IC 555 poate fi folosit pentru a crea un oscilator astabil liber în funcționare pentru a produce continuu impulsuri de undă pătrate.

IC 555 Timer poate fi conectat fie în modul său monostabil producând astfel un cronometru de precizie cu o durată de timp fixă sau în modul său bistabil pentru a produce o acțiune de comutare de tip flip-flop. Dar, de asemenea, putem conecta IC 555 Timer într-un mod astabil pentru a produce un circuit 555 Oscilator foarte stabil pentru a genera forme de undă cu rulare liberă extrem de precise, a căror frecvență de ieșire poate fi reglată cu ajutorul unui circuit rezervor RC conectat extern, compus din doar două rezistoare și un condensator.

555 Oscillator este un alt tip de oscilator de relaxare pentru generare forme de undă de ieșire pătrate stabilizate fie de o frecvență fixă de până la 500 kHz sau de diferite cicluri de sarcină de la 50 la 100%. În tutorialul precedent 555 Timer am văzut că circuitul monostabil produce un singur impuls one-shot de ieșire când este declanșat pe intrarea de Trigger la pinul 2.

În timp ce circuitul monostabil 555 se oprește după un timp prestabilit de așteptare pentru ca următorul impuls de declanșare să-l pornească din nou, pentru ca Oscilatorul 555 să funcționeze ca un astabil, este necesar să se re-declanșeze continuu IC 555 după fiecare ciclu.

Această re-declanșare se realizează prin conectarea împreună a intrării Trigger (pinul 2) și a intrării Threshold -prag- (pinul 6), permițând astfel dispozitivului să acționeze ca un oscilator astabil. Atunci, Oscilatorul 555 nu are stări stabile, deoarece comută continuu de la o stare la alta. De asemenea, singurul rezistor de temporizare al circuitului monostabil anterior a fost împărțit în două rezistoare separate R1 și R2 cu joncțiunea lor conectate la intrarea de descărcare (pinul 7), după cum se arată mai jos.

Circuitul oscilatorului astabil 555

În circuitul 555 Oscillator de mai sus, pinul 2 și pinul 6 sunt conectate împreună, permițând circuitului să re-declanșeze din nou pe fiecare ciclu, permițându-i să funcționeze ca un oscilator cu rulare liberă. Pe durata fiecărui ciclu, condensatorul C se încarcă prin ambele rezistoare de temporizare R1 și R2, dar se descarcă numai prin rezistorul R2 deoarece cealaltă parte a lui R2 este conectat la terminalul de descărcare, pinul 7.

Atunci, condensatorul se încarcă până la 2/3 Vcc (limita superioară a comparatorului) care este determinată de combinația 0,693 (R1 + R2)C și se descarcă singur până la 1/3 Vcc (limita inferioară a comparatorului) determinată de 0,693 (R2*C). Aceasta are ca rezultat o formă de undă de ieșire al cărei nivel de tensiune este aproximativ egal cu Vcc-1,5V și ale căror perioade de timp de ieșire "ON" și "OFF" sunt determinate de combinațiile condensator și rezistoare. Perioadele individuale necesare pentru completarea unui ciclu de încărcare și descărcare a ieșirii sunt așadar date ca:

Timpii de încărcare și descărcare ai oscilatorului astabil 555

t₁ = 0,693 (R₁ + R₂).C

și

t₂ = 0,693 x R₂ x C

unde R este în Ω și C în Farazi.

Când este conectat ca un multivibrator astabil, ieșirea din 555 Oscillator va continua la nesfârșit încărcarea și descărcarea între 2/3 Vcc și 1/3 Vcc până când se îndepărtează sursa de alimentare. Ca și în cazul multivibratorului monostabil, acești timpi de încărcare și descărcare și, prin urmare, frecvența sunt independenți de tensiunea de alimentare.

Durata unui ciclu de timing complet este, prin urmare, egală cu suma celor doi timpi individuali în care încărcările și descărcările condensatorului sunt adunați împreună și este dată de:

Durata de ciclu a oscilatorului 555

T = t₁ + t₂ = 0,693 (R₁ + 2R₂).C

Frecvența de ieșire a oscilațiilor poate fi găsită prin inversarea ecuației de mai sus pentru timpul total al ciclului, dând o ecuație finală pentru frecvența de ieșire a unui Astable 555 Oscillator ca:

Ecuația frecvenței oscilatorului 555

Prin modificarea constantei de timp a unei singure combinații RC, ciclul de sarcină cunoscut mai bine ca raportul "Mark-to-Space" al formei de undă de ieșire poate fi setat cu precizie și este dat ca raportul rezistorului R2 la rezistorul R1. Ciclul de sarcină al Oscilatorului 555, care este raportul dintre timpul "ON" și timpul "OFF", este dat de:

Ciclul de sarcină al oscilatorului 555

Ciclul de sarcină nu are unități deoarece este un raport, dar poate fi exprimat ca procent (%). Dacă ambele rezistoare de temporizare R1 și R2 sunt egale în valoare, atunci ciclul de sarcină al ieșirii va fi 2:1, adică 66% timp ON și 33% timp OFF în raport cu perioada.

Oscilatorul 555. Exemplul nr. 1

Un Oscilator astabil 555 este construit folosind următoarele componente: R1 = 1 kΩ, R2 = 2 kΩ și C = 10 μF. Calculați frecvența de ieșire de la oscilatorul 555 și ciclul de sarcină al formei de undă de ieșire.

t1 - timpul "ON" de încărcare a condensatorului se calculează după cum urmează:

t₁ = 0,693(R₁ + R₂).C

= 0,693 x (1000 + 2000)x10x10^-6 = 0,021 s = 21 ms

t2 - timpul "OFF" de descărcare a condensatorului se calculează astfel:

t₂ = 0,693R₂.C

= 0,693 x 2000x10x10^-6 = 0,014 s = 14 ms

În consecință, timpul total al perioadei (T) se calculează astfel:

T = t₁ + t₂ = 21 ms + 14 ms = 35 ms

Frecvența de ieșire ƒ este așadar dată ca:

oferind o valoare a ciclului de sarcină de:

Deoarece condensatorul de temporizare C se încarcă prin rezistoarele R1 și R2, dar se descarcă numai prin rezistorul R2, ciclul de sarcină al ieșirii poate fi variat între 50 și 100% prin schimbarea valorii rezistorului R2. Prin scăderea valorii R2, ciclul de sarcină crește spre 100%, iar prin creșterea R2, ciclul de sarcină se reduce la 50%. Dacă rezistorul R2 este foarte mare relativ la rezistorul R1 frecvența de ieșire a circuitului astabil 555 va fi determinată numai de R2 xC.

Problema cu această configurație de oscilator 555 astabil este că ciclul de sarcină, raportul "mark-to-space" nu va trece niciodată sub 50%, deoarece prezența rezistorului R2 previne acest lucru. Cu alte cuvinte, nu putem face timpul „ON“ la ieșiri mai scurt decât timpul „OFF“, deoarece (R1+ R2)C va fi întotdeauna mai mare decât valoarea lui R1 x C. O modalitate de a depăși această problemă este de a conecta o diodă de bypass a semnalului în paralel cu rezistorul R2, după cum se arată mai jos.

Ciclul de sarcină al oscilatorului 555 îmbunătățit

Prin conectarea acestei diode D1 între intrarea Trigger și intrarea Discharge, condensatorul de temporizare se va încărca acum direct prin intermediul rezistorului R1, deoarece rezistorul R2 este efectiv scurtcircuitat de diodă. Condensatorul se descarcă normal prin rezistorul R2.

O diodă suplimentară D2 poate fi conectată în serie cu rezistorul de descărcare R2, dacă este necesar, pentru a se asigura că condensatorul de temporizare se va încărca numai prin D1 și nu pe calea paralelă R2. Acest lucru se datorează faptului că, în timpul procesului de încărcare, dioda D2 este conectată în polarizare inversă, blocând fluxul de curent prin ea însăși.

Acum, timpul de încărcare anterior t1 = 0,693 (R1+ R2)C este modificat pentru a ține seama de acest nou circuit de încărcare și este dat ca: 0,693 (R1 x C). Prin urmare, ciclul de sarcină este dat de D = R1/(R1+ R2). Atunci, pentru a genera un ciclu de sarcină mai mic de 50%, rezistorul R1 trebuie să fie mai mic decât rezistorul R2.

Deși circuitul anterior îmbunătățește ciclul de sarcină al formei de undă de ieșire prin încărcarea condensatorului de temporizare C1 prin combinația R1 + D1 și apoi descărcarea prin combinația D2 + R2, problema cu acest aranjament de circuit este aceea că circuitul oscilatorului 555 folosește componente suplimentare, adică două diode.

Putem îmbunătăți această idee și vom produce o formă de undă pătrată fixă, cu un ciclu de sarcină exact de 50%, foarte ușor și fără necesitatea unor diode suplimentare, prin simpla mutare a poziției rezistorului de încărcare R2 la ieșire (pinul 3), cum se arată.

Oscilator astabil cu ciclu de sarcină 50%

Oscilatorul 555 produce acum un ciclu de sarcină de 50%, deoarece condensatorul de temporizare C1 se încarcă și se descarcă acum prin același rezistor R2, în loc să se descarce prin pinul 7 de descărcare al timerului ca mai înainte. Când ieșirea de la oscilatorul 555 este HIGH, condensatorul se încarcă prin R2 și când ieșirea este LOW, se descarcă prin R2. Rezistorul R1 este utilizat pentru a se asigura că condensatorul se încarcă complet la aceeași valoare ca și tensiunea de alimentare.

Dar, deoarece condensatorul se încarcă și se descarcă prin același rezistor, ecuația de mai sus pentru frecvența de ieșire a oscilațiilor trebuie să fie modificată puțin pentru a reflecta această schimbare de circuit. Atunci, noua ecuație pentru Oscilatorul 555 astabil 50% este dată de:

Ecuația frecvenței pentru ciclul de sarcină 50%

Rețineți că rezistența R1 trebuie să fie suficient de ridicată pentru a se asigura că nu interferează cu încărcarea condensatorului pentru a produce ciclul de sarcină de 50% necesar. De asemenea, modificând valoarea condensatorului de temporizare C1 se modifică frecvența de oscilație a circuitului astabil.

Aplicații ale oscilatorului 555

Am spus anterior că ieșirea maximă fie pentru curentul de sarcină sink sau source prin pinul 3 este de aproximativ 200 mA și această valoare este mai mult decât suficientă pentru a comanda sau comuta alte IC-uri logice, câteva LED-uri sau o lampă mică etc. și că ar trebui să utilizați un tranzistor bipolar sau MOSFET pentru a amplifica ieșirea 555 pentru a acționa sarcini mai mari de curent, cum ar fi motor sau relee.

Dar 555 Oscillator poate fi utilizat într-o gamă largă de circuite și aplicații generator de undă care necesită un curent foarte mic de ieșire, cum ar fi în echipamente electronice de testare pentru producerea unei game întregi de diferite frecvențe de testare de ieșire.

555 poate fi de asemenea utilizat pentru a produce forme de undă sinusoidale, pătrate și pulsate foarte precise sau ca blițuri cu LED sau lămpi și dimmer-e la circuite de făcut zgomot simple cum ar fi metronom, generatoare de tonuri și efecte sonore și chiar jucării muzicale pentru Crăciun.

Am putea construi cu ușurință un simplu circuit oscilator 555 care să comande câteva LED-uri "ON" și "OFF" similar cu unul afișat sau să producă un zgomot de înaltă frecvență de la un difuzor. Dar un proiect foarte frumos și simplu de construit, utilizând un oscilator 555 bazat pe astabil, este acela al unui Metronom electronic.

Metronomul este dispozitivul utilizat pentru a marca timpul în piese de muzică prin producerea unui ritm muzical regulat și recurent. Un metronom simplu electronic este realizat folosind un oscilator 555 ca dispozitiv principal de temporizare și prin ajustarea frecvenței de ieșire a oscilatorului se poate seta tempo-ul sau "bătăi pe minut".

De exemplu, un tempo de 60 de bătăi pe minut înseamnă că o bătaie va apărea la fiecare secundă care în termeni electronici echivalează cu 1 Hz. Prin utilizarea unor definiții muzicale foarte comune, putem construi cu ușurință un tabel a diferitelor frecvențe necesare pentru circuitul metronom, după cum se arată mai jos.

Tabel de frecvențe pentru metronom

Intervalul de frecvență de ieșire al metronomului a fost pur și simplu calculat ca inversul unui minut sau 60 de secunde împărțit la numărul de bătăi pe minut necesar, de exemplu (1/(60 sec/90 bpm) = 1,5 Hz) și 120 bpm este echivalent cu 2Hz, și așa mai departe. Prin folosirea ecuației noastre cunoscute de mai sus pentru calculul frecvenței de ieșire a unui circuit oscilator 555 astabil, se pot găsi valorile individuale ale R1, R2 și C.

Perioada de timp a formei de undă de ieșire pentru un oscilator 555 astabil este dată de:

Pentru circuitul nostru metronom electronic, valoarea rezistorului de temporizare R1 poate fi găsită prin rearanjarea ecuației de mai sus pentru a da:

Presupunând o valoare pentru rezistorul R2 = 1 kΩ și condensatorul C = 10 μF, valoarea rezistorului de temporizare R1 pentru intervalul nostru de frecvență este dat de 142k3 Ω la 60 bătăi pe minut la 46k1 Ω la 180 bătăi pe minut, deci un rezistor variabil (potențiometru) de 150 kΩ ar fi mai mult decât suficient pentru circuitul metronom pentru a produce întreaga gamă de bătăi necesare și ceva mai mult. Apoi circuitul final pentru exemplul nostru de metronom electronic va fi dat de:

Metronomul electronic 555

Acest metronom simplu demonstrează doar o modalitate simplă de a folosi un oscilator 555 pentru a produce un sunet sau o notă audibilă. El utilizează un potențiometru de 150 kΩ pentru a controla întreaga gamă de impulsuri sau bătăi de ieșire și având o valoare de 150 kΩ, poate fi calibrată cu ușurință pentru a obține o valoare procentuală echivalentă cu poziția potențiometrului. De exemplu, 60 bătăi pe minut sunt egale cu 142,3 kΩ sau 95% rotație.

De asemenea, 120 bătăi pe minut sunt egale cu 70,1 kΩ sau 47% rotație etc. Rezistoare sau semireglabili adiționali pot fi conectați în serie cu potențiometrul pentru a pre-seta limitele superioare și inferioare ale ieșirilor la valori predefinite, dar aceste componente suplimentare vor trebui să fie luate în considerare la calcularea frecvenței de ieșire sau a perioadei de timp.

În timp ce circuitul de mai sus este un exemplu foarte simplu și amuzant de generare a sunetului, este posibil să utilizați Oscilatorul 555 ca generator/sintetizator de zgomot sau să realizați sunete muzicale, tonuri și alarme prin construirea unui generator de forme de undă cu raport mark/space variabil, frecvență variabilă.

În acest tutorial am folosit doar un singur circuit 555 oscilator pentru a produce un sunet, dar prin legare împreună două sau mai multe cipuri oscilator 555, diferite circuite pot fi construite pentru a produce o gamă întreagă de efecte muzicale și de sunet. Un astfel de circuit de noutate este sirena "Dee-Dah" a mașinii de poliție, dată în exemplul de mai jos.

Sirenă de poliție "Dee-Dah" cu oscilator 555

Circuitul simulează un semnal de alarmă cu ton variabil care simulează sunetul unei sirene de poliție. IC1 este conectat ca un multivibrator astabil nesimetric de 2 Hz, care este utilizat pentru a modula frecvența IC2 prin rezistorul de 10 kΩ. Ieșirea lui IC2 alternează simetric între 300 Hz și 660 Hz, luând 0,5 secunde pentru a termina fiecare ciclu alternativ.