خانه / دانش و مهارت / الکترونیک / آشنایی با تایمر ۵۵۵ – مدار اسیلاتور آستابل (بخش چهارم)

آشنایی با تایمر ۵۵۵ – مدار اسیلاتور آستابل (بخش چهارم)

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 :

مدار ساده یک اسیلاتور آستابل استاندارد با تراشه زمان سنج 555
مدار ساده یک اسیلاتور آستابل استاندارد با تراشه زمان سنج 555

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.

در ساختنی بخوانید :  آموزش ساخت جاحوله ای ارزان و شیک برای سرویس بهداشتی و حمام

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.

astable-555-oscillator-charge-discharge-times

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 !

charge-and-discharge-capacitor-in-astable-555-oscillator

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 :

555-oscillator-cycle-time

فرکانس خروجی اسیلاتور آستابل هم با معکوس کردن معادله بالا بدست می آید :

555-oscillator-frequency

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 :

555-oscillator-duty-cycle-ratio

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 :

در ساختنی بخوانید :  مدار زنگ درب منزل دوتایی با نمایشگر بسازید

زمان اول (شارژ خازن) :

زمان مورد نیاز برای شارژ خازن برابر است با :

example-astable-555-1

زمان دوم (تخلیه خازن):

زمان مورد نیاز برای تخلیه خازن برابر است با :

example-astable-555-2

پس زمان کامل برای یک شارژ و تخلیه (یعنی یک دوره کاملT) برابر است با :

example-astable-555-3-0

نتیجه می گیریم فرکانس خروجی با عدد زیر برابر است :

example-astable-555-3

دوره کاری شکل موج برابر است با :

example-astable-555-4

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:

اسیلاتور آستابل بهبود داده شده با دیود با آی سی تایمر 555
اسیلاتور آستابل بهبود داده شده با دیود با آی سی تایمر 555

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 !

در ساختنی بخوانید :  مدار سوییچ سلکتور چهار حالته مرحله ای الکترونیکی بسازید

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:

اسیلاتور آستابل بهبود داده شده با دوره کاری 50 درصد با آی سی تایمر 555
اسیلاتور آستابل بهبود داده شده با دوره کاری 50 درصد با آی سی تایمر 555

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 :

improved-50-percent-dc-frequency

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.

منبع (با تغییرات از تیم ساختنی)

خلاصه مطلب
اسیلاتور یا نوسان ساز آستابل با تراشه زمان سنج 555
عنوان مطلب
اسیلاتور یا نوسان ساز آستابل با تراشه زمان سنج 555
توضیح کوتاه
آموزش بستن آی سی 555 به شکل یک اسیلاتور آستابل ، تنظیم فرکانس و دوره کاری آن و بهبود آن برای دستیابی به زمان های دوره کاری کم تر از 50 درصد
نویسنده
ساختنی
ساختنی

بیشتر بخوانید:

فانشن ژنراتور یا تولید کننده شکل موج بسازید !... اگر دانشجوی رشته الکترونیک ، یکی از دوست داران پروژه های الکترونیکی و یا در حال آموزش الکترونیک هستید و یا اگر دوست دارید در کارگاه شخصی خودتان یک دست...
مدار الکترونیکی واکی تاکی (Walkie Talkie) یا بیسیم بسازید... واکی تاکی یا بیسیم دو طرفه یکی از ابزار هایی است که هم در پروژه های الکترونیکی برای سرگرمی بسیار محبوب است و هم ابزاری کاربردی برای ارتباط دو طرفه در ...
راهنمای شناخت سیگنال های الکتریکی : مفاهیم پیشرفته (بخش دوم)... در قسمت اول مقاله راهنمای شناخت سیگنال های الکتریکی با مفاهیم پایه و اولیه سیگنال ها نظیر جنس ، سیستم های متناوب و مستقیم ، فرکانس ، ولتاژ و ... آشنا ...
کنترلر شارژ خورشیدی اتوماتیک بسازید در ساختنی طرز ساخت انواع شارژر خورشیدی را یاد گرفته اید. اما بیشتر این شارژرها کنترلر ندارند؛ یعنی شارژ باتری را به صورت خودکار قطع نمی کنند. در این س...
آشنایی با آی سی تایمر 555 -پایه ها و نحوه کار (بخش اول)... تقریبا همه مدار های الکتریکی که امروزه در وسایل مختلف الکترونیکی به کار می روند دارای یک نوسان ساز هستند ، این نوسان ساز (اسیلاتور) ها را می توان با ق...
راهنمای خرید مولتی متر های دیجیتالی (Digital Multi meter)... مولتی متر های دستی دیجیتال ( یا به اختصار DMM) در واقع وسایل اندازه گیری اساسی هستند که باید در جعبه ابزار هر کسی که با برق و الکترونیک سر و کار دارد ...

درباره مهرداد جمالی

مهرداد جمالی
مهرداد جمالی ، متولد 1367 ، دانش آموخته رشته لیسانس مهندسی مخابرات دانشگاه ملی زنجان و دانشجوی ارشد مدیریت صنعتی است. وی بنیان گذار اصلی پروژه ساختنی و یکی از مدیران ارشد وبسایت است.

پیشنهاد می کنیم

بوست شارژ خورشیدی

ساخت مبدل بوست خورشیدی با شارژ کنترلر MPPT

مداری که در این ساختنی قصد ساختن آن را داریم، یک محدوده کننده ولتاژ و …

۲ دیدگاه ها

  1. 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

پاسخ دهید