دائرة المؤقت 555: توزيع الدبابيس، أوضاع التشغيل، وتصميم الدوائر العملية

يقوم الدوائر المتكاملة ذات المؤقت 555 بتبديل مخرجه بناء على عتبة جهد - 1/3 VCC و2/3 VCC - يتم تحديدهما بواسطة مقسم مقاوم داخلي، بينما يتحكم ترانزستور التفريغ في دورات توقيت المكثف. يعمل بثلاثة أوضاع: مستقرا أحادي للنبضات الفردية، ومستقر للتذبذب المستمر، وثنائي المستقر للتثبيت عند إعادة ضبط الوضع. فيما يلي سأستعرض التثبيت البدبابيس، وحسابات التوقيت، والمشاكل التي رأيتها تعثر المصممين الذين يتعاملون معها كأداة دقيقة.

النقاط الرئيسية:

• ينخفض جهد عالي خرج 555 تحت الحمل لأن مرحلة القطب التوتيمي الداخلية لها قوة دفع محدودة؛ خطط لانخفاض 1.5-2 فولت عند 200 مللي أمبير.
• متغيرات CMOS (TLC555, ICM7555) تستهلك ميكروأمبير من التيار الهادئ مقابل 10-15 مللي أمبير في NE555 ثنائي القطب، لكن مرحلة الإخراج الأضعف غالبا ما تتطلب عاجزا للأحمال السعوية أو الحثية.
• تتدهور دقة التوقيت إلى أقل من 1 كيلو أوم أو أكثر من 10 ميغاأوم لأن تيارات إدخال الانحياز المقارن تبدأ في التأثير؛ ابق في نطاق 1 كيلو أوم إلى 1 ميغاأوم ما لم تحدد الجزء المحدد.
• تصفية الرقم 5 مع 10 nF ليست اختيارية في البيئات المزعجة - لقد قمت بتصحيح مخرجات PWM المتقطعة التي اختفت بمجرد دخول المكثف.
• الدوائر الأحادية المستقرة تعيد التشغيل بشكل غير متوقع إذا قمت بنبضة الدبوس 2 بينما لا يزال مكثف التوقيت مشحونا؛ تحقق دائما من وقت التعافي في ميزانيتك.

مؤشر الدوائر المتكاملة المؤقتة 555 والبنية الداخلية

يحتوي 555 على مقارنتين، وجهاز SR flip-flop، وترانزستور تفريغ، ومخزن إخراج. ثلاثة مقاومات بقوة 5 كيلو أوم على التوالي بين VCC والأرضي تولد جهودا مرجعية عند 2/3 VCC (المقارن العلوي) و1/3 VCC (المقارن السفلي). عندما يتجاوز الدبوس 6 (العتبة) 2/3 VCC، يعيد المقارن العلوي ضبط القفز، ويسحب الخرج LOW ويشغل ترانزستور التفريغ عند الدبوس 7. عندما ينخفض الدبوس 2 (الزناد) إلى أقل من 1/3 VCC، يقوم المقارن السفلي بضبط القفزة، مما يدفع الخرج إلى الأعلى ويفتح مسار التفريغ.

تعيينات التثبيت (حزمة DIP-8):

يجب ربط الدبوس 4 (إعادة الضبط) ب VCC إذا لم يستخدم. تركه عائما يدعو إلى التثبيت أو إعادة التعيين العشوائية من الالتقاط السعوي.

وضع الوضع الأحادي (جلسة واحدة)

يولد وضع الوضع الأحادي نبضة إخراج واحدة بعرض متحكم في كل مرة ينخفض فيها إدخال الزناد إلى أقل من 1/3 VCC. يشحن مكثف التوقيت C عبر المقاومة R باتجاه VCC. عندما يصل جهد المكثف إلى 2/3 VCC، يعيد مقارن العتبة ضبط المخرج، ويسحب ترانزستور التفريغ الدبوس 7 إلى الأرض، مما يفرغ C بسرعة عبر مقاومة التشبع الخاصة بالترانزستور (عادة 10-50 Ω للثنائي القطب، 100-300 Ω لنظام CMOS).

معادلة التوقيت:

t = 1.1 × R × C

هذا يفترض أن نبضة المحفز أقصر من نبضة الخرج وأن C يفرغ بالكامل بين المحفزات. عمليا، إذا أعدت التفعيل قبل أن تنخفض C إلى ما دون العتبة الأدنى، تبقى النتيجة مرتفعة وتمتد النبضة - مفيد للتأخيرات القابلة لإعادة التفعيل، لكنه يسبب مشكلة للتوقيت الدقيق.

متى تستخدم Monostable:

• مفاتيح ميكانيكية مرتدة (نبضة 10-50 مللي ثانية تمتص ارتداد التلامس).
• توليد نبضة إعادة ضبط نظيفة عند تشغيل الطاقة.
• إنشاء كاشف نبضات مفقودة عن طريق إعادة تفعيل كلب مراقبة أحادي المستقر؛ إذا توقف تدفق الإدخال، ينتهي وقت الإخراج الخارجي.

متى لا تستخدمه:

إذا كنت بحاجة إلى نبضات أقل من الميكروثانية، يصبح تأخير انتشار المقارن (عادة 100-300 نانوثانية) ووقت استعادة الترانزستور التفريغ كبيرا. بوابة منطقية أسرع أو مقارنة ستكون أكثر قابلية للتنبؤ.

وضع المذبذب المستقر (التشغيل الحر)

ينتج الوضع المستقر موجة مربعة مستمرة مع تردد ودورة عمل يتم التحكم بها بواسطة مقاومتين (R1، R2) ومكثف C. يشحن المكثف عبر R1 + R2 حتى يصل إلى 2/3 VCC، ثم يفرغ عبر R2 حتى ينخفض إلى 1/3 VCC. لأن مسار الشحن يشمل كلا المقاومتين ومسار التفريغ فقط R2، فإن زمن HIGH دائما أطول من الوقت المنخفض إلا إذا أضفت صمام توجيه.

معادلات التوقيت (مستقرة ومستقرة):

t_HIGH = 0.693 × (R1 + R2) × C
t_LOW = 0.693 × R2 × C
التردد = 1.44 / [(R1 + 2×R2) × C]
دورة العمل = (R1 + R2) / (R1 + 2×R2)

الحد الأدنى لدورة العمل هو 50٪ عندما يكون R1 = 0، لكن يجب أن يبقى R1 فوق ~1 كيلو أوم للحد من تيار التفريغ-الترانزستور. بالنسبة لدورات العمل التي تقل عن 50٪، ضع دايود (1N4148 أو ما يشابه) بالتوازي مع R2، كاثود باتجاه الدبوس 7. ثم يشحن المكثف عبر R1 ويصرف عبر R2 بالإضافة إلى هبوط الصمام الأمامي (~0.7 فولت)، مما يؤدي إلى فصل ثوابت الشحنة ووقت التفريغ.

سلوك ملاحظ في أقصى الحالات:

• أقل من 1 هرتز: استخدم مكثفات توقيت كهربائية؛ تحقق من دقة التردد المنخفض لأن تيار التسرب في المكثف وتيار انحياز المدخل (عشرات النانو أمبير للثنائي القطب، والبيكوأمبير لCMOS) يبدأ في التأثير.
• فوق 100 كيلوهرتز: تأخير انتشار المقارن ووقت الارتفاع/الانخفاض في الناتج يخلقان الحواف. للحصول على ساعات نظيفة عالية التردد، انتقل إلى CMOS 555 أو دائرة متكاملة مخصصة للمذبذب.

وضع الثنائي التوازن (القفز)

يستخدم وضع التثبيت المزدوج 555 كقفل لإعادة الضبط (set reset lockch). الدبوس 2 (الزناد) يضبط المخرج على HIGH، والدبوس 4 (إعادة الضبط) يجبره على LOW. الدبوس 6 (العتبة) مؤرض، والدبوس 7 (التفريغ) مفتوح، وتم تجاوز الدبوس 5 كالمعتاد. يحافظ المخرج على حالته حتى يتم نبضة المدخل المعاكس.

لقد استخدمت هذا الوضع مرة واحدة فقط - في نموذج أولي حيث نفدت مني الشباشب وكان لدي 555 احتياطي. يعمل، لكن 74HC74 أو أي GPIO من وحدات التحكم الدقيقة يقوم بنفس الوظيفة مع طاقة أقل وبدون مشاكل في مقارنات الهيستريسيس.

اختيار مكونات توقيت RC

تعتمد دقة التوقيت في دائرة 555 على تحمل المكونات والثبات البيئي أكثر من الدقة الداخلية للدائرة المتكاملة. عتبات المقارن تتبع VCC، لذا فإن تموج التغذية يعدل التوقيت مباشرة. مستويات العتبة تحدد بواسطة مقاومات ذات تحمل ~20٪ في الأجزاء ثنائية القطب القديمة، وأكثر إحكاما في نسخ CMOS الحديثة، لكن R وC الخارجيين يهيمنان على الخطأ الكلي.

اختيار المقاومين:

• ابق بين 1 كيلو أوم و1 ميغاأوم. أقل من 1 كيلو أوم، تتجاوز تصنيف تيار ترانزستور التصريف (عادة 200 مللي أمبير كحد أقصى). فوق 10 ميغاأوم، يؤدي تيار انحياز الإدخال وتسرب الدائرة إلى انحراف التوقيت.
• استخدم مقاومات معدنية ب 1٪ إذا كانت دقة التوقيت مهمة. مقاومات الأغشية الكربونية تتغير مع درجة الحرارة والعمر.

اختيار المكثفات:

• ل t < 1 مللي ثانية: استخدم مكثفات السيراميك (عازل C0G/NP0) أو مكثفات فيلم. السيراميك X7R وY5V له معاملات جهد ودرجة حرارة يمكنها تغيير التوقيت بنسبة 10-20٪.
• لمدة 1 مللي ثانية < t < 1 ثانية: توفر مكثفات الأفلام البوليسترية أو البولي بروبيلين توقيتا مستقرا. - ل t > 1 ثانية: إلكتروليتات منخفضة التسرب أو مكثفات فائقة. تحقق من أن تيار التسرب أقل من 1 ميكروأمبير للحصول على تأخيرات طويلة وموثوقة.

يجب أن يكون الدبوس 5 دائما يحتوي على مكثف خزفي 10 نانوفاراد إلى الأرضي. رأيت أن مولدات 555 تتغير التردد من خلال تبديل مصدر الطاقة لأن هذا المكثف تم حذفه لتوفير خمسة سنتات.

ثنائي القطب مقابل CMOS 555: عندما يكون كل منهما منطقيا

ثنائي القطب (NE555, LM555, SE555):

• تيار هادئ: 10-15 مللي أمبير (VCC = 15 فولت)، 3-6 مللي أمبير (VCC = 5 فولت).
• محرك الإخراج: 200 مللي أمبير مصدر وحوض نموذجي؛ يمكنه تشغيل المرحلات الصغيرة أو المحركات أو عدة مصابيح LED مباشرة.
• نطاق الإمداد: 4.5-16 فولت.
• استخدم عندما تحتاج إلى محرك خرج قوي، أو لا تهتم بالطاقة الاحتياطية، أو عندما يكون لديك مصدر طاقة 12 فولت بالفعل.

CMOS (TLC555, LMC555, ICM7555):

• تيار هادئ: <100 ميكروأمبير عند 5 فولت، وغالبا أقل من 10 ميكروأمبير.
• محرك الإخراج: 10-100 مللي أمبير حسب القطعة؛ قد يحتاج إلى ترانزستور مخزن مؤقت للأحمال الحثية أو السعوية.
• نطاق الإمداد: 2-18 فولت (بعض الأجزاء انخفضت إلى 1.2 فولت).
• الاستخدام في التصاميم التي تعمل بالبطاريات، أو أنظمة الجهد المنخفض، أو أي تطبيق يجب أن يبقى فيه تيار التزويد أقل من 1 مللي أمبير.

انتقلت إلى TLC555 في مشروع يعمل بالطاقة الشمسية بعد أن اكتشفت أن NE555 وحده يستهلك طاقة أكثر من بقية الدائرة مجتمعة. انخفض محرك الإخراج من 200 مللي أمبير إلى 50 مللي أمبير، لذا أضفت ملف MOSFET 2N7002 لتبديل الحمل - ومع ذلك كان ذلك مكسبا صافيا للطاقة.

أعطال وإصلاحات الدوائر الشائعة

الإخراج عال في الارتفاع:
يتم تثبيت الدبوس 2 منخفضا، إما بسبب قصر كهربائي، أو فشل مصدر الزناد، أو عدم مقاومة السحب للأعلى. تأكد من أن جهد الدبوس 2 فوق 1/3 VCC عند الخمول.

الإخراج عالق منخفض:
الدبوس 4 (إعادة الضبط) مؤرض أو يطفو بالقرب من الأرض. اربطها ب VCC عبر مقاومة 10 كيلو أوم إذا لم تستخدم بنشاط.

لا يوجد اهتزاز في الوضع المستقر:
تحقق من أن الدبوس 2 والدبوس 6 متصلان معا وعلى مكثف التوقيت. أثر مكسور هنا غير مرئي لكنه قاتل. وتحقق أيضا من عدم تبديل R1 و R2 - يجب أن يتصل R2 بين الدبوس 7 والمكثف.

انحراف التردد أو التذبذب:
عادة ما يكون الفصل سيئا. أضف مكثفا سيراميكيا بقوة 100 nF بالقرب قدر الإمكان من الدبوس 8 والدبوس 1. إذا كان 555 يشترك في سكة إمداد مع محرك أو مرحل، أضف إلكتروليتي بقوة 10 ميكروفاراد بالتوازي. فقدان مكثف التجاوز في الدبوس 5 يسبب هذا أيضا.

إعادة التفعيل العشوائية:
ضوضاء على الرمز 2. أضف مقاومة سحب بقوة 10 كيلو أوم ومكثف 100 نانوفاراد من الدبوس 2 إلى الأرضي. إذا كان مصدر الزناد له أسلاك طويلة، استخدم كابل محمي أو مقاومة تسلسلية (1 كيلو أوم-10 كيلو أوم) عند الدبوس مباشرة للحد من معدل الميلان.

انخفاض جهد الخرج تحت الحمل:
خرج ثنائي القطب 555 HIGH ينخفض 1.5-2 فولت تحت VCC عند 200 مللي أمبير. إذا كنت بحاجة إلى وصول المخرج إلى VCC، قم بتثبيته بترانزستور PNP (الباعث إلى VCC، القاعدة إلى الدبوس 3 عبر مقاومة 1 كيلو أوم، المجمع إلى الحمل). قطع CMOS لديها انخفاض تشبع أقل لكن قدرة تيار أقل بكثير.

تطبيقات عملية تتجاوز وميض مصابيح LED

التحكم في سرعة محرك PWM:
استخدم وضع التثبيت مع ديود عبر R2 لجعل دورة العمل أقل من 50٪، ثم غير R1 باستخدام مقاوم للقدرات. المخرج يشغل بوابة MOSFET (مع مقاومة سلسلة 100 Ω لمقاومة الرنين الرطب). يعمل حتى ~10 كيلوهرتز قبل أن تسيطر خسائر التبديل على الجهاز؛ وفوق ذلك، فكر في دائرة تحكم PWM مخصصة.

كاشف النبضات المفقود:
قم بتكوين التثبيت الأحادي مع t أطول قليلا من فترة النبضة المتوقعة. أعد التفعيل عند كل نبضة واردة. إذا فاتت نبضة، ينتهي وقت الإخراج، مما يشير إلى وجود عطل. استخدمت هذا لاكتشاف أعطال المشفر في نظام ناقل - رخيص وفعال وقابل للتفسير للفنيين.

تأخير تشغيل الطاقة:
يتم تفعيل السطح الأحادي بواسطة ارتفاع VCC عبر تفاضل RC. يحافظ على مستوى الخرج منخفضا لفترة محددة بعد التشغيل، مما يمنح الدوائر الأخرى وقتا للاستقرار قبل تمكين مرحلة المرحل أو الطاقة.

مقسم التردد:
شغل جهاز أحادي التثبيت من ساعة واردة. إذا كانت فترة الاستقرار الأحادي أطول من دورة ساعة واحدة وأقصر من دورتين، فإن المخرج يقسم تردد الإدخال. ليس دقيقا - تأخير الانتشار يضيف التذبذب - لكنه مقبول للتطبيقات غير الحرجة مثل وميضات LED أو أصوات الإنذار.

555 مؤقت الدوائر العائلية والبحث

الجدول أدناه يسرد أرقام قطع المصنع التي طلبتها شخصيا أو رأيتها على قوائم التصنيع التي عملت دون مفاجآت. هذا ليس تأييدا - تحقق من أوراق البيانات الحالية والتوفر.

بدائل ثنائية القطب المتوافقة مباشرة مع الدبابيس: NE555، LM555، SE555، KA555، MC1455. إذا كنت تستبدل قطعة ثنائية القطب ب CMOS، تحقق مرتين من تيار المحرك الخارج وتأكد من أن الحمل لا يتجاوز الحد الجديد.

الأفكار النهائية

تم إنتاج 555 منذ عام 1971، ولا يزال يشحن بكميات قد تجعل الدوائر المتكاملة الحديثة تغار. ليست أداة دقيقة - جهد العتبة يتغير بنسبة 5-10٪ عبر درجة الحرارة والإمداد، ومكونات التوقيت تضيف تكديس تحملها الخاص - لكن عندما تحتاج إلى مؤقت بسيط بشريحة واحدة يمكن لأي شخص حلها باستخدام جهاز قياس متعدد، فإن 555 يحقق ذلك. للحصول على دقة توقيت أفضل من 1٪، أو إذا كنت تحتاج إلى أكثر من فترتين توقيتين، سيكون استخدام متحكم دقيق مع مؤقتات عتادية أسهل وأرخص. بالنسبة لمولد نبضات لمرة واحدة أو حل بقيمة 0.50 دولار يعمل عند عودة الطاقة، يبقى 555 صعب التفوق عليه.