Các đặc điểm của mạch điện gốc chuẩn thời gian 555 ( IC555).

Luận văn kinh tế:Các đặc điểm của mạch điện gốc chuẩn thời gian 555 ( IC555).

Lời nói đầu Mạch tích hợp điện gốc chuẩn thời gian 555 là một mạch tích hợp mà chúng em trình bày dới đây Nó là một mạch điện tích hợp trên một chip silic kết hợp đợc cả chức năng số và tơng tự IC này đợc sử dụng rât rộng rãi do tính năng ổn định Nó thờng đợc dùng trong các thiết bị đo lờng, thiết bị tự động hoá, bộ định giờ, các thiết

bị điện gia dụng, mạch điều khiển điện tử, các bộ dao động tự kích đa hài Các thiết

bị cảnh báo IC555 làm việc ổn định và có nhiêu tính năng cùng tích họp trên một mạch do đó tuy ra đời từ lâu song IC555 vẫn còn đợc sử dụng rộng rãi cho đến nay Một trong những ứng dụng của IC555 mà chúng em trình bày trong đề tài này là ứng dụng của nó trong Mạch điện tự động bơm nớc khi bể nớc cạn hay là bể nguồn cạn Mạch điện nay có thể sử dụng rộng rãi ở các khu tập thể, chung c, hay tại nhà riêng

Chúng em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo đã tạo

điều kiện cho chúng em về đề tài, tài liệu tham khảo, kiến thức cơ bản Tuy đã rất cố gắng tìm tòi các tài liệu, tạp chí song đề tài của chúng em vẫn còn nhiều thiếu sót

và khiếm khuyết, chúng em rất mong nhận đợc sự chỉ bảo của thầy để hoàn thiện hơn đề tài này

Phần lý thuyết

Các đặc điểm của mạch điện gốc chuẩn thời gian 555 ( IC555).

IC 555 là sự kết hợp giữa chức năng số (digital) và chức năng tơng tự (analog)

IC này đợc ứng dụng trong các thiết bị điều khiển điện tử, các máy đo, các thiết bị gia dụng và nhiều ứng dụng khác

ã1 IC có thể tạo thời gian trễ và tạo dao động chính xác

ã2 Mạch điện sử dung nguồn điện đơn, phạm vi nguồn điện mạch điện tích hợp kiểu song cực 555 là 3 – 15V Phạm vi nguồn điện tích hợp 555 kiểu CMOS là 2 – 18V

ã3 IC có thể độc lập tạo thành một mạch định giờ, dòng điện ra lớn nhất của nó là 200mA Vì thế có thể trực tiếp kích động cơ điện nhỏ, loa, rơ le , LED, tần số làm việc lớn nhất có thể đạt tới 300 kHz

Hình dạng mạch điện gốc chuẩn gốc chuẩn thời gian 555 (IC555)

Chức năng của các chân dẫn và tác dụng nh sau

ã1 Chân 1 là đầu nối đất

ã2 Chân 2 là đầu kích: nếu kích điện áp ở chân này cao hơn

3

2 Vcc đầu ra sẽ đảm boả ở mức thấp Nếu có một mạch xung âm đủ lớn đặt ở chân 2, ở đầu ra chân 3

sẽ lập thành mức cao, đầu kích vẫn giữ ở mức thấp, đầu ra sẽ giữ ở trạng thái mức cao

ã3 Chân 3 là đầu ra Cách làm viêc đợc thể hiện trong hình vẽ

Phụ tải thông

cao

thấp

1

3

I

+Ucc

đầu ra

a) đầu ra mức thấp

Phụ tải ngắt

cao

thấp

1

3

I = 0 8

đầu ra

b) đầu ra mức cao

cao

thấp

1

8

Phụ tải ngắt

3 đầu ra

+Ucc

cao

thấp

1

8

Phụ tải thông

3 đầu ra +Ucc

c) Đầu ra mức thấp d) Đầu ra mức cao

1 8

2 7

3 6

4 5 5

D I P

7 6 5 4 3

2

Đầu ra có hai trạng thái: tháp và cao Khi đầu ra thấp nh một điện trở thấp tiếp đất (10  ) nh hình a và c trong hình trên; khi đầu ra ở mức cao, ở giữa đầu ra chân 3 va

điện áp nguồn Vcc xuất hiện nh một điện trở 10  nh b và d trong hình trên Nối pụh tải tại đầu ra có hai hình thức: phụ tải nối giữa chân 3 với điện áp nguồn Vcc, giữa chân 3 với đất

ở hình a điện áp đa ra ở mức thấp thì phụ tải dẫn thông, dòng điện phụ tải đa vào dây dẫn ra, gọi là dòng điện hấp thụ Dòng điện hấp thụ nhỏ hơn 10mA, đầu ra mức thấp là 5,1V, dòng điện đầu ra khi ở mức cao phụ tải ngắt nh hình b Còn hình c và d biểu thị phụ tải nối đất, khi đầu ra ở mức thấp, phụ tải bị ngắt nh hình c, khi đầu ra ở mức cao đầu ra cung cấp một dòng điện gọi là dòng điện cung cấp, hoặc là có thể nói dòng điện nguồn không phụ tải nối đất nh hình d Nói chung mạch điện gốc chuẩn thòi gian 555 có dòng điện hấp thụ lớn nhât và dòng điện cung cấp là 200mA,

điện áp cao ở đầu ra thấp hơn ở nguồn điện Vcc 0,5V

ã1 Chân 4 là đầu trở về 0, đặt 0 (phục vị) Nó có thể xoá tín hiệu điều khiển đầu vào, chân 4 khi không sử dụng đợc nối với Vcc, nếu chân 4 đợc nối đất hoặc làm cho

điện thế của nó giảm nhỏ tới 0,7V, đầu ra chân 3 và đầu phóng điện 7 gắn với

điện thế đất, cũng có nghĩa là đầu ra ở mức thấp Nếu đầu ra ở mức cao, chân 4

đầu đặt 0, sẽ vẫn nối đất và đầu ra sẽ là điện áp thấp

ã2 Chân 5 là đầu điều khiển điện áp thông thờng giữâ nó với đất nối với một tụ lọc 0,01F, ngăn các xung trở lại nguồn cung cấp, Đầu điều khiển cũng có thể dùng

để thay đổi điện áp trị số ngỡng và điện àp kích, để có thể điều chế đợc dạng sóng

đầu ra

ã3 Chân 6 là đầu trị số ngỡng, dung để đo kiểm tụ điện áp ở bên ngoài Ví dụ khi IC 555bị kích ở mức cao, đầu trị số ngỡng sẽ quan sát sự tăng điện áp của Vcc, khi

đạt tới 2/3Vcc thì đầu ra sẽ ở mức thấp

ã4 Chân 7 là đầu phóng điện: khi đầu ra ở mức thấp, chân 7 là dùng để phóng điện cho tụ định giờ nối ngoài, khi đầu ra ở mức cao, chân 7 ngắt với mạch nối ngoài, cho phép điện áp nguồn nạp cho tụ, trị số đo đợc quyết định bởi tụ nối ngoài và tỷ suất với tụ điện

ã5 Chân 8là điện áp nguồn điện dơng Nó có thể là điện áp bất kỳ từ +3V tới +18V Vì thế thờng đợc nối với mạch điện tích hợp logic số và bộ khuyếch đại thuật toán

có liên quan Căn cứ điện áp nguồn điện sẽ quyết định dòng điện thiên trị của mạch điện bên trong, nói chung nó cần cung cấp 7mA (nếu Vcc = +15V thì cần 10mA) công suấy tiêo hao lớn nhất là 600mW

Nguyên lý làm việc của mạch điện gốc chuẩn thời gian 555.

Kết cấu bên trong của con IC này bao gồm hai bộ so sánh: một bộ trigơ R-S, một chuyển mạch transistor cùng với 3 điện trở 5k tạo thành bộ phát sinh điện áp gốc chuẩn (hình vẽ) Nguồn điện Vcc thông qua mạch điện gốc chuẩn thòi gian 555 bởi 3 điện trở phân áp bên trong mạch điện tích hợp làm cho hai bộ so sánh bên trong mạch điện tạo thành bộ kích, mức điện áp kích trên là 2/3Vcc, kích d ới là 1/3Vcc Rõ ràng đầu điều khiển chân 5 nối với bên ngoài điện áp Vc có thể làm thay

đổi mức điện áp kích trên và dới

Hình vẽ

Nguyên lý làm việc của mạch điện tích hợp gốc chuẩn thời gian 555

Bộ so sánh do bộ khuyếch đại thuật toán tạo thành, tơng tự trong hình vẽ

Bộ so sánh có hai đầu vào Va và Vb, đợc phân biệt với điện áp đầu vào Vi và điện áp gốc chuẩn Vf, nó có một đầu ra Vo Tác dụng chính là thực hiện việc so sánh giữa

điện áp đầu vào và điện áp gốc chuẩn Vf, kết quả so sánh ở mức logic “1” (mức cao) hoặc “0” (mức cao) mà không hiển thị trị số điện áp cụ thể Bộ so sánh có hai cách nối

Cách nối thứ nhất: điện áp đầu vào Vi nối giữa Va với đất, điện áp gốc chuẩn

Vf nối giữa Vb với đất

Hình vẽ 1.4a

-+A1

-+

A2

1

2

+Ucc

5k

5k

5k

TH

Uc

TR

3

6 5

2

4 Reset

R

7

1

Kết cấu bên trong

Uo

DIS GND

-+ A Ub

Ua

Ui

Uf

Uo Uo

Khi Vi>Vf đầu ra ở mức cao (trị số lôgic là “1”)

Khi Vi<Vf đầu ra ở mức thấp (trị số lôgic ở mức “0’)

Nghĩa là đầu vào Vi ở mức cao thì đầu ra Vo cũng ở mức cao, đầu vào vi ở mức thấp thì đầu ra Vo cũng ở mức thấp, tức là đâu vào và đầu vào và đầu ra là nh nhau

Cách nối thứ hai là: lấy Vi nối giữa Vb và đất, điệan áp gốc chuẩn Vf nối giữa

Va và đất

Hình 1.4b

Khi Vi>Vf, đầu ra ở mức thấp (trị số lôgic là “0”)

Khi Vi<Vf đầu ra ở mức cao (trị số lôgic là “1”)

Cách nối này là đầu ào Vi ở mức cao, đầu ra Vo ở mức thấp tức là đầu vào và đầu ra

là ngợc nhau

Gọi Va là đầu đồng pha (+), Vb là đầu đảo pha (-) ở đầu vào của bộ so sánh

Bộ phân áp: do 3 điện trở 5k nối nối tiếp với sai số cực nhỏ tạo thành, tác

dụng của nó là cung cấp nguồn điện áp gốc chuẩn Vf cho hai bộ so sánh Do đầu trên của nó nối vói nguồn Vcc, đầu dới nối đất, cho nên điện áp gốc chuẩn của bộ so sánh trên

V11 =

3

2 Vcc còn điện áp gốc chuẩn của bộ so sánh dới

V12 =

3

1

Vcc

Trong mạch điện gốc chuẩn thời gian 555, điện áp V11 đợc gọi là trị số ngỡng, điện

áp V12 là mức điện kích

Bộ trigơ R-S: nó là bộ phận chính của mạch điện gốc chuẩn thơi gian 555, do

hai cổng Và Không kết hợp tạo thành, đầu vào R, S của nó yêu cầu dùng kích bởi mức thấp Chức năng logic của nó là:

(1) R = 0, S =1 thì bất chấp trạng thái ban đầu của trigơ nh thế nào đầu a Q

đều bị đặt ở 0 (mức thấp)

(2) R = 1, S =0 thì đầu ra Q của bộ trigơ sẽ đặt ở 1 (mức cao)

+

-A Ua

Ub

Ui

Uf

Uo Uo

(3) R = 1, S =1, trạng thái nguyên thuỷ của trigơ không thay đổi, tức là đâu

ra Q giữ nguyên trạng thái

ở hình trên ta thấy đầu ra của bộ so sánh A1 nối đầu vào cổng Và Không 1, R, đầu

ra bộ so sánh A2 nối vào đầu vào S của cổng Và Không 2 Do bộ trigơ R-S tạo thành bởi hai cổng Và Không, phải dùng tín hiệu cực tính âm để kích Vì thế đặt tín hiệu kích vào chân 6 đầu đảo pha A1 của bộ so sánh, chỉ khi nào có điện thế cao bằng 2/3Vcc điện thế của chân 5 đầu đồng pha, bộ trigơ R-S mới lật, còm đặt vào tín hiệu kích ở chân 2 đầu đồng pha A2 của bộ so sánh, khi nào điện thế thấp hơn điện thế của 1/3Vcc ở đầu đảo pha A2, trigơ R-S mới lật Bộ trigơ R-S gồm có đầu MR bằng

0, chỉ cần đầu MR đặt vào một mức thấp, bất kể trạng thái nguyên thuỷ của trigơ là gì, cũng không lệ thuộc vào transistor đa tín hiệu nào vào, trigơ cũng lập tức bị đặt

về không Cho nên đầu MR cũng đợc gọi là đầu phục vị chung Khi đang sử dụng

MR nên nối với mức cao

Đầu ra: để IC làm việc tốt, đầu ra Vo lấy ra từ đầu Q của bộ trigơ R-S qua

bộ đảo pha khuyếch đại, nâng cao áp cho phụ tải IC, có thể trực tiếp kích các rơle nhỏ

Chuyển mạch phóng điện: IC trong khi sử dụng, có liên quan tới việc nạp phóng điện Ví dụ: ứng dụng IC 555 dùng làm mạch định giờ, thông thờng ở đầu vào, đầu TH của bộ so sánh trên nối cới một mạch điện phóng nạp RC bên ngoài, nguồn điện làm việc thông qua điện trở R nạp điện vào tụ C, khi tụ C có điện áp nặp tăng tới trị số ngỡng, trạng thái đầu ra bộ so sánh phát sinh sự biến đổi, làm cho đầu

ra của bộ trigơ R-S từ mức cao lật thnhà mức thấp, sự biến đổi mức điện đầu rađó là tín hiệu phân biệt định giờ, thời gian định giờ đợc quyết định bằng hằng số thời gian của mạch RC nạp điện Để làm cho mạch diện định giờ có thể sử dụng lập lại, sau khi ohàn thiện một lần phân biệt, cần phải đặt tụ điện C có điện tích cần phải phóng hết, để chuẩn bị cho lần phân biệt sau Vì thé trong IC 555thiết kế một chuyển mạch bằng bóng 3 cực tinh thể, cực gốc của bóng nối với đầu Q của bộ trigơ R-S Cực góp nối vào đầu phóng điện (DIS), cực phát nối đất Khi đầu ra của IC 555 ở mức thấp (Q = 0, Q =1) bóng ba cực cực gốc sẽ là mức cao, bóng ba cực bão hoà dẫn thông, làm cho đầu phóng điện nối đất loại trừ sụt áp ở bóng Khi dầu ra ở mức cao (Q =0), bóng ba cực ngắt, tơng đơng với đầu phóng điện (DIS) hở mạch, cho nên bóng ba cực có tác dụng chuyển mạch, cung cấp cho tụ C một đờng thông phóng

điện xuống đát

Bộ tự động điều khiển mực nớc.

ỉ1Ưng dụng của mạch điện.

Mạch điện này dùng để điều khiển bơm nớc cho các bể chứa nớc tự động, khi nớc đầy sẽ ngng cấp nớc

Trong trờng hợp giếng hoặc nguồn nớc cạn thì cũng tự động ngừng cấp nớc

ỉ1Nguyên lý mạch điện.

Mạch điện có cấu tạo nh hình vẽ Sau khi đã nghiên cứu cấu tạo của IC555, sau đây

là nguyên lý của mạch điện trong bộ tự động điều khiển mực nớc

Trong đó:

- A, B, C là các điện cực đầu dò mực nớc ở trong bể nớc

- D, Elà các điện cực đầu dò mực nớc của giếng nớc, hoặc bể chứa nớc để bơm

- J1 là Rơle nhỏ dùng để điều khiển (JQX-4)

- M là động cơ điện máy bom nớc

- J2 là bộ tiếp xúc máy xoay chiều

Khi mức nớc ở trên tháp nớc đạt tới điện cực A, giữa điện cực A, B dẫn điện, IC555

đầu chân kích 2, điện thế chân 6 dầu trị số ngỡng tăng lên trên 8V, đầu ra chân 3 của IC555 sẽ đa ra mức thấp, rơle J1 tiếp điểm thờng đóng, J1-1 sẽ nhả, ngắt nguồn điện của bộ tiếp xúc AC, động cơ M mất điện ngng việc bơm nớc lên tháp nớc Khi mức nớc của tháp nớc lên điện cực A, giữa điện cực B, C sẽ dẫn thông, điện thế cực A sụt xuống 6V, vẫn duy trì trạng thái tức là ngừng cấp nớc

Khi mức nớc trong bể trong bể thấp hơn điện cực B, giữa điện cực B và C sẽ có một trở kháng cao, chân 2 đầu kích của IC555 có điện thế gần tới 0 Nếu lúc đó, mức nớc trong bể chứa nằm ở trên điện cực D, giữa điện cực D và E sẽ dẫn điện, điện thế chân 4 phục vị của IC555 nằm ở trên 1V, thì chân 3 đầu ra của IC555sẽ ở mức cao, rơle J1 nhả Tiếp điểm thờng sẽ đơc đóng, bộ tiếp xúc AC J2sẽ phóng điện và hút thông nguồn điện 3 pha, đóng điện cho động cơ điện máy bơm nớc và bắt đầu bơm nớc Nếu mức nớc ở giếng nớc lúc đó ở dới điện cực D (tức là giếng nớc cạn), giữa

điện cực D và E không thông (hở mạch), chân 4 đầu phục vị của IC555 sẽ qua biến trở Wnối đất và nằm ở trạng thái phục vị, lúc đó đầu ra chân 3 của nó sẽ đa ra nức thấp, rơle J1 hút, tiếp điểm thờng J1-1 nhả, điểm tiếp xúc Ac J2 mất điện nhả, nguồn

điện 3 pha bị ngắt, động cơ M bị ngắt điện và ngừng bơm nớc Vị trí điện cực D, E trong bể nớc phải cao hơn vị trí trị số ngỡng của mức nối thông điều khiển mức nớc của giếng

~ 300V

Sơ đồ mạch điện điều chỉnh mực nớc

ỉ1Lựa chọn linh kiện

Năm điện cực A, B, C, D, E có thể dùng dây đồng, cũng có thể dùng các lá

đồng hoặc lá nhôm hình chữ nhật Rơle có thể dùng loai JQX-4, điện áp làm việc là 12V IC555 có thể chọn loại NE555, 5GI555 đều đợc

ỉ1Lắp ráp và điều chỉnh

Khi điều chỉnh đặt các điện cực A ~ E ở đúng các vị trí trong bể nớc và trong nguồn nớc Điều chỉnh biến trở W làm cho IC555 từ trạng thái phục vị vừa tới lúc có thể

b-ớc vào trạng thái giải trừ

Các tham số chính của IC555

Có hai loại: kiểu Song cực và kiểu CMOS, có một số khác biệt trong lựa chọn linh kiện khi lắp mạch,

1 Công suất tiêu hso của IC555 theo kiểu CMOS chỉ là một phần mấy chục so với kiểu song cực, dòng điện trạng thái chuẩn khoảng 200A, là linh kiẹn có công suất tiêu hao thấp

2 Điện áp nguồn Vcc của IC555 theo kiểu CMOS có thể thấp tới 2 ~ 3V

3 Sờn tăng lên và sờn giảm xuống của mạch xung đa ra của IC555 theo kiểu CMOS tốt hơn so với kiểu song cực, thời gian chuyển đổi ngắn

4 Thời gian quá độ truyền đạt ở trong IC555 theo kiểu CMOS sinh ra dòng điện sụt

áp dòng điện đỉnh chỉ là 2 ~ 3 mA, còn dòng điện kiểu song cực cao tới 300 ~ 400 mA

5 Trở kháng đầu vào của IC555 theo kiểu CMOS cao gấp nhiều lần so với kiểu song cực (cao tới 1010 )

6 Năng lực kích của IC555 theo kiểu CMOS kém, dòng điện đa ra chỉ 1 ~ 3 mA, dòng điện kích đầu ra theo kiểu song cực có thể đạt tới 200 mA

IC 555

J1

M

J2 B

C

A

D

E R2100k

R1 100k

W

C 0,01F

6

2

3 8

D

J2-2 J2-3 J1-1

Tuy nhiên kiểu CMOS và kiểu song cực đều có điểm chung.

Tên tham số Ký hiệu Kiểu song

cực Kiểu CMOS Đơn vị

Điện áp nguồn Vcc hoặc Vdd 4,5 ~ 16V 3 ~ 15V V

Dòng điện phục vị

Dòng điện kích Iv 200 1 ~ 20 và Vcc lớn

nhỏ có liên quan mA Dòng phóng điện 200 1 ~ 50 và Vcc lớn

nhỏ có liên quan mA

Độ chính xác thời

Tần số làm việc cao

1 Chức năng của chúng cơ bản là nh nhau, trong đại đa số trờng hợp chúng có thể trực tiếp thay thế cho nhau

2 Cả hai đều sử dụng nguồn điện đơn thích ứng với phạm vi điện áp lớn, có thể sử dụng chung nguồn điện vói mạch điện logic số kiểu CMOS, TTL, HTL

3 Mức điện áp ở của IC555 có thể nối trực tiếp với mạch điện TTL, HTL, CMOS

4 Anh hởng của việc biến đổi điện áp nguồn điện đối với tần số dao động và độ chính xác với thời gian nhỏ ảnh hởng với độ chính xác thời gian chỉ là 0,05%V, tính ổn định đối với nhiệt tốt Trôi nhiệt độ không cao hơn 50pp/oC

Ngoài ra dòng điện trị số đỉnh xung kích trong mạch điện gốc chuẩn thời gian 555 (IC555) theo kiểu song cực lớn, trong trờng hợp cụ thể của ứng dụng ta có thể thêm vào tụ điện bộ lọc nguồn có điện dung lớn Do trở kháng đầu vào của IC555 theo kiểu song cực thấp hơn trở kháng đầu vào theo kiểu CMOS nhiều, vì thế đầu ra công suất điều khiển điện áp của kiểu song cực nên gắn thêm một tụ điện khử ghép (0,01

~ 0,1F) còn đối với loại CMOS thì không cần thiết Trở khnsg đầu vao của IC555 theo kiểu CMOS cao tới 1010, có thể trực tiếp kích các phụ tải trở kháng cao, rất thích hợp trong các mạch điện có thời gian trễ dài, hằng số thời gian khá lớn, còn

theo kiểu song cực có thể trực tiếp kích phụ tải trở kháng thấp nh các rơle cảm tính, các động cơ điẹn và loa

Mạch điện tích hợp gốc chuẩn thời gian 556 bên trong nó bao gồm hai module gốc chuẩn thời gian đơn tức là tơng đơng với hai mạch IC555, nhng cả hai đều độc lập với nhau chỉ có nguồn điện dùng chung Vdd ( giống nh Vcc), và điện thế đất Vss

Ta có hai bảng trình bày các tham số của các IC dới đây

Các tham số của mạch điện gốc chuẩn thời gian 556 ( hai IC555) đợc trình bày

trong bảng sau.

Tên

tham số Ký hiệu Điều kiện

Trị số quy phạm

Đơn vị Trị sô

nhỏ nhất

Trị số

điển hình

Trị số lớn nhất

Điện áp

nguồn

Vcc hoặc Vdd

-20oC T

Dòng

điện

trạng

thái tĩnh

Icc hoặc Idd

Vcc=15V

Độ chính

xác ban

đầu

5VVcc

Trôi

Ppm

oC Trôi

nguồn

điện

Điện áp

đầu trị số

ngỡng

Vcc =15V

3

2

Điện áp

1 Vcc

V Dòng

điện đầu

kích

Dòng

điện đầu

trị số

ng-ỡng