Mạch ứng dụng dùng IC 555 là một trong những lựa chọn phổ biến và hiệu quả nhất để tạo ra các dạng sóng vuông, xung định thời và mạch dao động nhờ thiết kế đơn giản, dễ sử dụng và chi phí thấp.
Thay vì sử dụng các linh kiện rời để xây dựng các mạch đa hài, người thiết kế mạch có thể tận dụng IC 555 – một IC chuyên dụng đã trở thành tiêu chuẩn trong ngành điện tử – để thực hiện các chức năng định thời và dao động một cách chính xác chỉ với vài linh kiện phụ trợ như điện trở và tụ điện.
IC 555 lần đầu ra mắt từ thời kỳ đầu của công nghệ vi mạch, nhưng đến nay vẫn rất thông dụng trong cả học thuật và thực tế. Tên gọi “555” bắt nguồn từ ba điện trở nội 5kΩ được tích hợp bên trong chip, dùng để thiết lập mức điện áp tham chiếu cho hai bộ so sánh (comparator). IC này có thể hoạt động ở ba chế độ khác nhau: Chế độ đơn ổn (monostable) để tạo xung đơn hay thời gian trễ, chế độ lưỡng ổn (bistable) để hoạt động như một flip-flop, và chế độ phi ổn (astable) để tạo ra chuỗi xung vuông liên tục.
Với độ bền cao, kích thước nhỏ gọn, khả năng hoạt động ổn định và giá thành rẻ, IC 555 rất được ưa chuộng trong các mạch ứng dụng như: bộ đếm thời gian, mạch tạo xung, đèn nháy LED, còi báo động, mạch chia tần số, tạo âm thanh, mạch cấp nguồn xung và nhiều ứng dụng logic khác. Trong các ứng dụng phi ổn, IC 555 có thể tạo ra xung vuông với chu kỳ làm việc có thể điều chỉnh từ 50% đến 100% và tần số lên đến 500kHz.
Bên trong IC 555 bao gồm khoảng 25 transistor, 2 diode và 16 điện trở được bố trí để tạo thành hai bộ so sánh, một flip-flop SR và tầng khuếch đại ngõ ra có khả năng cấp dòng lớn. Ngoài phiên bản đơn 555, còn có NE556 – một IC tích hợp hai bộ 555 trong một IC có 14 chân, hoặc các phiên bản tiết kiệm điện như 7555, LMC555 dùng transistor MOSFET thay cho loại transistor lưỡng cực truyền thống.
Xem thêm bài viết: Giới thiệu IC định thời 555
Sơ đồ khối của IC 555
Hình bên dưới cho thấy cấu trúc bên trong của IC 555 thường được sử dụng để minh họa cách hoạt động của các chân kết nối, giúp người học và kỹ sư điện tử hiểu rõ hơn về nguyên lý vận hành cũng như khả năng ứng dụng đa dạng của con IC “huyền thoại” này.
Chân 1 – Ground (GND): Chân nối đất, kết nối IC 555 với cực âm (0V) của nguồn cung cấp.
Chân 2 – Trigger (Kích hoạt): Là ngõ vào âm của bộ so sánh số 1. Một xung âm tại chân này sẽ “kích hoạt” mạch Flip-flop bên trong khi điện áp giảm xuống dưới 1/3Vcc, khiến ngõ ra chuyển từ mức “THẤP” (Low) sang mức “CAO” (High).
Chân 3 – Output (Ngõ ra): Chân ngõ ra có thể điều khiển bất kỳ mạch TTL nào và có khả năng cấp hoặc hút dòng lên đến 200mA với điện áp ngõ ra xấp xỉ bằng Vcc – 1.5V. Vì vậy, có thể kết nối trực tiếp loa nhỏ, đèn LED hoặc động cơ nhỏ vào chân này.
Chân 4 – Reset (Đặt lại): Dùng để “reset” Flip-flop bên trong điều khiển trạng thái của ngõ ra tại chân 3. Đây là ngõ vào tích cực mức thấp (active-low), và thường được nối với mức logic “1” khi không sử dụng, để tránh việc reset ngoài ý muốn.
Chân 5 – Control Voltage (Điện áp điều khiển): Chân này điều khiển thời gian hoạt động của IC 555 bằng cách ghi đè mức 2/3Vcc của mạch chia điện áp bên trong. Bằng cách cấp một điện áp vào chân này, có thể điều chỉnh độ rộng của xung ngõ ra một cách độc lập với mạng định thời RC. Khi không sử dụng, chân này nên được nối đất thông qua tụ 10nF để loại bỏ nhiễu.
Chân 6 – Threshold (Ngưỡng): Là ngõ vào dương của bộ so sánh số 2. Chân này được dùng để reset Flip-flop khi điện áp đặt vào nó vượt quá 2/3Vcc, khiến ngõ ra chuyển từ mức “CAO” (High) sang mức “THẤP” (Low). Chân này được kết nối trực tiếp với mạch định thời RC.
Chân 7 – Discharge (Xả): Chân xả được nối trực tiếp với cực Collector của một transistor NPN bên trong IC, dùng để tụ định thời “xả” điện xuống đất khi ngõ ra tại chân 3 chuyển về mức “THẤP” (Low).
Chân 8 – Supply +Vcc (Nguồn dương): Là chân cấp nguồn cho IC, với điện áp hoạt động đối với các IC 555 loại TTL phổ thông nằm trong khoảng 4.5V đến 15V.
Tên gọi IC định thời 555 xuất phát từ thực tế là bên trong IC có ba điện trở 5kΩ được nối với nhau tạo thành một mạng phân áp giữa nguồn cấp tại chân 8 và mass tại chân 1. Điện áp trên mạng điện trở mắc nối tiếp này giữ ngõ vào đảo (âm) của bộ so sánh số 2 ở mức 2/3Vcc và ngõ vào không đảo (dương) của bộ so sánh số 1 ở mức 1/3Vcc.
Hai bộ so sánh này tạo ra điện áp ngõ ra phụ thuộc vào sự chênh lệch điện áp tại các ngõ vào của chúng, mà sự chênh lệch này được xác định bởi quá trình nạp và xả của mạng RC kết nối bên ngoài. Ngõ ra của cả hai bộ so sánh đều được nối tới hai ngõ vào của flip-flop, từ đó tạo ra mức ngõ ra “CAO” hoặc “THẤP” tại ngõ ra /Q, dựa trên trạng thái của các ngõ vào này. Ngõ ra từ flip-flop được dùng để điều khiển một tầng công suất chuyển mạch ngõ ra, nhằm dẫn động tải được kết nối, tạo ra mức điện áp “CAO” hoặc “THẤP” tại chân ngõ ra (chân số 3).
Ứng dụng phổ biến nhất của IC định thời 555 là làm bộ dao động phi ổn (astable oscillator) đơn giản, bằng cách nối hai điện trở và một tụ điện qua các chân của nó để tạo ra một chuỗi xung cố định với chu kỳ được xác định bởi hằng số thời gian của mạng RC. Tuy nhiên, IC 555 cũng có thể được mắc theo nhiều cách khác nhau để tạo ra các mạch đa hài đơn ổn (Monostable) hoặc đa hài lưỡng ổn (Bistable), cũng như mạch đa hài phi ổn (Astable Multivibrator) phổ biến.
Mạch dao động đa hài đơn ổn dùng IC 555
Nguyên lý hoạt động và trạng thái ngõ ra của mạch đa hài đơn ổn (monostable multivibrator) sử dụng IC 555 hoàn toàn giống với mạch sử dụng transistor. Điểm khác nhau là hai transistor đã được thay thế bằng linh kiện IC 555. Hãy xem xét mạch đơn ổn sử dụng IC 555 dưới đây.
Sơ đồ mạch điện
Hoạt động của mạch
Khi chân số 2 của IC 555 được tích cực mức thấp (chuyển từ mức cao xuống mức thấp) thì bộ so sánh bên trong (bộ so sánh số 1) sẽ phát hiện sự thay đổi trạng thái này và làm cho flip-flop hoạt động ở trạng thái “Set”, ngõ ra của flip-flop chuyển từ trạng thái “THẤP” sang trạng thái “CAO”. Hành động này đồng thời làm “TẮT” transistor xả được nối với chân 7, nhờ đó loại bỏ hiện tượng nối tắt qua tụ điện định thời C1 bên ngoài.
Việc này cho phép tụ điện định thời C1 bắt đầu nạp điện qua điện trở R1 cho đến khi điện áp trên tụ đạt đến mức điện áp ngưỡng (chân 6) là 2/3Vcc, được thiết lập bởi mạng phân áp bên trong.
Tại thời điểm này, ngõ ra của bộ so sánh chuyển sang mức “CAO” và “Reset” flip-flop về trạng thái ban đầu, đồng thời bật transistor và xả tụ điện về mass qua chân 7. Điều này khiến ngõ ra trở lại trạng thái ổn định ban đầu là “THẤP”, chờ một xung kích hoạt khác để bắt đầu lại quá trình định thời. Như vậy, mạch đa hài đơn ổn (Monostable Multivibrator) chỉ có “MỘT” trạng thái ổn định duy nhất.
Mạch dao động đa hài đơn ổn sử dụng IC 555 được kích hoạt bởi một xung áp âm vào chân 2 và xung kích hoạt này phải ngắn hơn rất nhiều so với độ rộng xung ngõ ra nhằm đảm bảo tụ điện định thời có đủ thời gian để nạp và xả hoàn toàn.
Khi đã được kích hoạt, IC 555 ở chế độ đơn ổn sẽ duy trì trạng thái đầu ra “CAO” (không ổn định) cho đến khi khoảng thời gian do mạng R1 x C1 thiết lập kết thúc. Khoảng thời gian mà điện áp đầu ra giữ ở mức “CAO” hoặc mức logic “1” được xác định bởi hằng số thời gian theo công thức sau.
t = 1,1.R1.C1
Ví dụ:
Một mạch đơn ổn (monostable) sử dụng IC 555 cần tạo ra độ trễ thời gian nhất định. Nếu sử dụng tụ điện định thời 10μF, hãy tính giá trị điện trở cần thiết để tạo độ trễ ở ngõ ra tối thiểu 500ms.
Giải:
500ms tương đương 0,5 giây. Bằng cách biến đổi công thức t = 1,1.R.C, ta tính được giá trị điện trở R: R = t/(1,1.C) = 0.5/(1,1.10.10−6) ≈ 45.5kΩ.
Giá trị điện trở tính toán để đạt hằng số thời gian 500ms là 45,5kΩ.
- Tuy nhiên, 45,5kΩ không phải là giá trị chuẩn. Do đó, chọn điện trở chuẩn gần nhất là 47kΩ, độ trễ thời gian theo tính toán là 517ms.
- Nếu sai số 17ms (500ms – 517ms) không chấp nhận được thì có thể dùng 2 điện trở mắc nối tiếp để điều chỉnh chính xác độ rộng xung hoặc thay đổi giá trị tụ điện định thời.
Lưu ý khi thiết kế:
- Với độ trễ lớn (hàng chục giây), tránh dùng tụ điện có giá trị cao vì chúng cồng kềnh, đắt tiền, và sai số lớn (ví dụ: ±20%).
- Giải pháp thay thế: Dùng tụ điện nhỏ kết hợp điện trở lớn (lên đến ~20MΩ) để tạo độ trễ.
- Có thể kết hợp tụ điện nhỏ với nhiều điện trở khác nhau qua công tắc xoay đa vị trí để tạo các độ rộng xung khác nhau, như minh họa trong mạch đơn ổn 555 dưới đây.
Mạch đơn ổn thay đổi được độ rộng xung
Chúng ta có thể tự tính toán giá trị của R và C cho từng linh kiện cần thiết như đã làm trong ví dụ trên. Tuy nhiên, việc lựa chọn các linh kiện để đạt được độ trễ thời gian mong muốn đòi hỏi chúng ta phải tính toán với các đơn vị như kilô-ohm (KΩ), mêga-ohm (MΩ), microfarad (μF) hoặc picofarad (pF), rất dễ dẫn đến kết quả độ trễ bị sai lệch lên tới hàng chục hoặc thậm chí hàng trăm lần.
Chúng ta có thể đơn giản hóa việc này bằng cách sử dụng một loại biểu đồ gọi là “Nomograph” như hình bên dưới, giúp xác định độ rộng xung ngõ ra dự kiến của mạch đa hài đơn ổn với các tổ hợp giá trị khác nhau của R và C như hình sau:
Vì vậy, bằng cách chọn các giá trị phù hợp của C và R trong khoảng từ 0,001μF đến 100μF và từ 1kΩ đến 10MΩ tương ứng, chúng ta có thể đọc trực tiếp độ rộng xung ngõ ra dự kiến từ biểu đồ nomograph, từ đó loại bỏ được các sai số trong quá trình tính toán.
Trong thực tế, giá trị của điện trở định thời cho mạch đơn ổn 555 không nên nhỏ hơn 1kΩ hoặc lớn hơn 20MΩ.
Bên cạnh cấu hình mạch đơn ổn (monostable) tạo một xung đơn đã đề cập ở trên, chúng ta cũng có thể tạo ra mạch lưỡng ổn (bistable – hai trạng thái ổn định) với hoạt động và ngõ ra tương tự như mạch sử dụng transistor.
Mạch lưỡng ổn là một trong những mạch đơn giản nhất mà chúng ta có thể xây dựng bằng cách sử dụng IC định thời 555. Cấu hình mạch lưỡng ổn này không sử dụng bất kỳ mạng RC định thời nào để tạo ra dạng sóng ngõ ra, do đó không cần phải dùng công thức để tính toán chu kỳ thời gian của mạch.
Hãy xem xét mạch dao động đa hài lưỡng ổn (Bistable Multivibrator) dùng IC định thời 555 dưới đây.
Việc chuyển đổi trạng thái của dạng sóng ngõ ra được thực hiện bằng cách điều khiển các chân ngõ vào trigger (kích hoạt) và reset (đặt lại) của IC 555, vốn được giữ ở mức “CAO” nhờ hai điện trở kéo lên R1 và R2. Khi ngõ vào trigger (chân 2) được đưa xuống mức “THẤP” (công tắc ở vị trí set), trạng thái ngõ ra sẽ chuyển sang mức “CAO”. Ngược lại, khi đưa ngõ vào reset (chân 4) xuống mức “THẤP” (công tắc ở vị trí reset), trạng thái ngõ ra sẽ chuyển về mức “THẤP”.
Mạch ứng dụng dùng IC 555 này sẽ duy trì ở bất kỳ trạng thái nào trong hai trạng thái đó vô thời hạn, do đó nó được gọi là mạch lưỡng ổn (bistable). Như vậy, mạch lưỡng ổn ở cả hai trạng thái “CAO” và “THẤP”. Ngõ vào threshold (chân 6) được nối xuống mass để đảm bảo rằng nó không thể reset mạch lưỡng ổn như trong các ứng dụng định thời thông thường.
Ngõ ra của IC định thời 555
Ngõ ra (chân 3) của IC 555 tiêu chuẩn hoặc IC 556 có khả năng hút dòng (sink) hoặc cấp dòng (source) cho tải với dòng điện tối đa lên tới 200mA, đủ để điều khiển trực tiếp các thiết bị ngõ ra như rơ-le, đèn sợi đốt, LED, động cơ hoặc loa,… với sự hỗ trợ của điện trở nối tiếp hoặc diode bảo vệ.
Khả năng vừa hút dòng, vừa cấp dòng của IC 555 có nghĩa là thiết bị ngõ ra có thể được kết nối giữa chân ngõ ra của IC 555 và nguồn cấp để hút dòng tải, hoặc giữa chân ngõ ra và mass để cấp dòng tải. Điều này được giải thích qua 2 mạch sau đây:
Trong mạch đầu tiên bên trái ở trên, LED được kết nối giữa nguồn dương (+Vcc) và chân ngõ ra số 3. Điều này có nghĩa dòng điện sẽ “hút” (sink) vào chân ngõ ra của IC 555, và LED sẽ sáng khi đầu ra ở mức thấp.
Mạch thứ hai bên phảicho thấy LED được kết nối giữa chân ngõ ra số 3 và mass (0V). Trong trường hợp này, dòng điện sẽ “cấp” (source) ra từ chân ngõ ra của IC 555, và LED sẽ sáng khi ngõ ra ở mức cao.
Khả năng vừa hút, vừa cấp dòng tải của IC 555 cho phép kết nối cả hai đèn LED cùng lúc vào chân ngõ ra, nhưng tại một thời điểm chỉ có một LED sáng tùy thuộc vào trạng thái ngõ ra là mức cao hay mức thấp. Ví dụ minh họa bên dưới cho thấy hai LED sẽ luân phiên sáng/tắt theo trạng thái ngõ ra. Điện trở R được dùng để giới hạn dòng qua LED dưới 20mA.
Như đã đề cập, dòng tải tối đa mà chân 3 có thể hút/cấp dòng là 200mA ở điện áp nguồn cực đại, đủ để điều khiển trực tiếp các IC logic, LED hoặc đèn công suất nhỏ.
Nếu cần điều khiển thiết bị công suất lớn hơn như động cơ, nam châm điện, rơ-le hoặc loa, chúng ta cần sử dụng một transistor để khuếch đại tín hiệu ngõ ra của IC 555, nhằm cung cấp đủ công suất cho tải.
Trong hai ví dụ trên, transistor có thể được thay thế bằng MOSFET công suất hoặc transistor Darlington nếu dòng tải lớn.
Khi sử dụng tải cảm ứng như động cơ, rơ-le hoặc nam châm điện, cần mắc song song một diode flyback trực tiếp với hai đầu tải để hấp thụ điện áp ngược (back EMF) sinh ra khi thiết bị thay đổi trạng thái.
