در سه قسمت قبلی آموزش کار با آی سی تایمر 555 این تراشه را معرفی کردیم و با پایه هایش آشنا شدیم ، آموختیم که چگونه می توانیم با استفاده از تراشه زمان سنج 555 یک اسیلاتور مونواستابل بسازیم و چگونه می توانیم آن را تبدیل به یک فلیپ فلاپ یا اسیلاتور بای استابل کنیم. در این آموزش ساختنی اسیلاتور آستابل با استفاده از تراشه تایمر 555 را به شما آموزش خواهیم داد.
با استفاده از آی سی تایمر 555 می توان یک نوسان ساز (اسیلاتور) دقیق برای تولید قطار پالس ساخت و می توان فرکانس خروجی این اسیلاتور آستابل را با استفاده از یک مدار مقاومت و خازن (RC Network) تنظیم کرد.
اسیلاتور آستابل که با تایمر 555 ساخته می شود در واقع یک نوسان ساز راحتی (Relaxation Oscillator) است که موج های مربع پایدار و بی پایانی با فرکانسی معلوم و ثابت تا فرکانس 500 کیلوهرتز تولید می کند. دوره کاری (Duty Cycle) موج مربعی تولید شده می تواند از 50 تا 100 درصد تنظیم شود.
در قسمت دوم آموزش (اسیلاتور مونواستابل) دیدیم که این نوع نوسان ساز پس از دریافت سیگنال تحریک تغییر وضعیت می دهد و پس از گذشت مدت زمانی دوباره به حالت پایدار خود باز می گردد و برای فعال سازی مجدد آن نیاز به سیگنال تحریک جدیدی داریم. پس برای این که بتوانیم یک اسیلاتور آستابل بسازیم باید بتوانیم سیگنال تحریکی پیوسته برای ادامه کار تایمر 555 به آن برسانیم. این تحریک دوباره و چند باره به شکل ساده با وصل کردن پایه تحریک (پایه 2) و پایه آستانه (پایه 6) به هم دیگر میسر خواهد شد. وقتی این کار را انجام دهیم ، اسیلاتور آستابل خواهیم ساخت،یعنی نوسان سازی خواهیم داشت که هیچ حالت پایداری ندارد و پیوسته بین دو حالت “ولتاژ بالا” و “ولتاژ پایین” در خروجی خود،در نوسان است.
همچنین تک مقاومت زمانبندی در مدار مونواستابل به دو مقاومت جدای R1 و R2 تقسیم شده است که مشترکا به پایه تخلیه (پایه 7) متصل شده اند. مدار ساده اسیلاتور آستابل با تایمر 555 را در زیر می بینید :
شکل موج اسیلاتور آستابل با آی سی تایمر 555
در مدار اسیلاتور آستابل بالا ، پایه 2 و 6 به هم وصل شده اند که به مدار اجازه می دهند خود را در پایان هر چرخه تحریک کند و به شکل یک نوسان ساز ابدی ادامه کار دهد. در طول هر چرخه، خازن C از طریق هر دو مقاومت زمان بندی شارژ می شود. اما در زمان تخلیه،این کار را تنها با استفاده از مقاومت R2 انجام می دهد. زیرا تها R2 است که به پایه تخلیه (پایه 7) متصل شده است.
خازن تا حد 2/3 ولتاژ تغذیه شارژ می شود (حد بالای ولتاژ مقایسه گر) که به وسیله رابطه 0.693(R1+R2)C قابل محاسبه است و سپس تا حد 1/3 ولتاژ تغذیه تخلیه می گردد ( حد پایین ولتاژ مقایسه گر) که این مقدار هم با رابطه 0.693(R2.C) مشخص می شود. نتیجه این پر و خالی شدن خازن ، شکل موجی است که ولتاژ آن از صفر تا Vcc-1.5 ولت پرش می کند. دوره های زمانی “روشن” و “خاموش” خروجی به وسیله خازن و ترکیب مقاومت ها تنظیم خواهد شد. زمان مورد نیاز برای یک شارژ و یک تخلیه (یعنی یک روشن و یک خاموش در خروجی) در پایین آمده است که در آن R بر حسب اهم و C بر حسب فاراد است.
زمانی که آی سی تایمر 555 را به شکل یک اسیلاتور آستابل می بندیم،خروجی آن به شکل نوسانی است که تا بینهایت ادامه می یابد.این خروجی حاصل شارژ تا 2/3 ولتاژ تغذیه و تخلیه تا 1/3 ولتاژ تخلیه است و تا زمانی که انرژی به مدار برسد ادامه خواهد یافت. پس فرکانس موج تولیدی اسیلاتور آستابل هیچ ربطی به هیج یک از مشخصه های منبع تغذیه ندارد !
طول یک چرخه کامل (یک سیکل کامل یا یک دوره نوسان) برابر است با جمع دو زمان شارژ و تخلیه خازن که در زیر مشاهده می کنید :
فرکانس خروجی اسیلاتور آستابل هم با معکوس کردن معادله بالا بدست می آید :
با تغییر ثابت زمانی یکی از ترکیب های مقاومت ها با خازن (مثلا R1 با C)،نرخ دوره کاری شکل موج خروجی به دقت قابل تنظیم است. بهتر است بگوییم نرخ دوره کاری به نوعی به نسبت دو مقاومت R2 و R1 مربوط است. نرخ دوره کاری شکل موج خروجی اسیلاتور آستابل 555 ، که طبق تعریف نسبت طول زمان “روشن ” بودن خروجی به طول زمان “خاموش” بودن آن است از رابطه زیر بدست می آید :
دوره کاری هیچ یکایی ندارد و یک نسبت است که می توانید آن را با درصد (%) نشان دهید. اگر هر دو مقاومت زمانبدی R1 و R2 یک مقدار داشته باشند ، دوره کاری خروجی طبق فرمول بالا برابر با 2:1 یا 66% زمان روشن و 33 درصد زمان خاموش است.
مثالی از اسیلاتور آستابل 555
یک اسیلاتور آستابل 555 با استفاده از این قطعات درست کرده ایم. R1=1K ، R2=2K و C=10uF . فرکانس خروجی نوسان ساز و دوره کاری شکل موج خروجی را محاسبه کنید :
زمان اول (شارژ خازن) :
زمان مورد نیاز برای شارژ خازن برابر است با :
زمان دوم (تخلیه خازن):
زمان مورد نیاز برای تخلیه خازن برابر است با :
پس زمان کامل برای یک شارژ و تخلیه (یعنی یک دوره کاملT) برابر است با :
نتیجه می گیریم فرکانس خروجی با عدد زیر برابر است :
دوره کاری شکل موج برابر است با :
دوره کاری خروجی اسیلاتور آستابل 555 از 50% تا 100% قابل تنظیم است اما نمی توان آن را از 50 درصد پایین تر برد، دلیل این محدودیت این است که خازن از طریق هر دو مقاومت زمانبندی شارژ می شود ولی تنها از طریق یکی از آن ها خالی می شود. با کم کردن مقدار مقاومت R2 دوره کاری به سمت 100 درصد میل خواهد کرد و با افزایش مقدار این مقاومت ، مقدار دور کاری تا حداقل 50 درصد کاهش خواهد یافت. اگر مقاومت R2 در مقایسه با R1 بسیار بزرگ تر باشد ، آنگاه فرکانس خروجی اسیلاتور آستابل 555 را می توان با صرف نظر از مقدار R1 و با رابطه ساده R2*C بدست آورد.
حل مشکل دوره کاری در اسیلاتور 555
وقتی می گوییم دوره کاری اسیلاتور آستابل با تایمر 555 نمی تواند پایین تر از 50 درصد باشد به این معناست که ما نمی توانیم خروجی هایی داشته باشیم که زمان روشن بودن آن ها کم تر از زمان خاموش شدن آن ها باشد. اما هر مشکلی یک راه حلی دارد ! یک راه غلبه بر مشکل اتصال یک دیود در نقش بای پس کننده سیگنال به شکل موازی به مقاومت R2 است ، تصویر زیر را ببینید:
با اتصال دیود D1 بین پایه تحریک و پایه تخلیه ، خازن زمانبندی تنها به وسیله R1 شارژ می شود زیرا R2 به شکل موثری توسط دیود اتصال کوتاه شده است . اما در زمان تخلیه ، خازن از طریق R2 تخلیه خواهد شد.
می توانیم یک دیود دیگر (D2) را نیز برای اطمینان از این که در زمان شارژ خازن R2 کاملا از مدار خارج شده است به صورت سری به R2 متصل کنیم. با این کار در طول زمان شارژ ، D2 یه شکل بایاس معکوس (Reverse Bias) در مدار عمل می کند و جلوی جاری شدن هر نوع جریان از طریق R2 را خواهد گرفت.
حالا که با استفاده از دیود ، جلوی در طول فرآیند شارژ R2 را حذف کرده ایم. معادلات ما هم تا حدودی ساده تر می شود. حالا زمان مورد نیاز برای شارژ برابر است با 0.693(R1 x C) . توجه داشته باشید زمان تخلیه تغییری نکرده است پس می توانیم بگوییم دورکاری برابر است با D = R1/(R1 + R2) . حالا برای داشتن دوره کاری زیر 50 درصد کافی است مقاومت R1 از R2 کم تر باشد !
گرچه با راه حلی ساده توانستیم اسیلاتور آستابل با آی سی تایمر 555 را برای داشتن دورهای کاری کم تر از 50 درصد بهبود و اصلاح کنیم. اما مشکل این راه حل این است که با این کار ما دو قطعه اضافی در طراحی اسیلاتور استفاده کرده ایم که هم مدار را گران تر می کند و هم بزرگ تر.
اسیلاتور آستابل 555 با دوره کاری 50 درصد
ما می توانیم با یک روش دیگر بدون استفاده از قطعات اضافی به دوره کاری دقیقا 50 درصد دست پیدا کنیم. برای این کار نیازی به اضافه کردن دیود نیست. برای این کار مکان اتصال مقاومت R2 را به خروجی (پایه 3) تغییر می دهیم. به مدار زیر توجه کنید:
با استفاده از مدار زیر، اسیلاتور آستابل 555 با شکل موج خروجی با دوره دقیقا 50 درصد کار خواهد کرد. خازن C1 به وسیله مقاومت R2 به جای پایه 7 تخلیه خواهد شد. وقتی خروجی مدار اسیلاتور آستابل در حالت “ولتاژ بالا” یا روشن است ، خازن از طریق R2 شارژ می شود و وقتی خروجی در حالت”ولتاژ پایین” است از طریق همان R2 تخلیه خواهد شد. اما دیگر چه نیازی به مقاومت R1 است ؟ R1 برای اطمینان از این موضوع حفظ شده است که خازن به شکل کامل و به اندازه ولتاژ تغذیه شارژ شود.
به هر حال ، خازن از راه یک مقاومت شارژ و تخلیه می شود. معادله فرکانس خروجی اسیلاتور آستابل مدار بالا اندکی تغییر خواهد کرد. معادله اسیلاتور آستابل 555 و با دوره کاری 50 درصد ثابت شده برابر است با :
دقت داشته باشید که مقاومت R1 باید به اندازه ای بزرگ باشد که مطمئن باشیم نقش قابل توجهی در شارژ خازن نخواهد داشت تا دوره کاری به شکل ثابت و دقیقی روی 50% بماند. تغییر مقدار خازن زمان بندی فرکانس خروجی اسیلاتور آستابل را تغییر خواهد داد.
۲ دیدگاه. ارسال دیدگاه جدید
سلام دوباره
واقعا ممنونم از زحمتي كه كشيديد واسه اين آموزش و تمام آموزش ها
هر چهار بخش عالي بود، خدا كنه هم به اون چه كه ميخوايد و هم به بهتر از اونچه كه خواستيد برسيد.
با احترام فراوان
آسماني
جناب آسمانی بسیار تشکر می کنیم از پیام دلگرم کننده شما ، امیدواریم همیشه شما رو همراه ساختنی ببینیم .
با تشکر فراوان