تعرف على الدارة المتكاملة 555

وهي عبارة عن دارة متكاملة تملك ثمانية أقطاب،أنتجته في البداية شركة Signetics Corporation على الشكل SE555/NE555 في العام 1971، تستخدم على نطاق واسع وتطبيقاتها متعددة سنذكرها في هذا البحث إن شاء الله.

وصف وتوزع الأقطاب :

القطب1 (الأرضي):

الأرضي أو المشترك هو الأكثر سلبية بين جهود تغذية الدارة, يوصَل عادةً إلى النقطة المشتركة في الدارة عندما تتمّ تغذيتها من منبع تغذية موجِب .

القطب 2 ( مدخل القدح Trigger) : 

وهو المدخل الذي يحدد الحالة التي تكون فيها الدارة 555 بالمشاركة مع مدخل العتبة Threshold (القطب6) إذ يقارن جهد مدخل القدح مع جهد العتبة السفلي VLT بالمقارن الأول، كما يقارن جهد مدخل العتبة مع جهد العتبة العلويVUT بالمقارن الثاني، حيث أن VLT=VCC/3 و VUT=2Vcc/3 .
على سبيل المثال عند استخدام جهد تغذية V12 ..يبدأ جهد القدح عند Volt8 وعندما ينخفِض إلى جهد أقل من Volt4 تبدأ دورة المؤقِّت. هذِه العمليّة حساسة لمستوى الجهد ويمكِن أن يتغيّر جهد القدح ببطء شديد. ولتلافي إعادة القدح يجِب أن يعود جهد القدح إلى قيمة أعلى من 3/1 من جهد التغذية قبل نهاية دورة المؤقِّت في نمط المهتز أحادي الاستقرار, تيّار القدح حوالي mA0.5 ..

القطب 3 ( الخرج Out):

ينتقِل الجهد على قطب الخرج إلى مستوى مرتفِع أقل ب V1.7 من جهد التغذية و ذلك عند بدء دورة المؤقِّت, و يعود الخرج إلى مستوى منخفِض قريب من الصفر في نهاية دورة المؤقِّت, أعلى تيّار في الخرج عند المستوى المرتفِع و المنخفِض حوالي mA200.

القطب 4 ( مدخل التصفير Reset ): 

إذا طُبِّق على هذا القطب مستوى منطقي منخفِض يُعاد تصفير المؤقِّت ويعود الخرج إلى الحالة المنخفِضة, يوصَل هذا المدخل في الحالة الطبيعيّة إلى خط التغذية الموجِب عند عدم الحاجة لاستخدامِه..

القطب 5 ( مدخل التحكُّم بالجهد Control Voltage): 

يسمح هذا القطب بتغيير جهدي القدح والعتبة عن طريق تطبيق جهد خارجي عليه, عندما يُشغَّل المؤقِّت في نمط المهتز عديم الاستقرار يمكن استخدام هذا المدخل لتعديل الخرج تردُّديّاً ، وعند عدم الحاجة لاستخدامِه يُنصَح ربط مكثِّف صغير بين القطب 5 و الأرض لتلافي حصول قدح خاطئ بنتيجة الضجيج.

القطب 6 ( مدخل جهد العتبة Threshold).
القطب 7 ( قطب التفريغ ): 

هذا القطب هو مخرج من نوع مجمِّع مفتوح وهو متوافق في الطور مع المخرج الرئيسي القطب 3 ولهُ نفس المقدرة في تصريف التيّار.

القطب 8 (جهد التغذية Vcc+ ): 

وهو قطب التغذية الموجِبة للدارة 555, مجال جهد التغذية بين 4.5+ (القيمة الدنيا) إلى 18+فولت (القيمة العليا) .

الجدول الموضح جانباً يبين الرموز المقابلة للشركات المصنعة للمؤقت 555

المميزات العامة:

• زمن التوقف عن العمل صغير. 
• تردد التشغيل الأعظمي حتى KHz 500.
• التوقيت الزمني من عدة مايكرو ثانية وحتى عدة ساعات.
• يمكن تشغيله كمهتز أحادي الاستقرار يولد نبضة واحدة / مهتز عديم الاستقرار يولد سلسلة غير منتهية من النبضات تتكرر بشكل دوري ومضبوط زمنيا بدقة.
• تيار خرج عالي بحدود 200 ميللي أمبير .
• يمكن ضبط الدور للنبضة أي نسبة النبضة الموجبة أو النبضة السالبة إلى الصفر . 
• المخرج متوافق تماما مع الدارات الرقمية والمنطقية نوع TTL عند تغذيته بجهد 5 فولت فيمكننا استغلال هذا المؤقت لقيادة الدارات الرقميةTTL .
• الاستقرار تجاه تغيرات درجة الحرارة هو من رتبة 0.005% لكل درجة مئوية واحدة.

555 General Specifications

Vcc	5-Volts	10-Volts	15-Volts
Max Frequency (Astable)	500-kHz to 2-MHz
Vc Frequency Range	+/- 25%	+/- 25%	+/- 25%
Vc Frequency Range	+/- 90%	+/- 90%	+/- 90%
Vc Voltage Level (center)	3.3-V	6.6-V	10.0-V
Frequency Error (Astable)	~ 5%	~ 5%	~ 5%
Timing Error (Mono)	~ 1%	~ 1%	~ 1%
Max Value  Ra +Rb	3.4-Meg	6.2-Meg	10-Meg
Min Value   Ra	5-K	5-K	5-K
Min Value   Rb	3-K	3-K	3-K
Reset VH/VL (pin-4)	>0.4/<0.3	>0.4/<0.3	>0.4/<0.3
Output Current (pin-3)	~200ma	~200ma	~200ma

البنية الداخلية للمؤقت 555:

إن البنية الداخلية للدارة المتكاملة 555 تعتبر بسيطة إلى حد ما وهي تتألف من مقارنان تشابهيان وقلاب من نوع R&S وترانزستور نوع NPN وهو T1 المسؤول عن تفريغ المكثف عن فتحه وترانزستور آخر نوع PNP لإعادة القلاب إلى الحالة البدائية (التصفير) ومقسم كمون لمداخل القلابات يتألف من ثلاث مقاومات متساوية القيمة بالإضافة إلى مرحلة الخرج.

إن الدارة المتكاملة 555 من وجهة نظر تفصيلية أكثر تتألف من عدد كبير من الترانزستورات والمقاومات لتشكل بدورها جميعاً الحالات المنطقية المطلوبة لكل عنصر من العناصر المذكورة بالإضافة إلى الترانزستورات التي تمثل المقارن التشابهي، والشكل التالي يبين البنية الداخلية التفصيلية.

أنماط عمل الدارة المتكاملة 555:

تعمل الدارة المتكاملة بشكل عام بنمطي عمل مختلفين، نقوم بشرحهما في التفصيل في الفقرة التالية..

1-نمط المهتز أحادي الاستقرار(LM555 Monostable Oscillator):

في هذا النمط فإن الخرج لا ينتقل إلى الحالة المنطقية "H" إلا بعد تطبيق نبضة قدح على مدخل القدح (القطب 2) للدارة 555، والشكل التالي يبين توصيلة المهتز أحادي الاستقرار

عند تغذية الدارة بالجهد Vcc فإنه سوف يتشكل جهد على المدخل العاكس للمقارن COMP1 أكبر من الجهد الموجود على المدخل غير العاكس عند النقطة V1=Vcc/3مما يبقي حالة خرج المقارن Q على المستوى المنطقي "L" وذلك مهما تغيرت الحالة على خرج المقارن COMP2 ونفس الوقت لا ينشحن المكثف لأن الترانزستور TR في حالة عمل .

عندما يتم الضغط على المفتاح SW تبدأ عملية التوقيت، حيث أنه ينخفض فجأة الجهد على المدخل العاكس للمقارن COMP1 (يتم توصيله إلى الأرض عن طريق المفتاح SW) ليصبح خرج المقارن على الحالة المنطقية "H" كما أن الحالة المنطقية للمقارن COMP2 هي بالأصل "L" فيغير القلاب حالته Q="H" و /Q="L" ويفصل الترانزستور وتبدأ المكثفة بالشحن.

طبعاً لن يبق المفتاح مضغوطاً، وهنا (عن تحرير المفتاح) فإن خرج المقارن COMP1 يعود إلى الحالة "L" ولكن لن يتغير خرج القلاب FF في هذه الحالة.

إن زمن وصول الجهد على طرفي المكثفة إلى

Vc>2/3 Vcc 

 هو زمن التوقيت، بعد ذلك يصبح الجهد على المدخل غيرا لعاكس للمقارن COMP2 أكبر من الجهد الموجود على المدخل العاكس ويصبح خرج المقارن COMP2 على الحالة المنطقية "H" وبنفس الوقت يكون خرج المقارن COMP1 على الحالة "L" ليغير عندها القلب حالة خرجه ويفتح الترانزستور وتبدأ المكثفة عملية التفريغ.

يبقى الخرج على حاله إلى أن يتم ضغط المفتاح SW مرة أخرى.

يحسب زمن التوقيت بالعلاقة التالية:

t=1.1*R*C

حيث أن :

 t=time-out time (sec)

 C=Capacity (F)

 R=Resistance (ohm)

إن التيار الذي يتغير على طرفي المكثف والمقاومة يعطى بالعلاقة:

حيث أن :

i	: Electric current which changes in the time(A)
V	: Applied voltage(V)
R	: Resistance value(ohm)
C	: Capacitor value(F)
e	: Base of the natural logarithm(2.71828)
t	: Elapsed time after the charging beginning(sec)
CR	: Capacitive time constant (C x R)

T = 1.1 x R x C (in seconds)

الدارة العملية:

الشكل التالي يبين أنه عند تطبيق نبضة القدح السالبة فإن الخرج يصبح فعالاً.

ذكرنا أنه لحساب زمن التوقيت (زمن استمرار نبضة الخرج على الحالة المنطقية "H") يمكن حسابه من العلاقة :

Thigh=1.1*RA*C

بالإضافة إلى ذلك يمكن حساب الزمن thigh بيانياً بالاستعانة بالشكل الموضح جانباً وذلك من أجل قيم مختلفة للمقاومة RA وللمكثفة C.

حتى تصبح هذه الدارة مقبولة وظيفياً فإنه يجب إضافة مكثف ربط على التسلسل مع مدخل القدح وإضافة ثنائي على التوازي مع المقاومة R محيز عكسياً.الشكل التالي يبين الدارة المحسنة.

2-المهتز عديم الاستقرار (LM555 Astable Oscillator): 

في هذا النمط عند توصيل التغذية للدارة سوف تظهر إشارة منطقية على الخرج، والشكل التالي يبين توصيلة المهتز عديم الاستقرار والإشارات عند كل نقطة من نقاط الدارة.

في هذا النمط مباشرة بعد تطبيق التغذية على الدارة ينتقل الخرج إلى الحالة المنطقية "H" ويبدأ المكثف بعملية الشحن من خلال المقاومتين RA & RB وذلك وفق المبدأ التالي:

عند تطبيق التغذية فإن التيار سوف يمر من خلال مقاومات المقارنات المتساوية والجهد سوف يقسم بنسبة الثلث لكل منها حيث أن الجهد عند النقطة V2 على المدخل العاكس للمقارن الثاني Comp2 هو 2/3Vcc ، كما انه عن النقطة V1 على المدخل الغير عاكس للمقارن الأول Comp1 هو 1/3Vcc وبالتالي فإن خرج المقارن الأول هو "H" كما أن خرج المقارن الثاني "L" وبالتالي فإن خرج القلاب R-S سيكون Q="H" ويكون /Q="L" والترانزستور TR في حالة إغلاق لتتابع المكثفة عملية الشحن.

خلال عملية الشحن يزداد الجهد على طرفي المكثفة حتى يصبح الجهد على طرفيها (عند النقطة X) المتصلة مع مداخل المقارنات أكبر من الجهود الموجودة على الأطراف الأخرى، وعندها ينتقل خرج المقارن COMP1 إلى "L" وينتقل خرج المقارن COMP2 إلى الحالة المنطقية "H" وعندها يغير القلاب حالته ليصبح الخرج Q="L" والخرج /Q="H" وينقل بدوره الترانزستور TR إلى حالة الإشباع لتبدأ عندها المكثفة بالتفريغ عبر المقاومة RB والترانزستور TR .كما يبين الشكل التالي:

تستمر عملية التفريغ حتى ينخفض الجهد عند النقطة X بحيث أنه يصبح الجهد على المدخل العاكس للمقارن COMP1 أصغر من الجهد الموجود على المدخل غير العاكس لنفس المقارن أي أن Vx<Vcc/3 وكذلك بالنسبة للمقارن COMP2 يصبح الجهد على المدخل غير العاكس أكبر من الجهد الموجود على المدخل العاكس لنفس المقارن أي أن Vx>Vcc/3 وهذا بدوره ينقل خرج المقارن COMP2 إلى الحالة "H" وخرج المقارن COMP1 إلى الحالة "L"،فيقطع الترانزستور ويصبح الخرج Out على الحالة المنطقية "H" وتعاد المرحلة الأولى.

يتم حساب أزمنة العمل والتوقف في حالة الخرج من العلاقات التالية حيث أن (tH) هو زمن العمل و (tL) هو زمن التوقف و F التردد.

الزمن الذي يكون فيه الخرج على الحالة "H" (tH):

tH=ln2*(Ra+Rb)*C

tH=0.693*(Ra+Rb)*C

الزمن الذي يكون فيه الخرج على الحالة "L" (tL):

tL=ln2*Rb*C

tL=0.693*Rb*C

وبالتالي فإن الدور الكلي للإشارة:

T=thigh+tlow = 0.695(RA+2RB)C

التردد (f):

الدارة العملية:

كما مر سابقاً يمكن حساب قيمة التردد بيانياً بالاستعانة بالشكل التالي وذلك من أجل قيم مختلفة للمكثفة C وللمقدار (RA+2RB).

ملاحظة1: يجب وضع مكثف على دخل دارة التغذية في النمطين قيمته 220uF لتحسين استقرار إشارة المنبع.

ملاحظة2: في حال عدم استخدام القطب 5 (مدخل التحكم بالجهد) فإنه يجب وصله على الأرض عن طريق مكثف قيمته 0.01uF لتفادي تأثر الضجيج على الدارة .

دور التشغيل: 

يعرف بأنه نسبة tlow إلى الدور الكلي T وهو مدة بقاء إشارة الخرج عند المستوى المنطقي "0" من دور تلك الإشارة ويحسب من العلاقة الموضحه جانباً:

من الملاحظ أنه لا يمكن الحصول على دور تشغيل بنسبة 50%، أي أنه لا يمكن الحصول على موجة مربعة متناظرة إلا في حال كون المقاومة RA صفرية وهذا لا يمكن لأنه يؤدي على قصر التغذية إلى الأرض أثناء عملية تفريغ المكثف.

عملياً تستخدم المقاومة RA بقيمة 1K أوم أو أكثر ومن اجل الحصول على دور تشغيل بنسبة 50% نقوم بوصل ثنائي إلى التوازي مع المقاومة RA حيث يتم شحن المكثفة عن طريق المقاومة RA والثنائي وتفريغها عن طريق المقاومة RB لذلك يمكن إعادة كتابة العلاقات بالشكل:

tH=0.693*(Ra+Rb)*C

tL=0.693*Rb*C

T=thigh+tlow = 0.695(RA+2RB)C

وبالتالي يمكن الحصول على دور تشغيل بنسبة 50% إذا كانت RA=RB والشكل التالي يبين الدارة العملية:

Duty Cycle <50% 

Duty Cycle >50%