Tạo Dao Động với IC 555: Một Bộ Tạo Dao Động Đa Năng

Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu về mạch tạo dao động, hay còn được gọi là mạch dao động tự do. Đây là một loại mạch có thể được thiết kế bằng cách sử dụng các thành phần khác nhau. Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu về cách thiết kế một bộ tạo dao động sử dụng IC 555.

Nếu bạn đang tự hỏi về các ứng dụng thực tế của mạch đa năng, hãy xem qua một số ví dụ. Một trong những ứng dụng phổ biến nhất là tạo độ trễ thời gian. Ví dụ, nếu bạn muốn bật một đèn trong 1 giây và tắt sau 0,5 giây, bạn cần một bộ tạo dao động.

Trong mạch dao động này, không cần bất kỳ tín hiệu ngoại vi nào để thay đổi trạng thái đầu ra. Do đó, mạch này được gọi là mạch dao động tự do. Trước khi thực hiện mạch, hãy chắc chắn rằng IC 555 của bạn hoạt động bình thường.

Sơ Đồ Khối của Bộ Tạo Dao Động Sử Dụng IC 555

Một bộ tạo dao động có thể được thiết kế bằng cách thêm hai điện trở (RA và RB trong sơ đồ) và một tụ điện (C trong sơ đồ) vào IC 555. Giá trị của hai điện trở và tụ điện này được chọn sao cho đạt được thời gian mong muốn ‘ON’ và ‘OFF’ tại đầu ra (chân 3). Vì vậy, thời gian ON và OFF ở đầu ra phụ thuộc vào các giá trị của RA, RB và C. Hãy cùng tìm hiểu thêm về cách thiết kế thông qua phần giải thích dưới đây.

Lưu ý: Tụ điện C2 (0,01uF) được kết nối với chân số 5 (chân 5 – cực điện áp điều khiển) thực ra không cần thiết. Tụ điện này được sử dụng để tránh các vấn đề nhiễu có thể xảy ra trong mạch nếu chân đó bị hở.

Sơ đồ khối của bộ tạo dao động

Trước khi đi vào phần giải thích nguyên lý hoạt động, hãy xem kỹ dạng sóng đầu ra và dạng sóng của tụ C trong quá trình nạp và xả như sau:

Dạng sóng đầu ra và dạng sóng của tụ C

Chức năng cơ bản của mạch tạo dao động là chuyển đổi trạng thái đầu ra (từ CAO sang THẤP và từ THẤP sang CAO) theo các khoảng thời gian mong muốn, mà không cần sự can thiệp từ bên ngoài. Điều này được đạt được bằng cách điều chỉnh cực xả (chân 7) của IC 555 thông qua một tụ điện (C). Bên trong IC 555, chân 7 được kết nối với chân đế của transistor, mà sau đó được kết nối trực tiếp với đầu ra (đầu không đảo ngược – Q) của flip flop RS. Lưu ý rằng Vout (chân 3 – đầu ra của IC 555) lấy từ đầu ra đảo ngược của Q của flip flop. Do đó, khi Q (không đảo ngược) ở mức CAO, Vout sẽ ở mức THẤP và khi Q ở mức THẤP, Vout sẽ ở mức CAO.

Bây giờ, hãy cùng đi vào chi tiết về cách tự động chuyển đổi trạng thái từ CAO sang THẤP và ngược lại tại đầu ra Vout thông qua tụ C kết nối với chân 7.

Sơ đồ khối của bộ tạo dao động 555

Sơ đồ khối của bộ định thời 555 được hiển thị ở trên. Mạch bao gồm hai bộ so sánh (tương đương với 2 op-amp), một flip-flop R-S, hai transistor và mạng điện trở.

Mạng điện trở bao gồm ba điện trở bằng nhau (mỗi điện trở có giá trị 5K Ohms) và hoạt động như một bộ chia điện áp. Lưu ý rằng mạng điện trở được thiết kế để tạo ra điện áp ở cực đảo của Bộ so sánh 1 là 2 / 3Vcc và điện áp ở cực không đảo của Bộ so sánh 2 là 1 / 3Vcc.

Bộ so sánh 1 – so sánh điện áp ngưỡng (ở chân 6) với điện áp tham chiếu + 2/3 VCC.

Bộ so sánh 2 – so sánh điện áp kích hoạt (ở chân 2) với điện áp tham chiếu + 1/3 VCC.

Giả sử mạch được cấp nguồn và trạng thái ban đầu của đầu ra lên không đảo ngược – Q là THẤP. Khi Q ở mức THẤP, Vout sẽ ở mức CAO (được gọi là Đầu ra Hẹn giờ). Bạn có thể nhận thấy rằng Q được kết nối trực tiếp với cực đế của transistor (tại chân xả). Vì vậy, khi Q ở mức THẤP, transistor sẽ ở trạng thái cắt (TẮT). Trong trạng thái này, tụ C được kết nối trực tiếp với nguồn điện VCC thông qua điện trở RA và RB. Do đó, tụ sẽ bắt đầu nạp dần đến điện áp cung cấp VCC và thời gian nạp sẽ được xác định bởi giá trị RA và RB là (RA + RB) * C. Tụ điện sẽ nạp dần lên điện áp VCC và điện áp ngưỡng (điện áp trên chân 6) của IC 555 sẽ tăng. Khi tụ nạp đến 2 / 3 VCC, điện áp ngưỡng sẽ vượt qua ngưỡng 2 / 3 VCC, và điều này sẽ làm cho đầu ra của op-amp (Bộ so sánh 1) ở mức CAO (lưu ý rằng điện áp tham chiếu tại chân đó là 2 / 3 VCC). Vì đầu ra của op-amp (Bộ so sánh 1) được kết nối với cổng SET của flip-flop RS, flip-flop sẽ được kích hoạt và đầu ra Q (không đảo ngược) của flip-flop sẽ chuyển sang mức CAO. Bạn có nhận ra điều này? Nhớ lại rằng chúng ta đã bắt đầu giải thích bằng cách giả sử Q ban đầu ở mức THẤP. Kết quả là, tự động chuyển đổi từ THẤP sang CAO được thực hiện thông qua quá trình nạp của tụ. Khi Q chuyển sang mức CAO, Vout sẽ tự động chuyển sang mức THẤP.

Khi Q ở mức CAO, transistor tại chân 7 (cực xả) sẽ được BẬT và transistor sẽ bị bão hòa. Khi transistor bị bão hòa, chân 7 (cực phóng điện) sẽ đóng vai trò là mặt đất cho tụ điện. Kết quả là, một đường dẫn mới xuất hiện để tụ xả từ mức 2 / 3 VCC xuống 0 volt. Tụ điện sẽ bắt đầu xả thông qua đường dẫn mới (qua RB) và điều này dẫn đến giảm điện áp kích hoạt (chân 2) của IC 555. Thời gian xả được xác định bởi giá trị RB * C. Khi tụ xả xuống dưới 1 / 3 VCC, điện áp kích hoạt (điện áp tham chiếu tại chân 2) sẽ lên mức 1 / 3 VCC, và đầu ra của op-amp (Bộ so sánh 2) sẽ ở mức CAO. Vì đầu ra của op-amp (Bộ so sánh 2) được kết nối với cổng RESET của flip-flop SR, đầu ra Q (không đảo ngược) của flip-flop sẽ chuyển từ mức CAO sang mức THẤP. Khi Q chuyển sang mức THẤP, Vout sẽ tự động chuyển sang mức CAO. Quá trình chuyển đổi tự động từ CAO sang THẤP và từ THẤP sang CAO được thực hiện trong bộ đa năng ổn định. Đây là chu kỳ lặp lại của mạch.

Chúng ta đã thành công trong việc giải thích cách một bộ tạo dao động đa năng sử dụng IC 555 hoạt động. Bạn có thể thấy dạng sóng đầu ra trong các sơ đồ đã được đưa ra ở trên. Hai tham số quan trọng mà bạn cần hiểu từ đầu ra của bộ tạo dao động là thời gian BẬT (THIGH) và thời gian TẮT (TLOW).

Thời gian BẬT – là thời gian mà đầu ra Vout của bộ đếm thời gian ở trạng thái CAO. Chúng ta ghi nhận giá trị này với THIGH.

Thời gian TẮT – là thời gian mà đầu ra Vout của bộ đếm thời gian ở trạng thái THẤP. Chúng ta ghi nhận giá trị này với TLOW.

Thời gian BẬT và thời gian TẮT phụ thuộc vào giá trị của RA, RB và C. Vì vậy, chúng ta có thể đạt được thời gian BẬT và thời gian TẮT mong muốn ở đầu ra bằng cách tính toán đúng giá trị của RA, RB và C.

Nguyên tắc thiết kế bộ tạo dao động với IC 555

Thời gian mà tụ C nạp lên từ 1/3 VCC đến 2/3 VCC là thời gian đầu ra ở trạng thái CAO và được tính theo công thức: THIGH = 0.693 (RA + RB) C, trong đó RA và RB có đơn vị là Ohms và C có đơn vị là Fara.

Thời gian mà tụ C xả xuống từ +2/3 VCC đến +1/3 VCC là thời gian đầu ra ở trạng thái THẤP và được tính theo công thức: TLOW = 0.693 RB C, trong đó RB có đơn vị là Ohms và C có đơn vị là Fara.

Tổng chu kỳ của mạch dao động T = THIGH + TLOW = 0.693 (RA + 2RB) C.

Tần số dao động là nghịch đảo của chu kỳ T: f = 1 / T = 1.44 / (RA + 2RB) C.

Điều quan trọng là tần số dao động không phụ thuộc vào nguồn áp VCC.

Thường thì, chu kỳ hoạt động được sử dụng cùng với mạch tạo dao động. Chu kỳ hoạt động, được tính dựa trên thời gian THIGH trong tổng thời gian T, được tính theo công thức sau: % chu kỳ hoạt động D = THIGH / T 100 = (RA + RB) / (RA+ 2RB) 100.

Từ công thức trên, ta nhận thấy để có được dạng sóng vuông (với chu kỳ hoạt động 50%), ta cần có RA = 0. Tuy nhiên, việc rút ngắn RA về 0 có một rủi ro. Với RA = 0 ohm, chân 7 sẽ được kết nối trực tiếp với +VCC. Trong quá trình xả của tụ qua RB và transistor, một dòng điện phụ sẽ được cung cấp thêm cho transistor. Điều này có thể gây hỏng bóng bán dẫn và làm cho bộ đếm thời gian không hoạt động.

Chúng ta đã hoàn thành việc giải thích cách mạch tạo dao động đa năng sử dụng IC 555 hoạt động. Hi vọng rằng bạn đã hiểu được nguyên lý cơ bản và cách thiết kế bộ tạo dao động này.