تفاصيل الدائرة المتكاملة للمؤقت 555 (التركيب – أنظمة العمل – تطبيقات )

[F.Abdelaziz]

تفاصيل الدائرة المتكاملة للمؤقت 555 (التركيب – أنظمة العمل – تطبيقات )

أولا : مقدمة

1- الوصف العام :

المؤقت 555 هو جهاز على درجة عالية من الاستقرار ويستخدم فى توليد فترات (أزمنة) تأخيرtime delay دقيقة أو ذبذبات oscillation.
المؤقت 555 مزود بأطراف إضافية للبدء(الاشعال – القدح) triggering وللتصفير(التحرير)resettingتستخدم عند الحاجة .
عند العمل بنظام "التأخير الزمنى" (يسمى مذبذب متعدد أحادى الاستقرار
monostable) يتم التحكم وبدقة فقط عن طريق دائرة مقاومة ومكثف خارجية .
عند العمل بنظام "المذبذب" ( يسمى مذبذب متعدد عديم الأستقرار astable ) يتم التحكم فى التردد ودورة الخدمة بدقة عن طريق دائرة خارجية مكونة من مقاومتين ومكثف .
يمكن للدائرة البدء أو التحرير نتيجة الأشكال الموجية الهابطة .
يمكن لدائرة الخرج أن تعمل كمصب ( تسحب أو تجر ) أو تعمل كمصدر (تعطى) بتيار حتى 200mA كما يمكنها تشغيل الدوائر من النوع TTL .
2- الخصائص :

· يمكن للمؤقت 555 العمل كمؤقت أو كمذبذب .
· فى نظام العمل كمؤقت ( والمعروف بالنظام أحادى الأستقرار monostable ) يعمل المؤقت 555 ببساطة كمؤقت يقوم بتوليد نبضىة أو ما يعرف بإسم " طلقة واحدة ". one-shot .
· عند توصيل نبضة بدء (قدح – إشعال) trigger إلى طرف البدء فإن خرج المؤقت يتحول من مستوى الجهد المنخفض إلى مستوى الجهد المرتفع ولفترة زمنية يتم تحديدها بدائرة RC خارجية .
· قى نظام العمل كمذبذب ( والمعروف باسم النظام عديم الاستقرار astable أو الحر ) يعمل المؤقت 555 كمولد نبضات مستطيلة حيث يمكن التحكم فى الشكل الموجى الناتج ( فترة زمنية منخفضة أو فترة زمنية مرتفعة أو التردد ..) عن طريق دوائر شحن وتفريغ RC خارجية .
· المؤقت 555 سهل الإستخدام ( يحتاج إلى قليل من المكونات والحسابات ) ورخيص ويمكن إستخدامه فى الكثير من التطبيقات المذهلة . على سبيل المثال : توليد نبضات الساعة الرقمية digital clock و دوائر الفلاشر flasher ودوائر السراين sirens ( الانذار) ودوائر التوقيت one-shot timer ودوائر تشغيل المفاتيح الخالية من الارتدادات (القفزات) bounce-free وتوليد الاشكال الموجية المختلفة مثل الشكل الموجى المثلث triangular وفى مقسمات التردد ...الخ .

[F.Abdelaziz]

3- مبدأ عمل المؤقت 555 :
الشكل يبين مخطط صندوقى مبسط لما بداخل المؤقت 555 .
الدائرة الكاملة ( بالمكونات الخارجية ) تمثل المؤقت 555 يعمل بنظام المذبذب عديم الاستقرار astable .

أخذ المؤقت 555 هذا الاسم بسبب وجود 3 مقاومات قيمة كل منها 5-k كما فى الشكل .
هذه المقاومات تعمل كمقسم جهد بثلاثة درجات بين جهد المنبع (VCC) والأرضى .
نتيجة لذلك يكون جهد الطرف العلوى للمقاومة السفلية ( المتصل بطرف الدخل الموجب + للمقارن 2 ) 1⁄3VCC بينما يكون جهد الطرف العلوى للمقاومة الوسطى ( المتصل بالدخل السالب - للمقارن 1) 2⁄3VCC .
خرج أى مقارن (مرتفع أم منخفض) يعتمد على الجهد التماثلى الواصلة الى دخليه .
إذا كان الدخل الموجب أكثر إيجابية من دخله السالب فإن مستوى خرجه المنطقى يكون مرتفعا.
والعكس إذا كان الدخل الموجب أقل من الدخل السالب فإن مستوى خرجه المنطقى يكون منخفضا .
يتم توصيل خرجى المقارنين إلى مدخلى القلاب (الفليب فلوب ) SR flipflop ويسميان مدخل الوضع set ومدخل التحرير reset .
حسب حالة المدخلين يكون خرج الفليب فلوب .

[F.Abdelaziz]

3- التعرف على وظائف اطراف المؤقت 555:

· الطرف 1: الارضى ground
· الطرف 2 : البدء(القدح – الاشعال ) trigger: الدخل إلى ألمقارن 2 والذى يستخدم فى عمل set للفليب فلوب عندما يعبر جهد الطرف 2 من أكبر من إلى إقل من 1⁄3VCC عندئذ يتحول خرج المقارن إلى مرتفع ويقوم بعمل set للفليب فلوب .
· الطرف 3 : الخرج : output خرج المؤقت 555 عبارة عن مرحلة مكبر عاكس قادر على العمل كمصب (سحب) أوكمصدر (إعطاء) حوالى 200 mA . مستوى جهد الخرج يعتمد على تيار الخرج ولكنه تقريبا

· الطرف 4 : التصفير : reset : يقوم بعمل rest أى يكون فعال عندما يكون منخفض
Active-low والذى يجبر الخرج (معكوس Q) أن يكون مرتفعا وبالتالى يكون الطرف 3 (الخرج) منخفضا .
· الطرف 5 : جهد التحكم : control : يستخدم فى تخطى المستوى 2⁄3VCC عند الحاجة ولكنه غالبا ما يتم توصيله بالارضى خلال مكثف إمرار 0.01-μF ( للتخلص من التداخلات الناتجة عن مصدر التغذية VCC . توصيل جهد خارجى إلى هذا الطرف يعطى تحكم بوضع مستوى آخر للبدء.
· الطرف 6 : العتبة أو الحد threshold : وهو الدخل إلى المقارن العلوى والذى يستخدم فى تحرير reset الفليب فلوب . عندما يعبر جهد الطرف 6 من أقل من ألى اكبر من 2⁄3VCC يتحول خرج المقارن العلوى إلى الحالة المرتفعة ويقوم بعمل reset للفليب فلوب .
· الطرف 7: التفريغ discharge: متصل بالمجمع المفتوح للترانزستور NPN والذى يستخدم فى عمل دائرة قصر لتوصيل الطرف 7 بالأرضى عندما يكون معكوس Q مرتفع (والطرف 3 منخفض) ويؤدى ذلك إلى تفريغ المكثف .
· الطرف 8 : جهد التغذية الموجب VCC : يكون بين 4.5 و 16 V للمؤقت 555 المكون من دوائر TTL وقد يصل الى اقل من 1 V فى النوع CMOS .

[F.Abdelaziz]

ثانيا : انظمة العمل للمؤقت 555

1- نظام العمل كمذبذب عديم الاستقرار astable :

· عند توصيل التغذية إلى الدائرة يكون المكثف غير مشحون .
· هذا يعنى أن جهد الطرف 2 يكون 0V فيجبر خرج المقارن 2 على أن يكون فى مستوى جهد مرتفع .
· وهذا بدوره يقوم بعمل set للفليب فلوب بحيث يكون الخرج المعكوس( رمزه Q وفوقها شرطة) منخفض ويكون خرج المؤقت 555 مرتفع نتيجة لوجود مكبر الخرج العاكس .
· وأيضا ونتيجة لوجود الخرج العاكس منخفضا يكون ترانزستور التفريغ فى حالة عدم توصيل off بما يسمح بشحن المكثف من المنبع VCC وخلال المقاومة R1 والمقاومة R2 .
· عندما يزيد جهد المكثف عن 1⁄3VCC يتحول خرج المقارن 2 ألى الحالة المنخفضة وهذا ليس له تأثير على الفليب فلوب .
· عندما يزيد جهد المكثف عن 2⁄3VCC يتحول خرج المقارن 1 إلى الحالة المرتفعة ويقوم بتحرير reset الفليب فلوب فيجبر الخرج المعكوس على التحول ألى الحالة المرتفعة وتبعا له خرج المؤقت إلى الحالة المنخفضة .
· عند هذه النقطة يتحول ترانزستور التفريغ إلى التوصيل on ويقوم بعمل دائرة قصر لتوصيل الطرف 7 بالأرضى ليتم تفريف المكثف خلال المقاومة R2 .
· عندما يهبط جهد المكثف إلى أقل من 1⁄3VCC يعود خرج المقارن 2 إلى الحالة المرتفعة ويقوم بعمل set للفليب فلوب ويتحول الخرج المكوس إلى الحالة المنخفضة وخرج المؤقت إلى الحالة المرتفعة .
· نتيجة لأن الخرج المعكوس منخفض يتحول الترانزستور إلى حالة الفصل off بما يسمح للمكثف بالشحن مرة أخرى من جديد .
· وتتكرر الدورة مرة تلو الأخرى وتكون النتيجة النهائية خرج على هيئة شكل موجى مربع بمستوى جهد تقريبا ( VCC − 1.5 V ) وفترات مستوى مرتفع ومستوى منخفض on/off تتحدد تبعا لقيم كل من المكثف C والمقاومة R1 والمقاومة R2 .
· الفترة الزمنية التى يكون فيها جهد الخرج منخفض (حوالى 0.1V ) تعتمد على قيمة حاصل الضرب R1C ( يعرف بالثابت الزمنى لدائرة التفريغ ) وقيمة مستوى 1⁄3VCC و مستوى 2⁄3VCC .
· والفترة الزمنية التى يكون فيها جهد الخرج مرتفعا ( حوالى VCC − 1.5 V ) تعتمد على الثابت الزمنى لدائرة الشحن (R1 + R2)C وأيضا على قيمة كل من المستويان 1⁄3VCCو2⁄3VC .
· العلاقات العملية الآتية تعبر عن النتائج :

tlow = 0.693 R2C

thigh = 0.693(R1+R2)C

دورة الخدمة : duty cycle :

وهى تعبر عن الجزء من الوقت الذى يكون فيه الخرج مرتفعا بالنسبة للزمن الكلى للدورة وتعطى بالعلاقة :

Duty cycle = thigh / (thigh + tlow ) = thigh / T

حيث T هو زمن الدورة الواحدة (يسمى الزمن الدورى) ويساوى مجموع زمن الجهد المنخفض وزمن الجهد المرتفع .

تردد الشكل الموجى فى الخرج : frequency يعطى بالعلاقة :

f = 1 / T

· وللعمل السليم والموثوق فيه يجب أن تكون المقاومات فى الحدود بين 10 k و
10 M ومطثف التوقيت بين 100 pF و 1000 μF .

مثال :

· الشكل يبين تغير التردد مع قيم المكونات

[F.Abdelaziz]

2- نظام عمل المؤقت 555 كمذبذب متعدد أحادى الاستقرار Monostable:

· الشكل يبين طريقة توصيل المؤقت 555 كمذبذب متعدد أحادى الاستقرار ( توليد نبضة واحدة تسمى طلقة واحدة one-shot ) .
· المذبذب أحادى الاستقرار له حالة إستقرار واحدة وهذا يعنى أنه لتحويل (تغيير) حالة الخرج نحتاج إلى توصيل نبضة بدء (قدح – إشعال ) trigger خارجية .

1- الحالة الإبتدائية للدائرة (قبل توصيل نبضة البدء) :
· يكون الخرج منخفضا .
· وترانزستور التفريغ موصل on مما يجعل جهد الطرف 7 هو جهد الأرضى وبالتالى يحافظ على المكثف فى حالة عدم شحن .
· الطرف 2 يكون جهده مرتفعا عن طريق مقاومة الجذب الى أعلا 10K .

2- عند توصيل نبضة سالبة إلى طرف البدء 2 يجبر المقارن 2 ليكون خرجه موجب فيقوم بعمل set للقلاب (فليب فلوب ) ونتيجة لذلك يكون خرجه (معكوس Q ) سالب وهذا يؤدى إلى جعل الخرج مرتفع ( لوجود مكبر الخرج العاكس ) .

3- نتيجة لذلك يتحول ترانزستور التفريغ إلى القطع ويسمح بشحن المكثف C خلال المقاومة R1 بدءا من الصفر متجها إلى VCC .
4- وعند وصول جهد المكثف إلى 2⁄3VCC يتحول خرج المقارن 1 إلى الحالة المرتفعة ويقوم بعمل reset للقلاب (الفليب فلوب ) . نتيجة لذلك يتحول الخرج إلى الحالة المنخفضة كما يقوم بتحويل ترانزستور الفريغ إلى حالة التوصيل on ليسمح بالتفريغ السريع للمكثف فى اتجاه 0V . ويظل الخرج على هذه الحالة المنخفضة حتى وصول نبضة بدء ثانية .

الخلاصة :

دائرة المذبذب المتعدد أحادى الاستقرار لها حالة إستقرار واحدة أى أن الخرج يكون 0V
( عمليا 0.1 V تقريبا ) حتى وصول نبضة بدء سالبة إلى الطرف 2 ( يمكن تنفيذ ذلك عن طريق توصيل الطرف 2 لحظيا بالارضى باستخدام مفتاح ضاغط بين الطرف 2 والارضى مثلا)
بعد وصول نبضة البدء يتحول الخرج إلى الحالة المرتفعة ( حوالى VCC − 1.5 V ) ولمدة زمنية تحدد (تضبط) بقيم الدائرة R1C .

وبدون الدخول فى التفاصيل فإن عرض نبضة الخرج المرتفع تساوى 1.1R1C . ويجب عمليا أن تكون المقاومة R1 فى الحدود من 10 k إلى 10 M والمكثف فى الحدود من 100pF الى 1000 μF .

مثال :

[F.Abdelaziz]

تطبيقات عملية :
التطبيق الاول :
دائرة توليد نبضات نتيجة لقطع مسار شعاع ضوئى بواسطة جسم بإستخدام مصدر ضوئىومقاومة ضوئية LDR :
الدائرة الكهربية :
كما فى الشكل :


عناصر الدائرة :
U1 : دائرة متكاملة للمؤقت 555 .
U2 : دائرة متكاملة طراز 7404 تحتوى على ستة عواكس .
LDR1 : مقاومة قيمتها تعتمد على الضوء الساقط عليها .
R1 : مقاومة متغيرة 1K تساعد فى معايرة حساسية المقاومة الضوئية ومن ثم عمل الدائرة.
R2 : مقاومة كربونية 12K .
R3 : مقاومة كربونية 8.2K .
R4 : مقاومة كربونية 1M .
C1 : مكثف بوليستر سعته 0.22UF ( او 220NF ) .
C2 : مكثف بوليستر او كيميائى سعته 0.47 UF (470 NF ) وجهده 10V .
نظرية العمل :
1- فى الوضع الطبيعى (العادى) فإن الشعاع الضوئى الساقط من المصدر الضوئى يسقط على المقاومة الضوئية LDR1 فتصبح مقاومتها مساوية 100 أوم تقريبا (عند المحاكاة يراعى ذلك ) وبالتالى فان دخل العاكس A يكون منخفضا ومن ثم يصبح خرجه مرتفعا فيشحن المكثف C1ويكون خرج المؤقة 555 منخفضا .



2- بمجرد إنقطاع الشعاع الضوئى الساقط من المصدر الضوئى على المقاومة الضوئية LDR1 تزداد قيمتها لتصبح 1 ميجا اوم ) عند المحاكاة يراعى ذلك ) وبالتالى دخل البوابة العاكسة A يكون مرتفعا وخرجها منخفضا وتعمل الدائرة المكونة من R2 و R3 و C1 كدائرة تفاضلية تنتج نبضة تعتمد على زمن قطع الجسم للشعاع تعمل على بدء تشغيل المؤقت 555 الذى يعمل فى نظام مذبذب متعدد احادى الاستقرار فيعطى فى خرجه (الطرف 3) نبضة مرتفعة ويكون زمن النبضة :

T = 1.1 R4 C2 = 0.55 SEC.

[F.Abdelaziz]

التطبيق الثانى :
دائرة إكتشف الحركة Motion Detector :
الدائرة الكهربية :


المكونات :


تنفيذ الدائرة على لوحة التجارب (البريد بورد)

[F.Abdelaziz]

التطبيق الثالث :
دائرة مشروع عد الصناديق المارة على سير بحد اقصى 99 وقبل للتوسعة والاستخدماتالمتعددة :
نظرية العمل
1- فى الوضع الطبيعى فإن الشعاع الضوئى الساقط من المصدر الضوئى يسقط على المقاومة الضوئية LDR فتصبح مقاومتها 100 ohm تقريبا وبالتالى يكون دخل العاكس A منخفضا ومن ثم يصبح خرج العاكس عاليا ليشحن المكثف C1 ويكون خرج المؤقت 555 منخفضا (الرجل 3) وبالتالى يصبح خرج العاكس B عاليا .
2- بمجرد مرور الصندوق على السير ينقطع مسار الشعاع الضوئى الساقط على LDR فتزداد مقاومته لتصبح 1Mohm ويصبح دخل العاكس A عاليا وبالتالى يصبح خرجه منخفضا وينتج عن هذا التغير نبضة يتم تشكيلها بدائرة التفاضل C1 و R3 .
ويعتمد زمن النبضة على زمن قطع الصندوق لمسار الشعاع الضوئى .
3- تخرج نبضة عالية من المخرج 3 للمؤقت 555 والذى يعمل كمذبذب احادى الاستقرار (أى يعطى نبضة واحدة) وزمن هذه النبضة يساوى:

T = 1.1 R4 C2
T = 0.55 sec

4- يقوم العاكس B بعكس هذه النبضة لتصبح نبضة منخفضة .
5- تصل هذه النبضة لمدخل النبضات (الرجل 14) للعداد الاول فيصبح العدد الثنائى الخارج من العداد 1 ويظهر على شاشة العرض الرقمية الأولى (آحاد أو اليمين ) فى حين يظهر على شاشة العرض الرقمية الثانية (أو اليسرى أو المئات) 0 وهذا يكافىء العدد العشرى 01 .
6- كلما إنقطع مسار الشعاع الضوئى نتيجة لمرور أحد الصناديق إزداد العدد المعروض على الوحدتين الرقميتين بمقدار 1 علما بأن أقصى عدد يظهر على وحدات العرض الرقمية هو 99 .
7- يمكن تحرير الدائرة فى أى لحظة وذلك لتصفير وحدتى العرض الرقميتين بواسطة المفتاح الضاغط S1 فعند الضغط عليه تصبح مداخل التحرير عالية فيصبح خرج العدادين أصفار ويكون العدد المعروض 00 .
ملاحظة :
الجدير بالذكر أنه يمكن تنفيذ دائرة لعد الصناديق المارة عل سير بحد اقصى 9999 بعمل إمتداد أو توسعة أو تكرار للعدادات كما يمكن تطبيق هذه الدائرة على تطبيقات كثيرة مماثلة مع الأخذ فى الاعتبار نوع حساس الدخل .