Mô tả hoạt dộng IC 555 trong proteus

Bộ định thời 555 (IC NE555) là một trong những loại IC phổ biến và sử dụng nhiều nhất.IC này cực kì thích hợp để thiết kế các mạch định thời hay mạch đếm. IC này được thiết kế thiết kế với vai trò là bộ dao động xung nội bao gồm 2 op-amp (operational amplifiers hay nôm na là bộ vận hành sự khuếch đại) được vận hành bởi chế độ vòng hở hoặc chế độ so sánh. Trong sơ đồ bộ dao động xung nội “RS Latch” được hiểu như một bộ đóng mở khoá tín hiệu (flip flop RS), transistor xả điện. Muốn hiểu rõ bài viết này ta phải hiểu rõ nguyên lý hoạt động của flip flop RS trước đã

Hình 1.

3 điện trở R3, R4, R5 có vai trò chia điện áp Vcc. Op-amp U2:A ở chế độ so sánh không đảo, so sánh áp “threshold” với áp , còn U2:B ở chế độ so sánh đảo, so sánh áp “trigger” với áp , ngõ ra của 2 op-amp này lần lượt được đưa vào ngõ vào R và S của RS Latch. RS Latch có một ngõ vào reset R mà khi tác động mức điện áp thấp vào nó (0V) thì ngay lập tức ngõ ra của RS Latch được reset. Có thể dễ dàng thấy được ngõ ra O/P của RS Latch có chức năng kích hoạt sự ngắt hoặc dẫn của Transistor nhờ vào mức điện áp thấp hoặc cao mà nó suất ra. Thành phần ic 7404 (U4:A) chỉ có tác dụng đảo mức điện áp của ngõ ra O/P, đưa điện áp đó ra ngõ ra Q (chân Q của IC 555)

Hình 2.

Khi IC 555 đóng vai trò là một khoá đóng ngắt song ổn:

Hình 3.

Thành phần RS Latch trong IC 555 còn được điều khiển với các ngõ vào R (Reset) và TR (trigger inputs). Ngõ ra của RS Latch sẽ được set (mức 1) hoặc reset (mức logic 0) ngay tức thì sau khi tác động vào ngõ nút nhấn Set hoặc Reset ở hình 3. Ngõ vào R và S được điều khiển bởi 2 ngõ ra của 2 op-amp, ngõ ra của 2 op-amp thì lại được điều khiển bởi “threshold” và “Trigger” (đã giải thích ở phía trên). Bởi trạng thái thường mở của 2 nút nhấn Set và Reset nên ngõ và TH và TR (Threshold và Trigger) luôn ở mức logic 0, dẫn đến 2 ngõ vào R và S của RS Latch cũng ở mức 0, ngõ ra của RS Latch sẽ giữ nguyên trạng thái trước đó của nó

*Kết hợp sơ đồ hình 1 và hình 3 ta giải thích nguyên lý mạch hình 3 như sau:

Khi nhấn nút Reset, áp vào TH lớn hơn 2Vcc/3, ngõ ra op-amp U2:A suất ra điện áp mức cao đưa vào ngõ vào R của RS Latch ( ngõ vào S thì vẫn mức 0 do không nhấn set), ngõ ra Q sẽ xuống mức thấp làm led gắn với nó tắt. Khi nhấn nút Set, áp vào TR nhỏ hơn Vcc/3, ngõ ra op-amp U2:B suất ra điện áp mức cao đưa vào ngõ vào S của RS Latch ( ngõ vào TH thì vẫn mức 0 do không nhấn Reset), ngõ ra Q sẽ lên mức cao làm led gắn với nó sáng

Hình 4

Ở hình 4, khi nhấn nút Set, áp vào TR nhỏ hơn Vcc/3 (vì mạch đã kín và TR được nối mass), ngõ ra op-amp U2:B suất ra điện áp mức cao đưa vào ngõ vào S của RS Latch ( ngõ vào R thì vẫn mức 1 do không nhấn Reset), ngõ ra Q sẽ lên mức cao làm led gắn với nó sáng. Khi nhấn nút Reset, R ở mức logic 0, ngõ ra bị reset về mức 0, led tắt

Video: Mô phỏng hoạt động mach song ổn

Mạch đơn ổn dùng IC 555

Hình 5

Bây giờ tôi sẽ giới thiệu sơ về mạch nạp xả RC. Áp dụng được mạch nạp xả RC ta có thể thiết kế được ta có thể thiết kế mạch duy trì tín hiệu điện áp và mạch định thời. Hãy nhìn vào hình 5, lúc mới cấp nguồn Vcc điện áp ở bản tụ C3 đã được nối với ngõ vào Threshold của op-amp U2:A sẽ được so sánh với mức áp 2Vcc/3, điện áp trên bản tụ sẽ tăng dần và dừng lại ở 1 giá trị điện áp xác định, lớn hơn 2Vcc/3 do tính chất nạp của tụ. Khi điện áp trên tụ C3 lớn hơn 2Vcc/3 thì op-amp thì ngõ ra sẽ về mức 0. Khi áp tại TR từ Vcc tụt xuống nhỏ hơn mức Vcc/3 do nhấn nút Set, từ đây ngõ ra được set lên mức 1, lúc này vì nhấn set nên mạch được nối kín về mass, tụ C3 không nạp nữa mà sẽ xả, xả về chân DC (discharge), đảm bảo cho việc 2 ngõ vào R, S của RS Latch không đồng thời ở mức 1 (trạng thái cấm của flip flop RS)

Mạch tạo dao động sử dụng IC 555:

Nhìn hình 6 kết hợp hình 1, ta sẽ giải thích nguyên lý của mạch hình 6:

Hình 6.

Khi cấp nguồn, tụ C5 sẽ nạp, trong suốt quá trình nạp từ 0V đến Vcc/3 thì ngõ ra sẽ ở mức 1, khi nạp quá mức điện áp 2Vcc/3 thì ngõ ra sẽ reset về mức 0, lúc này ta hãy nhìn hình 1, ngõ ra O/P của RS Latch đang ở mức 1 nên transistor sẽ dẫn (kín mạch) và dẫn thẳng xuống mass, tụ sẽ không được nạp nữa và nó sẽ xả qua chân DC (discharge) qua transistor và xuống mass, sau khi tụ giảm nhỏ hơn Vcc/3 thì ngõ ra Q lên lại mức 1, transistor ngắt do ngõ ra O/P mức 0, tụ lại nạp từ đầu, cứ như thế.

Thế nhưng trong mạch này thời gian ngõ ra được set lên 1 luôn lớn hơn thời gian ngõ ra được reset về 0

Hình 7.

Hình 7 còn được gọi là mạch tạo sóng vuông, 2 con diode D6 và D7 dùng để hiệu chỉnh sao cho thời gian set gần bằng thời gian reset: Ton = Toff

Mạch này còn có thể dùng để tạo và phát một nốt thanh nhạc bằng cách cài đặt sóng tần số ứng với mức tần số của thanh nhạc

Video mô tả dạng sóng ngõ ra: Ở đây

Mạch dao động ổn định tần dùng IC 555:

Với mạch đa hài (bất ổn) cơ bản, tỷ số hàm truyền sẽ không thể điều khiển được nếu không can thiệp đến tần số của mạch. Nhưng với dạng mạch như hình 8 thì điều này hoàn toàn khả thi, ta vẫn có thể duy trì một tần số làm việc ổn định mặc dù ta thay đổi chu kỳ làm việc của mạch. Nghĩa là Ton và Toff có thể thay đổi nhưng tần số vẫn giữ nguyên

Hình 8.

Mạch dao động biến tần PWM sử dụng IC 555:

Bằng cách tích hợp thêm một biến trở vào sơ đồ dao động ổn định tần ở trên, ta được 1 mạch dao động biến tần, tần số giờ đây có thể hiệu chỉnh hay thay đổi tuỳ ý. Biến trở được thêm vào can thiệp vào thời gian nạp lẫn thời gian xả của tụ C17 ở hình 9, thế nhưng nó lại không làm ảnh hưởng đến hệ số sử dụng của mạch. Sơ đồ mạch điện ở hình 9 còn được sử dụng làm bộ điều khiển tốc độ động cơ, bộ hiệu chỉnh độ sáng, ...thậm chí mạch còn được ứng dụng cho những động cơ chưa biết rõ tần số xác định của nó như động cơ DC. Biến trở được gắn thêm trong mạch trên không nên vặn ở mức cực đại, càng vặn về cực đại thì tần số càng cao, hệ số làm việc liên tục của mạch cũng bị thay đổi theo

Xem video Tại đây kết hợp với hình 9 để hiểu rõ hơn:

Hình 9

Mạch chuyển mạch tự động:

Mạch dao động đa hài có thể được sử dụng làm xung clock cho IC kỹ thuật số. Lấy ví dụ CD4017 là một IC đếm nhị phân. Khoảng thời gian của trạng thái mong muốn có thể được kéo dài thêm bằng cách sử dụng 2 diode mắc như hình 10. Điều này thường dùng cho việc phát sáng led. Bằng việc ứng dụng mạch biến tần ta có thể điều chỉnh tốc độ đếm của mạch trên. Số luợng các trạng thái ngõ ra có thể bị giới hạn bằng cách đưa trạng thái cuối cùng kết nối với chân MR

Video 

Hình 10.

Bộ dao động điều khiển điện áp:

Hình 11.

Chân CV là chân điều khiển điện áp so sánh, nếu nó không mắc với biển trở thì mặc định điện áp so sánh là 2Vcc/3, khi mắc với biến trở ta có thể hiệu chỉnh được điện áp so sánh. Điều này làm thay đổi thời gian set và reset ngõ ra, hay làm thay đổi chu kỳ dao động của mạch. Nếu điện thế điều khiển tăng thì khoảng thời gian dao động cũng tăng (chu kỳ tăng)

Mạch tạo tín hiệu đường dốc tuyến tính:

Hình 12.

Trên hình 12 là mạch dao động đa hài với chân DC được nối vào TH nhưng không nối qua trở, diều này khiến cho tụ C13 xả vô cùng nhanh tạo ra một dạng sóng ngõ ra có hình dạng gai nhọn

Khi điện áp trên tụ tăng, vì cách mắc mạch song song với các điện trở tại cực B của transistor nên chủ yếu điện áp nạp của tụ chủ yếu là 1 đường thẳng tuyến tính dốc lên

Mạch FSK dùng IC 555: (tạm hiểu nôm na là mạch điều chế số theo tần số tín hiệu)

Hình 13.

Với mạch dao động biến tần PWM ta có thể hiệu chỉnh tần số ngõ ra qua biến trở, nhưng nếu mắc mạch như hình 13 thì ta có thể hiệu chỉnh tần số ngõ ra bằng tín hiệu kỹ thuật số đưa vào ở ngõ vào Digital Input. Biến trở trong hình 13 có thể dùng để hiệu chỉnh chu kỳ của sóng ngõ ra, điều này được thực hiện cũng một phần nhờ sự hoạt động của transistor PNP

Mạch điều chỉnh độ rộng xung:

Hình 14.

Mạch dao động đơn ổn, với tín hiệu điều chế được đưa vào ngõ vào CV sẽ cho tín hiệu ngõ ra 1 xung điều chế phụ thuộc vào tín hiệu điều chế ở ngõ vào. Trong mạch này có một số nguyên tắc điều chế cần lưu ý, độ rộng xung không nên quá lớn so với độ rộng tín hiệu điều chế đưa vào CV, tần số của xung đưa vào TR phải lớn hơn rất nhiều so với tần số tín hiệu ngõ vào CV. Mạch mạch này sử dụng rộng rãi để thiết kế thiết bị biến tần. Ví dụ tần số đưa vào TR khoảng 20KHz, tín hiệu vào CV là tín hiệu hình sin. Đây chỉ là lý thuyết cơ bản, thực tế để tính mức tần số thích hợp phải tính toán rất nhiều để giảm sóng hài, điều chế ra độ lớn điện áp mong muốn