá trị 150kΩ nên nó có thể dễ dàng hiệu chỉnh để đưa ra giá trị phần trăm tương đương tương ứng với vị trí của chiết áp. Ví dụ, 60 nhịp mỗi phút tương đương với 142,3kΩ hoặc 95% vòng quay.

Tương tự, 120 nhịp mỗi phút tương đương với 70,1kΩ hoặc 47% của chiết áp, v.v. Có thể kết nối thêm điện trở hoặc tông đơ bổ sung với chiết áp để đặt trước các đầu ra giới hạn trên và dưới thành các giá trị được xác định trước, nhưng các thành phần bổ sung này sẽ cần phải được được tính đến khi tính toán tần số đầu ra hoặc khoảng thời gian.

Mặc dù mạch ở trên là một ví dụ rất đơn giản và thú vị về việc tạo âm thanh, nhưng có thể sử dụng Bộ tạo dao động 555 làm bộ tạo / tổng hợp tiếng ồn hoặc tạo âm thanh, âm sắc và báo động bằng cách tạo tần số thay đổi.

Trong hướng dẫn này, chúng tôi chỉ sử dụng một mạch dao động 555 duy nhất để tạo ra âm thanh nhưng bằng cách xếp tầng hai hoặc nhiều chip dao động 555 lại với nhau, các mạch khác nhau có thể được xây dựng để tạo ra toàn bộ các hiệu ứng âm nhạc và âm thanh. Một trong những mạch mới lạ như vậy là còi báo động của xe cảnh sát được đưa ra trong ví dụ dưới đây.

Còi báo động của cảnh sát với IC 555

Mạch mô phỏng tín hiệu báo động có âm sắc mô phỏng âm thanh của còi cảnh sát. IC1 được kết nối như một bộ điều khiển đa nhịp không đối xứng 2Hz, được sử dụng để điều biến tần số IC2 thông qua điện trở 10kΩ . Đầu ra của IC2 xen kẽ đối xứng giữa 300Hz và 660Hz mất 0,5 giây để hoàn thành mỗi chu kỳ xen kẽ.