تفاصيل الدائرة المتكاملة للمؤقت 555 (التركيب – أنظمة العمل – تطبيقات )
أولا : مقدمة
1- الوصف العام :
المؤقت 555 هو جهاز على درجة عالية من الاستقرار ويستخدم فى توليد فترات (أزمنة) تأخيرtime delay دقيقة أو ذبذبات oscillation.
المؤقت 555 مزود بأطراف إضافية للبدء(الاشعال – القدح) triggering وللتصفير(التحرير)resettingتستخدم عند الحاجة .
عند العمل بنظام "التأخير الزمنى" (يسمى مذبذب متعدد أحادى الاستقرار
monostable) يتم التحكم وبدقة فقط عن طريق دائرة مقاومة ومكثف خارجية .
عند العمل بنظام "المذبذب" ( يسمى مذبذب متعدد عديم الأستقرار astable ) يتم التحكم فى التردد ودورة الخدمة بدقة عن طريق دائرة خارجية مكونة من مقاومتين ومكثف .
يمكن للدائرة البدء أو التحرير نتيجة الأشكال الموجية الهابطة .
يمكن لدائرة الخرج أن تعمل كمصب ( تسحب أو تجر ) أو تعمل كمصدر (تعطى) بتيار حتى 200mA كما يمكنها تشغيل الدوائر من النوع TTL .
2- الخصائص :
· يمكن للمؤقت 555 العمل كمؤقت أو كمذبذب .
· فى نظام العمل كمؤقت ( والمعروف بالنظام أحادى الأستقرار monostable ) يعمل المؤقت 555 ببساطة كمؤقت يقوم بتوليد نبضىة أو ما يعرف بإسم " طلقة واحدة ". one-shot .
· عند توصيل نبضة بدء (قدح – إشعال) trigger إلى طرف البدء فإن خرج المؤقت يتحول من مستوى الجهد المنخفض إلى مستوى الجهد المرتفع ولفترة زمنية يتم تحديدها بدائرة RC خارجية .
· قى نظام العمل كمذبذب ( والمعروف باسم النظام عديم الاستقرار astable أو الحر ) يعمل المؤقت 555 كمولد نبضات مستطيلة حيث يمكن التحكم فى الشكل الموجى الناتج ( فترة زمنية منخفضة أو فترة زمنية مرتفعة أو التردد ..) عن طريق دوائر شحن وتفريغ RC خارجية .
· المؤقت 555 سهل الإستخدام ( يحتاج إلى قليل من المكونات والحسابات ) ورخيص ويمكن إستخدامه فى الكثير من التطبيقات المذهلة . على سبيل المثال : توليد نبضات الساعة الرقمية digital clock و دوائر الفلاشر flasher ودوائر السراين sirens ( الانذار) ودوائر التوقيت one-shot timer ودوائر تشغيل المفاتيح الخالية من الارتدادات (القفزات) bounce-free وتوليد الاشكال الموجية المختلفة مثل الشكل الموجى المثلث triangular وفى مقسمات التردد ...الخ .
3- مبدأ عمل المؤقت 555 :
الشكل يبين مخطط صندوقى مبسط لما بداخل المؤقت 555 .
الدائرة الكاملة ( بالمكونات الخارجية ) تمثل المؤقت 555 يعمل بنظام المذبذب عديم الاستقرار astable .
أخذ المؤقت 555 هذا الاسم بسبب وجود 3 مقاومات قيمة كل منها 5-k كما فى الشكل .هذه المقاومات تعمل كمقسم جهد بثلاثة درجات بين جهد المنبع (VCC) والأرضى .نتيجة لذلك يكون جهد الطرف العلوى للمقاومة السفلية ( المتصل بطرف الدخل الموجب + للمقارن 2 ) 1⁄3VCC بينما يكون جهد الطرف العلوى للمقاومة الوسطى ( المتصل بالدخل السالب - للمقارن 1) 2⁄3VCC . خرج أى مقارن (مرتفع أم منخفض) يعتمد على الجهد التماثلى الواصلة الى دخليه .إذا كان الدخل الموجب أكثر إيجابية من دخله السالب فإن مستوى خرجه المنطقى يكون مرتفعا. والعكس إذا كان الدخل الموجب أقل من الدخل السالب فإن مستوى خرجه المنطقى يكون منخفضا .يتم توصيل خرجى المقارنين إلى مدخلى القلاب (الفليب فلوب ) SR flipflop ويسميان مدخل الوضع set ومدخل التحرير reset .حسب حالة المدخلين يكون خرج الفليب فلوب .
3- التعرف على وظائف اطراف المؤقت 555:
· الطرف 1: الارضى ground
· الطرف 2 : البدء(القدح – الاشعال ) trigger: الدخل إلى ألمقارن 2 والذى يستخدم فى عمل set للفليب فلوب عندما يعبر جهد الطرف 2 من أكبر من إلى إقل من 1⁄3VCC عندئذ يتحول خرج المقارن إلى مرتفع ويقوم بعمل set للفليب فلوب .
· الطرف 3 : الخرج : output خرج المؤقت 555 عبارة عن مرحلة مكبر عاكس قادر على العمل كمصب (سحب) أوكمصدر (إعطاء) حوالى 200 mA . مستوى جهد الخرج يعتمد على تيار الخرج ولكنه تقريبا
· الطرف 4 : التصفير : reset : يقوم بعمل rest أى يكون فعال عندما يكون منخفض
Active-low والذى يجبر الخرج (معكوس Q) أن يكون مرتفعا وبالتالى يكون الطرف 3 (الخرج) منخفضا .
· الطرف 5 : جهد التحكم : control : يستخدم فى تخطى المستوى 2⁄3VCC عند الحاجة ولكنه غالبا ما يتم توصيله بالارضى خلال مكثف إمرار 0.01-μF ( للتخلص من التداخلات الناتجة عن مصدر التغذية VCC . توصيل جهد خارجى إلى هذا الطرف يعطى تحكم بوضع مستوى آخر للبدء.
· الطرف 6 : العتبة أو الحد threshold : وهو الدخل إلى المقارن العلوى والذى يستخدم فى تحرير reset الفليب فلوب . عندما يعبر جهد الطرف 6 من أقل من ألى اكبر من 2⁄3VCC يتحول خرج المقارن العلوى إلى الحالة المرتفعة ويقوم بعمل reset للفليب فلوب .
· الطرف 7: التفريغ discharge: متصل بالمجمع المفتوح للترانزستور NPN والذى يستخدم فى عمل دائرة قصر لتوصيل الطرف 7 بالأرضى عندما يكون معكوس Q مرتفع (والطرف 3 منخفض) ويؤدى ذلك إلى تفريغ المكثف .
· الطرف 8 : جهد التغذية الموجب VCC : يكون بين 4.5 و 16 V للمؤقت 555 المكون من دوائر TTL وقد يصل الى اقل من 1 V فى النوع CMOS .
ثانيا : انظمة العمل للمؤقت 555
1- نظام العمل كمذبذب عديم الاستقرار astable :
· عند توصيل التغذية إلى الدائرة يكون المكثف غير مشحون .
· هذا يعنى أن جهد الطرف 2 يكون 0V فيجبر خرج المقارن 2 على أن يكون فى مستوى جهد مرتفع .
· وهذا بدوره يقوم بعمل set للفليب فلوب بحيث يكون الخرج المعكوس( رمزه Q وفوقها شرطة) منخفض ويكون خرج المؤقت 555 مرتفع نتيجة لوجود مكبر الخرج العاكس .
· وأيضا ونتيجة لوجود الخرج العاكس منخفضا يكون ترانزستور التفريغ فى حالة عدم توصيل off بما يسمح بشحن المكثف من المنبع VCC وخلال المقاومة R1 والمقاومة R2 .
· عندما يزيد جهد المكثف عن 1⁄3VCC يتحول خرج المقارن 2 ألى الحالة المنخفضة وهذا ليس له تأثير على الفليب فلوب .
· عندما يزيد جهد المكثف عن 2⁄3VCC يتحول خرج المقارن 1 إلى الحالة المرتفعة ويقوم بتحرير reset الفليب فلوب فيجبر الخرج المعكوس على التحول ألى الحالة المرتفعة وتبعا له خرج المؤقت إلى الحالة المنخفضة .
· عند هذه النقطة يتحول ترانزستور التفريغ إلى التوصيل on ويقوم بعمل دائرة قصر لتوصيل الطرف 7 بالأرضى ليتم تفريف المكثف خلال المقاومة R2 .
· عندما يهبط جهد المكثف إلى أقل من 1⁄3VCC يعود خرج المقارن 2 إلى الحالة المرتفعة ويقوم بعمل set للفليب فلوب ويتحول الخرج المكوس إلى الحالة المنخفضة وخرج المؤقت إلى الحالة المرتفعة .
· نتيجة لأن الخرج المعكوس منخفض يتحول الترانزستور إلى حالة الفصل off بما يسمح للمكثف بالشحن مرة أخرى من جديد .
· وتتكرر الدورة مرة تلو الأخرى وتكون النتيجة النهائية خرج على هيئة شكل موجى مربع بمستوى جهد تقريبا ( VCC − 1.5 V ) وفترات مستوى مرتفع ومستوى منخفض on/off تتحدد تبعا لقيم كل من المكثف C والمقاومة R1 والمقاومة R2 .
· الفترة الزمنية التى يكون فيها جهد الخرج منخفض (حوالى 0.1V ) تعتمد على قيمة حاصل الضرب R1C ( يعرف بالثابت الزمنى لدائرة التفريغ ) وقيمة مستوى 1⁄3VCC و مستوى 2⁄3VCC .
· والفترة الزمنية التى يكون فيها جهد الخرج مرتفعا ( حوالى VCC − 1.5 V ) تعتمد على الثابت الزمنى لدائرة الشحن (R1 + R2)C وأيضا على قيمة كل من المستويان 1⁄3VCCو2⁄3VC .
· العلاقات العملية الآتية تعبر عن النتائج :
tlow = 0.693 R2C
thigh = 0.693(R1+R2)C
دورة الخدمة : duty cycle :
وهى تعبر عن الجزء من الوقت الذى يكون فيه الخرج مرتفعا بالنسبة للزمن الكلى للدورة وتعطى بالعلاقة :
Duty cycle = thigh / (thigh + tlow ) = thigh / T
حيث T هو زمن الدورة الواحدة (يسمى الزمن الدورى) ويساوى مجموع زمن الجهد المنخفض وزمن الجهد المرتفع .
تردد الشكل الموجى فى الخرج : frequency يعطى بالعلاقة :
f = 1 / T
· وللعمل السليم والموثوق فيه يجب أن تكون المقاومات فى الحدود بين 10 k و10 M ومطثف التوقيت بين 100 pF و 1000 μF .