IC định thời 555 có thể được cấu hình hoạt động ở chế độ Monostable (một trạng thái ổn định) để tạo ra một bộ hẹn giờ chính xác với khoảng thời gian cố định, hoặc ở chế độ Bistable (hai trạng thái ổn định) để tạo ra một mạch chuyển đổi qua lại giữa hai trạng thái ổn định giống như mạch flip-flop. Tuy nhiên, IC định thời 555 cũng có thể kết nối ở chế độ Astable (không ổn định/phi ổn) để hoạt động như một mạch dao động tự kích – liên tục tạo ra xung vuông với độ ổn định cao. Tần số dao động ngõ ra có thể được điều chỉnh thông qua mạch RC bên ngoài gồm hai điện trở và một tụ điện.
Mạch dao động dùng IC 555 là một loại mạch dao động tích thoát (relaxation oscillator) có khả năng tạo ra dạng sóng (xung vuông) ngõ ra ổn định với tần số cố định lên đến 500kHz hoặc có thể điều chỉnh chu kỳ làm việc (duty cycle) thay đổi từ 50 đến 100%.
Trong khi mạch đơn ổn (monostable) chỉ tạo ra một xung duy nhất sau mỗi lần kích hoạt và sau đó chờ kích tiếp theo, thì để mạch dao động với IC 555 hoạt động như một mạch đa hài phi ổn (astable multivibrator), nó cần được tự động kích hoạt lặp lại sau mỗi chu kỳ định thời.
Việc kích hoạt lại này đạt được bằng cách nối chân kích hoạt (trigger – chân 2) và chân ngưỡng (threshold – chân 6) lại với nhau, cho phép IC hoạt động như một bộ dao động phi ổn. Do đó, mạch dao động dùng IC 555 không có trạng thái ổn định vì nó liên tục chuyển đổi từ trạng thái này sang trạng thái khác. Đồng thời, điện trở định thời đơn lẻ trong mạch đơn ổn đã được tách thành hai điện trở riêng biệt R1 và R2, với điểm nối được kết nối đến chân xả (discharge – chân 7) như hình bên dưới.
Việc tự kích này đạt được bằng cách nối chân kích hoạt (trigger – chân 2) và chân ngưỡng (threshold – chân 6) lại với nhau, cho phép IC liên tục chuyển đổi trạng thái và hoạt động như một bộ dao động. Do đó, mạch dao động dùng IC định thời 555 không có trạng thái ổn định, vì nó luôn tục chuyển từ mức thấp sang mức cao và ngược lại. Đồng thời, điện trở định thời duy nhất trong mạch đơn ổn được thay thế bằng hai điện trở riêng biệt R1 và R2, với điểm nối giữa chúng được kết nối đến chân xả (discharge – chân 7), như sơ đồ bên dưới.
Xem them bài viết: Mạch ứng dụng dùng IC 555 (Phần 1)
Mạch đa hài phi ổn cơ bản dùng IC định thời 555
Sơ đồ mạch
Trong mạch đa hài phi ổn sử dụng IC định thời 555 như trên, chân 2 (Trigger) và chân 6 (Threshold) được nối với nhau để cho phép mạch tự kích hoạt lại sau mỗi chu kỳ, giúp IC hoạt động như một bộ dao động tự do (free-running oscillator). Trong mỗi chu kỳ, tụ điện C được nạp điện qua cả hai điện trở định thời R1 và R2, nhưng chỉ xả điện qua R2, vì đầu còn lại của R2 được nối đến chân xả (Discharge – chân 7) của IC.
Hoạt động của mạch
Tụ điện C được nạp điện đến 2/3Vcc (ngưỡng điện áp trên của bộ so sánh) qua hai điện trở R1 và R2. Thời gian nạp điện này được xác định bởi công thức 0,693x(R1+R2)xC. Sau khi đạt đến 2/3Vcc, tụ sẽ bắt đầu xả điện xuống mức 1/3Vcc (ngưỡng điện áp dưới), nhưng chỉ qua điện trở R2. Thời gian xả điện của tụ được xác định bởi công thức 0,693xR2xC. Quá trình nạp và xả này diễn ra liên tục, tạo ra dạng sóng xung vuông tuần hoàn tại ngõ ra (chân 3) có biên độ gần bằng Vcc – 1,5V. Thời gian của mức “CAO” (ON) và “THẤP” (OFF) phụ thuộc vào giá trị của các linh kiện định thời là R1, R2 và C.
Do đó, các khoảng thời gian riêng biệt cần thiết để hoàn thành một chu kỳ xung (nạp và xả của tụ) ngõ ra được tính bằng các công thức như sau:
Thời gian tụ nạp điện:
TON = t1 = 0,693x(R1+R2)xC
Thời gian tụ xả điện:
TOFF = t2 = 0,693xR2xC
Trong đó, R tính bằng Ohm và C tính bằng Farad.
Khi mạch đa hài phi ổn dùng IC 555 hoạt động, tụ điện C sẽ liên tục được nạp và xả giữa hai mức điện áp 1/3Vcc và 2/3Vcc, cho đến khi nguồn điện bị ngắt.
Tương tự như mạch đơn ổn, các khoảng thời gian nạp và xả của tụ cũng như tần số dao động không bị ảnh hưởng bởi giá trị điện áp nguồn Vcc.
Do đó, thời gian của một chu kỳ dao động (T) được tính bằng tổng của thời gian nạp và thời gian xả:
T = t1+t2 = 0,693x(R1+2R2)xC
Tần số của xung vuông ngõ ra được tính bằng:
f = T = 1,44/[(R1+2R2)xC]
Thông qua việc thay đổi giá trị các điện trở và tụ điện, chu kỳ làm việc (Duty Cycle) của sóng ngõ ra có thể được điều chỉnh. Duty Cycle là tỉ lệ giữa thời gian ở mức “CAO” so với tổng chu kỳ, được xác định bởi công thức:
D = TON/(TOFF+TON) = [(R1+R2)/(R1+2R2)]%
Chu kỳ làm việc không có đơn vị vì nó là một tỷ lệ nhưng có thể được biểu thị bằng phần trăm (%). Ví dụ, nếu cả hai điện trở định thời R1 và R2 có giá trị bằng nhau, thì chu kỳ làm việc ngõ ra sẽ là D = (R + R)/(R + 2R) = 2R/3R = 2/3 (66%). Điều này nghĩa là ngõ ra sẽ ở mức CAO 2/3 chu kỳ (66%) và ở mức THẤP 1/3 (33%) chu kỳ.
Ví dụ về mạch đa hài đa hài dùng IC 555:
Một mạch đa hài phi ổn dùng IC 555 được xây dựng bằng các linh kiện sau: R1 = 1kΩ, R2 = 2kΩ và tụ điện C = 10μF. Hãy tính tần số của xung vuông ở ngõ ra của mạch và chu kỳ làm việc của dạng sóng ngõ ra.
t1 – thời gian nạp của tụ điện được tính như sau: t1 = 0,693(R1+R2).C = 0,693(1000+2000)×10×10−6 = 0.021s=21ms
t2 – thời gian xả của tụ điện được tính như sau: t2 = 0,693 R2.C =0,693×2000×10×10−6 = 0.014s = 14ms
Do đó, chu kỳ (T) của xung vuông được tính là: T = t1+t2 = 21ms+14ms = 35ms
Tần số của xung vuông ngõ ra được tính là: f = 1/T = 1/35ms = 28,6Hz
Chu kỳ làm việc là: Duty Cycle = (R1+2R2)R1+R2 = (1000+2×2000)1000+2000 = 0,6 or 60%
Vì tụ định thời C nạp qua các điện trở R1 và R2 nhưng chỉ xả qua điện trở R2 nên chu kỳ làm việc có thể thay đổi trong khoảng từ 50 đến 100% bằng cách thay đổi giá trị của điện trở R2. Bằng cách giảm giá trị của R2, chu kỳ làm việc tăng lên gần 100% và bằng cách tăng R2, chu kỳ làm việc giảm xuống gần 50%. Trong trường hợp điện trở R2 lớn hơn rất nhiều so với điện trở R1 thì tần số xung ở ngõ ra của mạch đa hài phi ổn dùng IC 555 sẽ chỉ được quyết định bởi R2×C (f ≈ 1,44/(2R2×C)).
Một nhược điểm của cấu hình đa hài phi ổn tiêu chuẩn này là không thể giảm chu kỳ làm việc xuống dưới 50%. Lý do là vì tụ luôn được nạp qua cả R1 và R2, nhưng chỉ xả qua R2, nên thời gian “ON” luôn dài hơn thời gian “OFF”.
Để khắc phục, có thể gắn một diode song song với R2 để tạo ra đường dẫn riêng cho dòng điện trong giai đoạn nạp, từ đó điều chỉnh thời gian “ON” và “OFF” linh hoạt hơn, như trong sơ đồ dưới đây.
Cải thiện chu kỳ làm việc của mạch đa hài phi ổn dùng IC 555.
Bằng cách bổ sung một diode D1 nối giữa chân kích (Trigger – chân 2) và chân xả (Discharge – chân 7), tụ điện C giờ đây sẽ được nạp điện trực tiếp chỉ thông qua điện trở R1, vì điện trở R2 bị mắc song song với D1 và do đó gần như bị nối tắt khi diode dẫn. Trong quá trình xả, tụ điện vẫn xả qua điện trở R2 như bình thường.
Để đảm bảo rằng trong giai đoạn nạp, dòng điện không chạy qua nhánh R2, ta có thể mắc thêm một diode D2 nối tiếp với R2. Trong giai đoạn nạp, diode D2 sẽ bị phân cực ngược, giúp chặn dòng điện qua nhánh này, buộc tụ C chỉ nạp qua R1 và diode D1.
Với sự thay đổi trong cách mắc mạch này, thời gian nạp tụ – trước đây là:
t1 = 0,693×(R1 + R2)×C
– giờ được rút gọn lại còn:
t1 = 0,693×R1×C
Tụ vẫn xả qua R2 như cũ, nên thời gian xả:
t2 = 0,693×R2×C
Từ đó, công thức tính chu kỳ làm việc (Duty Cycle) được điều chỉnh như sau:
D = t1/(t1 + t2) = R1/(R1 + R2)
Với cấu hình này, nếu muốn tạo dạng sóng có chu kỳ làm nhỏ hơn 50%, ta cần chọn điện trở R1 nhỏ hơn R2.
Mặc dù giải pháp sử dụng các diode D1 và D2 giúp giảm chu kỳ làm việc hiệu quả, tạo ra dạng sóng ngõ ra chính xác hơn khi tụ điện được nạp qua R1 và D1, rồi xả qua D2 và R2, nhưng nó lại tăng số lượng linh kiện cần thiết – cụ thể là thêm hai diode.
Tuy nhiên, chúng ta có thể cải tiến thêm phương pháp này và tạo ra một dạng sóng xung vuông với chu kỳ làm việc chính xác 50% mà không cần thêm bất kỳ diode nào, bằng cách di chuyển điện trở nạp R2 từ vị trí cũ sang kết nối trực tiếp với chân ngõ ra (chân 3) của IC 555, như được minh họa trong hình dưới đây.
Mạch đa hài phi ổn với chu kỳ làm việc 50%.
Mạch đa hài phi ổn giờ đây có thể tạo ra chu kỳ làm việc chính xác 50%, vì tụ điện C được nạp và xả qua cùng một điện trở R2, thay vì xả điện qua chân Discharge (chân 7) của IC như trong cấu hình truyền thống.
Khi ngõ ra của IC 555 ở mức CAO, tụ điện C bắt đầu nạp điện qua R2. Ngược lại, khi ngõ ra chuyển sang mức THẤP, tụ sẽ xả điện cũng qua cùng điện trở R2. Trong cấu hình này, điện trở R1 được mắc nối tiếp giữa nguồn Vcc và tụ C, đóng vai trò cung cấp dòng điện cần thiết để tụ có thể nạp đầy đến mức điện áp nguồn, nhưng không ảnh hưởng đến chu kỳ làm việc vì dòng qua R1 chỉ đi vào tụ và không tham gia vào đường xả.
Công thức tần số mới cho mạch đa hài phi ổn với chu kỳ làm việc 50% là:
f = 1/[0,69x(2R2)xC]
Lưu ý rằng, để đảm bảo tụ C có thể nạp đầy đủ và mạch duy trì được chu kỳ làm việc 50%, điện trở R1 cần được chọn đủ lớn để không làm ảnh hưởng đến quá trình nạp nhưng cũng không gây sụt áp lớn trên đường cấp.
Ngoài ra, giá trị của tụ điện C có ảnh hưởng trực tiếp đến tần số dao động của mạch. Việc tăng giá trị C sẽ làm giảm tần số dao động, và ngược lại – giảm giá trị C sẽ làm tăng tần số. Do đó, bạn có thể thay đổi tụ hoặc R2 để điều chỉnh chính xác tần số đầu ra phù hợp với yêu cầu ứng dụng.
Ứng dụng của mạch dao động đa hài phi ổn dùng IC định thời 555
Trong bài viết trước, tôi đã nói rằng dòng tải tối đa mà chân 3 của IC định thời 555 có thể nhận (sink) hoặc cấp (source) dòng là khoảng 200mA và giá trị này là quá đủ để điều khiển hoặc chuyển mạch các IC logic khác, một vài đèn LED hoặc một bóng đèn nhỏ, v.v. và chúng ta sẽ cần sử dụng một transistor lưỡng cực hoặc MOSFET để khuếch đại ngõ ra của 555 để điều khiển các tải có dòng lớn hơn như động cơ hoặc rơle.
Mạch dao động đa hài phi ổn sử dụng IC định thời 555 có thể được ứng dụng trong nhiều loại mạch tạo dạng sóng và thiết bị phát tín hiệu, đặc biệt phù hợp với các ứng dụng yêu cầu dòng ngõ ra thấp. Ví dụ, mạch này thường được sử dụng trong các thiết bị kiểm tra điện tử để tạo ra nhiều tần số ngõ ra khác nhau phục vụ mục đích kiểm tra.
IC 555 còn có thể được sử dụng để tạo dạng sóng sin, vuông hoặc xung chính xác, hoặc trong các mạch nhấp nháy đèn LED, điều chỉnh độ sáng, và tạo tiếng ồn hoặc hiệu ứng âm thanh, chẳng hạn như trong máy đánh nhịp (metronome), bộ phát âm thanh, thiết bị tạo hiệu ứng, hay thậm chí là đồ chơi âm nhạc cho dịp Giáng sinh.
Chúng ta có thể dễ dàng xây dựng một mạch dao động đa hài phi ổn đơn giản sử dụng IC định thời 555 để làm nhấp nháy đèn LED theo chu kỳ “SÁNG” và “TẮT”, tương tự như trong các mạch mẫu, hoặc để tạo ra tiếng ồn tần số cao thông qua loa.
Một ứng dụng khoa học thú vị và đơn giản khác của mạch này là máy đánh nhịp điện tử (Electronic Metronome) – thiết bị giúp đánh dấu thời gian trong bản nhạc bằng cách phát ra âm thanh lặp lại theo nhịp đều đặn.
Một máy đánh nhịp điện tử cơ bản có thể được xây dựng dễ dàng bằng cách sử dụng mạch dao động đa hài phi ổn với IC 555 làm bộ định thời chính. Bằng cách điều chỉnh tần số ngõ ra, chúng ta có thể thiết lập tốc độ đập nhịp, hay còn gọi là Beats per Minute (BPM).
Ví dụ, nếu cần tốc độ 60 BPM, thì mạch cần phát ra một xung mỗi giây, tương ứng với tần số 1 Hz trong thuật ngữ điện tử. Dựa trên các khái niệm nhịp độ phổ biến trong âm nhạc, chúng ta có thể dễ dàng xây dựg bảng chuyển đổi tần số tương ứng với BPM mong muốn cho mạch máy đánh nhịp, như minh họa trong bảng dưới đây.
Dải tần số ngõ ra của máy đánh nhịp điện tử có thể được xác định một cách đơn giản bằng cách lấy nghịch đảo của thời gian giữa các nhịp. Cụ thể, 60 giây chia cho số nhịp mỗi phút (BPM) sẽ cho ra chu kỳ, và nghịch đảo của chu kỳ này là tần số. Ví dụ: f = 1/(60/BPM); Với BPM = 90 → f = 1 / (60 / 90) = 1,5 Hz; Với BPM = 120 → f = 2 Hz.
Dựa trên phương trình quen thuộc đã đề cập ở trên dùng để tính tần số ngõ ra của mạch dao động đa hài phi ổn, ta có thể suy ra các giá trị cụ thể của R1, R2 và C để thiết lập đúng tần số mong muốn cho máy đánh nhịp.
Công thức tổng quát cho chu kỳ của dạng sóng đầu ra là:
T = t1 + t2 = 0,693×(R1 + 2R2)×C
Để áp dụng cho mạch máy đánh nhịp điện tử, ta có thể biến đổi lại công thức trên để tìm ra giá trị cần thiết của điện trở định thời R1:
R1 = (T/(0,693xC)) – 2R2
Ví dụ: Giả sử chọn sẵn các giá trị của điện trở R2=1kΩ và tụ điện C=10uF. Khi đó, để tạo ra một dải nhịp từ 60 đến 180 BPM, giá trị của điện trở R1 cần thiết sẽ nằm trong khoảng:
- Tại 60 BPM (tần số = 1 Hz, T = 1s):
R1 = (1 / (0,693 × 10×10⁻⁶)) – 2 × 1000 ≈ 144300Ω ≈ 142,3kΩ
- Tại 180 BPM (tần số = 3 Hz, T ≈ 0,333s):
R1 = (0,333 / (0,693 × 10×10⁻⁶)) – 2 × 1000 ≈ 48100Ω ≈ 46,1kΩ
Như vậy, để phủ toàn bộ dải BPM này, một biến trở (chiết áp) 150kΩ sẽ hoàn toàn phù hợp, cho phép người dùng điều chỉnh linh hoạt nhịp độ trong phạm vi yêu cầu và thậm chí mở rộng hơn nữa.
Do đó, mạch hoàn chỉnh cho máy đánh nhịp điện tử sử dụng IC 555 sẽ được thiết kế dựa trên các giá trị R2 = 1kΩ, C = 10μF và biến trở R1 = 150kΩ để dễ dàng điều chỉnh các mức BPM theo mong muốn.
Máy đánh nhịp điện tử dùng IC 555
Mạch máy đánh nhịp điện tử đơn giản này là một ví dụ điển hình minh họa cho một cách sử dụng cơ bản nhưng hiệu quả của bộ dao động 555 để tạo ra âm thanh hoặc nốt nhạc có thể nghe được. Trong mạch này, một chiết áp 150kΩ được sử dụng để điều chỉnh toàn bộ dải xung (hoặc nhịp BPM) ngõ ra. Nhờ có giá trị khá lớn (150kΩ), chiết áp có thể dễ dàng được hiệu chỉnh sao cho tỷ lệ phần trăm quay của núm điều chỉnh tương ứng gần đúng với nhịp mong muốn.
Ví dụ:60 BPM tương ứng với khoảng 142,3kΩ, tương đương với 95% vòng quay của chiết áp. 120 BPM tương ứng với khoảng 70,1kΩ, tương đương với 47% vòng quay. Và các giá trị BPM khác cũng có thể được suy ra tương tự.
Để tinh chỉnh chính xác dải điều khiển, có thể thêm các điện trở phụ hoặc biến trở chỉnh biên nối tiếp với chiết áp, nhằm thiết lập giới hạn tối đa và tối thiểu của tần số ngõ ra. Tuy nhiên, khi thêm các linh kiện bổ sung này, cần tính đến ảnh hưởng của chúng trong các phép tính tần số hoặc chu kỳ thời gian của mạch, để đảm bảo ngõ ra đúng theo thiết kế.
Dù mạch được trình bày ở đây chỉ là một ứng dụng đơn giản và thú vị để tạo ra âm thanh cơ bản, IC 555 hoàn toàn có thể được khai thác thêm như một bộ tạo hoặc tổng hợp âm thanh đa dạng, từ âm báo đơn giản đến hiệu ứng âm nhạc phức tạp. Bằng cách xây dựng mạch dao động với khả năng điều chỉnh tần số và chu kỳ làm việc (tỷ lệ đánh dấu/khoảng trống), ta có thể tạo ra các âm thanh biến thiên, âm điệu nhạc cụ hoặc tiếng còi báo động.
Trong ví dụ này, chúng ta chỉ sử dụng một IC 555 duy nhất để tạo ra âm thanh, nhưng hoàn toàn có thể kết hợp thêm các tầng dao động khác (sử dụng IC 555 thứ hai hoặc nhiều hơn) để tạo ra nhiều hiệu ứng âm thanh phong phú hơn. Một trong những ứng dụng thú vị như vậy là mô phỏng tiếng còi hú của xe cảnh sát, sẽ được minh họa trong ví dụ tiếp theo bên dưới.
Mạch còi hú của xe cảnh sát
Mạch này tái hiện âm thanh còi hú của xe cảnh sát bằng cách tạo ra một tín hiệu báo động dao động liên tục. Trong đó, IC1 đóng vai trò là bộ dao động chính, hoạt động ở chế độ đa hài phi ổn không đối xứng với tần số khoảng 2Hz. Tín hiệu ngõ ra từ IC1 được đưa đến IC2 thông qua một điện trở 10kΩ, dùng để điều biến tần số hoạt động của IC2 theo chu kỳ đều đặn.
Nhờ sự điều biến này, IC2 tạo ra một dạng sóng âm thanh có tần số thay đổi luân phiên giữa 300Hz và 660Hz, tạo hiệu ứng âm thanh “lên – xuống” đặc trưng của tiếng còi cảnh sát. Mỗi lần chuyển đổi giữa hai tần số mất khoảng 0,5 giây, tạo thành một chu kỳ âm thanh hoàn chỉnh được lặp lại liên tục, mô phỏng âm thanh còi báo động một cách sinh động và rõ ràng.
Tổng kết
IC định thời 555 là một trong những linh kiện điện tử linh hoạt và phổ biến nhất, đặc biệt trong các mạch tạo dao động, tạo xung và ứng dụng âm thanh. Qua các ví dụ và phân tích ở trên, chúng ta thấy rằng IC 555 không chỉ có khả năng hoạt động ở các chế độ đơn ổn (monostable), phi ổn (astable) và lưỡng ổn (bistable), mà còn dễ dàng kết hợp với các linh kiện đơn giản như điện trở, tụ điện và diode để tạo ra nhiều loại mạch chức năng khác nhau. Từ các mạch máy đánh nhịp điện tử, đèn nhấp nháy LED cho đến bộ phát âm thanh như còi hú cảnh sát, IC định thời 555 cho phép thiết kế mạch hiệu quả, tiết kiệm và dễ tùy biến.
Với đặc tính dễ sử dụng, giá thành thấp và khả năng ứng dụng rộng rãi trong cả học thuật lẫn thực tiễn, IC định thời 555 tiếp tục là lựa chọn lý tưởng cho các kỹ sư, học sinh, sinh viên và người đam mê điện tử trong việc nghiên cứu và phát triển các mạch điều khiển thời gian và tạo tín hiệu.
