Giới thiệu IC định thời 555

IC định thời 555 là một trong những IC phổ biến nhất và được sử dụng rộng rãi nhất. Nó là một mạch tích hợp linh hoạt và cực kỳ mạnh mẽ được sử dụng trong nhiều ứng dụng như bộ định thời, máy tạo sóng (xung) và bộ dao động.

IC 555, thường được gọi là bộ định thời 555, được phát triển bởi Hans Camenzind của Signetic Corporation vào năm 1971.

IC 555 được bán ra thị trường với 2 dòng sản phẩm: NE 555 và SE 555. Dòng sản phẩm NE 555 được sử dụng thương mại với dải nhiệt độ từ 0⁰C đến 70⁰C và dòng sản phẩm SE 555 được thiết kế để đáp ứng các tiêu chuẩn quân sự với dải nhiệt độ từ -55⁰C đến 125⁰C. IC 555 là một vi mạch nguyên khối và là IC định thời đầu tiên có mặt trên thị trường.

Đặc điểm

Một số đặc điểm quan trọng của bộ định thời 555 là:

• Bộ định thời 555 có thể hoạt động với điện áp nguồn từ 4.5 V đến 16 V.
• Nó có kiểu chân khác nhau: loại 8 chân hình tròn, loại 8 chân hình vuông và loại 14 chân.
• Thời gian định thời có thể từ micro giây đến hàng giờ.
• Nó có thể hoạt động trong cả hai chế độ phi ổn và đơn ổn.
• Dòng điện ngõ ra cao.
• Chu kỳ làm việc có thể điều chỉnh được.
• Nó tương thích với TTL do dòng điện ngõ ra cao.
• Ngõ ra có thể cung cấp cho tải một dòng điện 200mA theo kiểu sink hoặc source.
• Nó có nhiệt độ ổn định 0,005% mỗi ⁰C.

Các chế độ hoạt động của IC định thời 555

Nói chung, bộ định thời 555 có thể hoạt động ở một trong ba chế độ: Phi ổn (Astable), đơn ổn (Monostable hay one-shot) và lưỡng ổn (Bistable).

Chế độ phi ổn (Astable Mode)

Trong chế độ này, 555 hoạt động như một chế độ chạy tự do. Ngõ ra của mạch dao động đa hài phi ổn (Multivibrator Astable) sẽ liên tục chuyển đổi trạng thái giữa thấp và cao, do đó tạo ra một chuỗi xung, đó là lý do tại sao nó được biết như là máy phát xung.

Một ví dụ điển hình là máy phát sóng vuông chuẩn. Chúng được sử dụng như một biến tần và cũng được sử dụng trong nhiều phần bên trong của radio. Chọn một Thermistor như một điện trở định thời gian cho phép sử dụng IC 555 trong một cảm biến nhiệt độ.

Chế độ đơn ổn (Monostable Mode)

Trong chế độ đơn ổn mạch duy trì ở trạng thái ổn định cho đến khi có xung kích từ bên ngoài tác động vào mạch. Trong chế độ này, IC 555 hoạt động như một bộ tạo xung “one-shot”. Ứng dụng điển hình của mạch đơn ổn là tạo ra một khoảng thời gian trễ trong một hệ thống.

Các ứng dụng bao gồm: bộ định thời (timer), phát hiện xung bị thiếu, chống dội công tắc, công tắc cảm ứng cũng như bộ chia tần số, đo điện dung và điều chế độ rộng xung (PWM) và nhiều tính năng khác.

Chế độ lưỡng ổn (Bistable Mode)

Trong chế độ lưỡng ổn, IC 555 hoạt động như một flip-flop vì nó có hai trạng thái ổn định. Nó có thể được sử dụng để lưu trữ 1-bit dữ liệu. Tuy nhiên, IC 555 không phải là một lựa chọn tốt để thay thế cho flip-flop.

Cấu hình chân của IC 555

Hình dáng chân của IC 555 trong thực tế gồm loại 8 chân hình tròn (8-pin Metal Can Package), loại 8 chân hình vuông (8-pin Mini Dual in-line Package) và loại 14 chân (14-pin DIP). Loại 14 chân là IC 556, bao gồm hai bộ định thời 555.

Loại 8 chân hình vuông thường được sử dụng nhất. Sơ đồ chân IC định thời 555 của cả hai loại 8 chân được hiển thị ở hình bên dưới.

Tên và số của tất cả các chân cùng với các mô tả của chúng được lập bảng dưới đây.

Chân 1 – Ground (GND)

Chân này cho nối mass để lấy dòng cấp cho IC.

Chân 2 – Trigger (Ngõ vào xung kích)

Nó chịu trách nhiệm chuyển đổi SET và RESET của flip-flop. Biên độ của xung kích hoạt bên ngoài sẽ ảnh hưởng đến ngõ ra của bộ định thời. Ngõ ra lên mức cao và khoảng định thời bắt đầu khi ngõ vào tại chân kích kích hoạt giảm xuống dưới một nửa điện áp điều khiển (tức là 1/3 của VCC).

Chân 3 – Output 

Dạng sóng ngõ ra sẽ xuất hiện ở chân này. Điện áp ngõ ra nằm trong khoảng từ 1,7 V đến dưới VCC. Hai loại tải có thể được kết nối với ngõ ra. Một là tải tích cực mức cao, được kết nối giữa các chân 3 và 1 (GND) và một là tải kích cực mức thấp, được nối giữa các chân 3 và 8 (VCC).

Chân 4 – Reset 

Một xung âm tác động vào chân này sẽ vô hiệu hóa hoặc reset bộ định thời. Bộ định thời chỉ bắt đầu hoạt động khi điện áp trên chân này lớn hơn 0,7 V và do đó nó thường được kết nối với VCC khi không được sử dụng.

Chân 5 – Control Voltage (Điện áp điều khiển)

Nó điều khiển ngưỡng và mức kích hoạt và do đó điều khiển được thời gian định thời của 555. Độ rộng của xung ngõ ra được xác định bởi điện áp điều khiển. Điện áp ngõ ra có thể được điều chế bởi một điện áp bên ngoài được đưa vào chân này. Trong thực tế, chân này có thể không nối cũng được nhưng mà để giảm trừ nhiễu người ta thường nối chân số 5 xuống GND thông qua tụ điện từ 0.01uF đến 0.1uF các tụ này lọc nhiễu và giữ cho điện áp chuẩn được ổn định.

Chân 6 – Threshold (Ngưỡng)

Điện áp đặt vào chân này được so sánh với điện áp tham chiếu 2/3 VCC. Khi điện áp tại chân này lớn hơn 2/3 VCC, flip-flop bị RESET và ngõ ra chuyển từ Cao xuống Thấp.

Chân 7 – Discharge (Xả điện)

Chân này được kết nối với cực thu hở của transistor NPN bên trong để cho phép tụ định thời xả điện. Khi điện áp tại chân này đạt đến 2/3 VCC, ngõ ra sẽ chuyển từ Cao xuống Thấp.

Chân 8 – VCC 

Điện áp cung cấp trong phạm vi 4.5V đến 16V được cấp vào chân này.

Sơ đồ mạch bên trong IC 555 

Sơ đồ khối bên trong của bộ đếm thời gian 555 được hiển thị bên dưới. Nó bao gồm những thành phần sau đây:

• Hai bộ so sánh
• Một SR flip-flop
• Hai transistor
• Một mạng điện trở

Các bộ so sánh chính là các Op-Amp cơ bản. Bộ so sánh 1 so sánh điện áp ngưỡng với điện áp tham chiếu VCC 2/3. Tùy thuộc điện áp của chân 6 so với điện áp
chuẩn 2/3 VCC mà bộ so sánh 1 có điện áp mức cao hay thấp để làm tín hiệu R
(Reset) điều khiển flip-flop.

Bộ so sánh 2, cung cấp đầu vào S cho flip-flop, so sánh điện áp kích hoạt với điện áp tham chiếu VCC 1/3. Tùy thuộc điện áp của chân 2 so với điện áp chuẩn 1/3 VCC mà bộ so sánh 2 có điện áp mức cao hay thấp để làm tín hiệu S (Set) điều khiển flip-flop.

Mạng điện trở gồm ba điện trở sẽ hoạt động như một mạch chia điện áp. Giá trị của các điện trở này là 5KΩ. Ba điện trở 5K này chịu trách nhiệm về tên “IC 555”.

Trong số hai transistor, một transistor là transistor xả điện. Cực thu hở của transistor này được kết nối với chân xả điện (Chân 7) của IC. Tùy thuộc vào trạng thái ngõ ra của flip-flop mà transistor này dẫn bảo hòa hoặc tắt.

Khi transistor dẫn bão hòa, nó cung cấp một đường dẫn xả điện tới tụ điện được kết nối bên ngoài. Cực nền của transistor kia được kết nối với chân reset (Chân 4) để reset bộ định thời bất chấp trạng thái của các ngõ vào khác.

Hoạt động của IC định thời 555 

Ba điện trở 5KΩ tạo thành một mạng chia điện áp. Mạng này cung cấp hai điện áp tham chiếu tới hai bộ so sánh 2/3 VCC tới ngõ vào đảo của bộ so sánh trên (bộ so sánh 1) và 1/3 VCC tới ngõ vào không đảo của bộ so sánh dưới (bộ so sánh 2).

Ngõ vào đảo của bộ so sánh phía trên được kết nối với ngõ vào điều khiển. Thông thường, ngõ vào điều khiển không được sử dụng và được kết nối với 2/3VCC. Ngõ vào còn lại của bộ so sánh này là ngưỡng và đầu ra của nó được kết nối với ngõ vào R của flip-flop.

Khi điện áp ngưỡng lớn hơn 2/3 VCC (điện áp điều khiển), thì flip-flop bị RESET và ngõ ra xuống THẤP. Điều này sẽ làm cho transistor xả điện dẫn bảo hòa và cung cấp một đường dẫn xả điện cho bất kỳ tụ điện nào được kết nối bên ngoài.

Ngõ vào xung kích được kết nối với ngõ vào đảo của bộ so sánh bên dưới. Khi ngõ vào xung kích nhỏ hơn điện áp tham chiếu (1/3 VCC), ngõ ra của bộ so sánh bên dưới lên mức cao.

Điện áp mức cao ở ngõ ra bộ so sánh dưới nối với ngõ vào S của flip-flop và do đó flip-flop là SET và ngõ ra mức cao và khoảng định thời bắt đầu. Khi ngõ ra cao, transistor xả điện TẮT và cho phép sạc với bất kỳ tụ điện nào được kết nối với nó bên ngoài.

Do đó, để cho ngõ ra ở mức cao, ngõ vào kích hoạt phải nhỏ hơn điện áp tham chiếu trong giây lát. Ngõ ra ở mức thấp khi điện áp ngưỡng lớn hơn 2/3 VCC, flip-flop bị reset và làm cho ngõ ra xuống mức thấp.

Giới thiệu về thời hằng RC

Đáp ứng các yêu cầu về định thời là nhiệm vụ ưu tiên cao trong hầu hết các hoạt động. Ví dụ, quá trình gia nhiệt của kim loại hoặc vật liệu trong công nghiệp là thời gian hạn chế.

Do đó đáp ứng các yêu cầu thời gian cụ thể có thể đạt được bằng các mạch định thời.

Mạch định thời cơ bản được hiển thị bên dưới. Nó bao gồm một mạch nạp, một bộ so sánh và một ngõ ra.

Mạch sạc bao gồm một điện trở và một tụ điện. Khi một điện áp DC được đặt vào mạch RC, thời gian để tụ điện nạp đến giá trị đỉnh được điều khiển bởi điện trở.

Thời gian sạc tỷ lệ thuận với giá trị của điện trở. Tốc độ sạc của tụ điện trong mạch RC được gọi là hằng số thời gian hay thời hằng (Time constant).

Thời hằng RC, thường được gọi là Tau (được biểu diễn bằng ký hiệu τ), là hằng số thời gian của mạch RC là thời gian được tụ điện sạc qua điện trở khoảng 63,2% sự khác biệt giữa giá trị ban đầu và giá trị cuối cùng.

Nó cũng bằng với thời gian để tụ điện xả đến 36,8%. Hằng số thời gian của mạch RC bằng tích của R và C.

τ = RC

Như đã đề cập trước đó, khi ngõ vào kích hoạt giảm xuống dưới 1/3 VCC, ngõ ra của bộ định thời lên cao và khoảng thời gian ở mức cao này được xác định bởi hằng số thời gian RC.

Độ rộng xung và tần số ngõ ra của bộ định thời 555 được xác định theo hằng số thời gian RC.

Chọn lựa linh kiện cho mạch RC trong bộ định thời

Bộ định thời 555 có thể cung cấp độ trễ từ micro giây đến hàng giờ tùy thuộc vào giá trị của R và C trong mạch nạp. Do đó việc lựa chọn giá trị thích hợp cho điện trở và tụ điện rất quan trọng.

Khi bộ định thời 555 hoạt động ở chế độ phi ổn, thì nó yêu cầu một mạch RC bao gồm hai điện trở và một tụ điện. Và trong trường hợp hoạt động ở chế độ đơn ổn, mạch RC bao gồm một điện trở và một tụ điện.

Tụ điện định thời

Chọn tụ điện với dung lượng lớn sẽ là một vấn đề. Điều này là do các tụ điện phân có điện dung lớn thường có giới hạn dung sai rộng hơn. Vì vậy, giá trị thực tế và giá trị được đánh dấu có thể có sự khác biệt đáng kể.

Các tụ điện phân dung điện dung lớn sẽ có dòng điện rò rỉ cao có thể ảnh hưởng đến độ chính xác định thời khi tụ nạp điện. Khi lựa chọn tụ điện có dung lượng lớn và dòng rò thấp, tụ Tantan là một lựa chọn tốt hơn.

Không nên dùng các tụ điện phân có thông số định mức điện áp làm việc cao vì chúng không hoạt động hiệu quả khi hoạt động ở điện áp thấp hơn 10% so với điện áp định mức của chúng.

Do đó, nên chọn các tụ điện có điện áp làm việc lớn hơn VCC của bộ định thời 555.

Các tụ điện định thời có điện dung nhỏ hơn 100pF để tạo xung ngõ ra ngắn cũng có thể gây ra vấn đề.

Đối với các tụ điện có giá trị thấp như vậy, điện dung ký sinh xung quanh mạch có thể ảnh hưởng đến điện dung của tụ điện định thời.

Điện trở định thời

Khi vận hành bộ định thời 555 làm việc như một mạch dao động đa hài phi ổn, giá trị của điện trở định thời phải ít nhất là 1 KΩ. Nếu ý tưởng là xây dựng một mạch tiêu thụ điện năng thấp, thì tốt nhất là nên có các giá trị lớn cho các điện trở định thời.

Nhưng có một bất lợi trong việc lựa chọn điện trở có điện trở cao là chúng dẫn đến sự thiếu chính xác trong định thời. Để giảm thiểu sự không chính xác này, giá trị của điện trở định thời không được lớn hơn 1 MΩ.

Xung kích

Chân 2 trong bộ định thời 555 là ngõ vào kích hoạt. Khi ngõ vào kích hoạt xuống dưới điện áp tham chiếu, tức là 1/3 VCC, ngõ ra của bộ định thời sẽ ở mức cao và khoảng định thời bắt đầu.

Xung kích hoạt sẽ ngay lập tức xuống dưới điện áp tham chiếu và khoảng thời gian là quan trọng vì nó không nên dài hơn xung ngõ ra.

Các xung kích hoạt thường được xác định bằng một xung gai nhọn âm. Một mạch vi phân được tạo ra từ một tụ điện và một điện trở sẽ tạo ra hai xung gai nhọn đối xứng nhưng một diode được sử dụng để loại bỏ xung gai nhọn dương.

Độ rộng của xung được xác định bởi mạch vi phân (tức là nó phụ thuộc vào tụ điện và điện trở).

Ứng dụng

Kể từ khi giới thiệu IC 555 vào đầu những năm 70, nó đã được sử dụng trong nhiều mạch và ứng dụng của các nhà nghiên cứu cũng như những người có đam mê điện tử. Một số lĩnh vực quan trọng có ứng dụng bộ định thời 555 là:

• Phát xung
• Tạo trễ thời gian
• Định thời chính xác
• Định thời tuần tự
• Điều chế độ rộng xung (PWM)

Các ứng dụng điển hình của bộ định thời 555 có thể được phân biệt theo phương thức hoạt động. Tùy thuộc vào chế độ mà nó được vận hành tức là ở chế độ phi ổn hoặc ở chế độ đơn ổn, một số ứng dụng của bộ định thời 555 là:

• Bộ chia tần số
• Máy phát xung răng cưa
• Máy dò xung bị thiếu
• Điều chế vị trí xung
• Phát xung vuông
• Điều chế độ rộng xung
• Bộ dao động
• Tone Burst Generator
• Thiết bị cảnh báo tốc độ
• Bộ biến đổi điện áp DC – DC 
• Bộ chuyển đổi điện áp sang tuần số
• Low Cost Line Receiver
• Máy kiểm tra cáp