Mạch Dao động đa Hài Phi ổn Dùng IC 555 - Điện Tử Việt

1. Sơ đồ mạch và hoạt động
2. Hoạt động
3. Chu kỳ làm việc (Duty Cycle)
4. Ứng dụng của mạch dao động đa hài phi ổn
   1. Phát sóng vuông
   2. Điều chế vị trí xung
   3. Chuỗi xung
   4. Điều chế tần số sử dụng mạch đa hài phi ổn

Sơ đồ mạch và hoạt động

Mạch dao động đa hài phi ổn có thể được gọi là mạch dao động đa hài chạy tự do. Nó không có trạng thái ổn định và liên tục chuyển đổi giữa hai trạng thái mà không cần dùng bất kỳ xung kích bên ngoài nào. IC 555 có thể được sử dụng để làm việc như mạch dao động đa hai phi ổn cùng với việc bổ sung 3 linh kiện bên ngoài: hai điện trở (R1 và R2) và một tụ điện (C). Sơ đồ mạch dao động đa hài phi ổn cùng với 3 linh kiện bên ngoài được hiển thị bên dưới.

Các chân 2 và 6 được kết nối với nhau nên không cần xung kích bên ngoài. Mạch sẽ tự kích hoạt và hoạt động như một mạch dao động đa hài chạy tự do. Các kết nối còn lai như sau: chân 8 được kết nối với nguồn điện áp (VCC). Chân 3 là chân ngõ ra và tín hiệu xung lấy ra tại chân này. Chân 4 là chân reset bên ngoài. Khi chân này được tác động mức thấp thì bộ định thời sẽ bị reset. Do đó khi không sử dụng, chân 4 thường được nối với VCC.

Điện áp điều khiển đặt vào tại chân 5 sẽ thay đổi mức điện áp ngưỡng. Nhưng thông thường, chân 5 được nối với đất thông qua một tụ điện (thường là 0,01µF) để lọc nhiễu. Chân 1 là chân nối đất. Độ rộng xung ngõ ra của mạch định thời được quyết định bởi các linh kiện R1, R2 và C.

Hoạt động

Sơ đồ nguyên lý dưới đây mô tả mạch bên trong của IC 555 hoạt động ở chế độ phi ổn. Mạch định thời RC kết hợp R1, R2 và C.

Đầu tiên khi mới bật nguồn, flip-flop bị RESET (và do đó ngõ ra của bộ định thời ở mức thấp). Kết quả là, transistor xả điện dẫn bão hòa (vì nó được kết nối với Q’). Tụ điện C của mạch định thời được kết nối tại chân 7 của IC 555 sẽ xả điện qua transistor. Ngõ ra của bộ định thời tại thời điểm này là mức thấp. Điện áp trên tụ điện là điện áp kích hoạt. Vì vậy, trong khi xả điện, nếu điện áp trên tụ điện nhỏ hơn 1/3 VCC, đó là điện áp tham chiếu để kích hoạt bộ so sánh (bộ so sánh 2), ngõ ra của bộ so sánh 2 sẽ lên cao. Điều này sẽ SET flip-flop và do đó ngõ ra của bộ định thời tại chân 3 lên cao.

Mức cao ở ngõ ra này sẽ làm cho transistor tắt. Kết quả là, tụ điện C bắt đầu nạp điện qua các điện trở R1 và R2. Bây giờ, điện áp tụ điện giống như điện áp ngưỡng (vì chân 6 được kết nối với tiếp điểm điện trở tụ điện). Trong khi nạp điện, điện áp tụ điện tăng theo hàm mũ tiến đến VCC và thời điểm điện áp trên tụ vượt qua 2/3 VCC, đó là điện áp tham chiếu đến bộ so sánh ngưỡng (bộ so sánh 1), ngõ ra của mạch lên mức cao.

Kết quả là, flip-flop bị RESET. Ngõ ra của bộ định thời xuống thấp. Ngõ ra thấp này một lần nữa làm cho transistor dẫn cung cấp đường dẫn xả cho tụ điện. Do đó tụ điện C sẽ xả qua điện trở R2. Và do đó chu kỳ tiếp tục.

Vì vậy, khi tụ điện đang sạc, điện áp trên tụ điện tăng theo hàm mũ và điện áp ngõ ra tại chân 3 cao. Tương tự, khi tụ điện được xả, điện áp trên tụ điện tụt xuống theo theo hàm mũ và điện áp ngõ ra ở chân 3 thấp. Hình dạng của dạng sóng ngõ ra là một chuỗi của các xung hình chữ nhật. Dạng sóng của điện áp tụ điện và ngõ ra ở chế độ phi ổn được hiển thị bên dưới.

Trong khi nạp điện, tụ điện nạp qua các điện trở R1 và R2. Do đó hằng số thời gian sạc là (R1 + R2) C khi tổng điện trở trong đường dẫn nạp là R1 + R2. Trong khi xả điện, tụ điện chỉ xả qua điện trở R2. Do đó hằng số thời gian xả là R2C.

Chu kỳ làm việc (Duty Cycle)

Hằng số thời gian sạc và xả phụ thuộc vào giá trị của điện trở R1 và R2. Nói chung, hằng số thời gian sạc nhiều hơn hằng số thời gian xả. Do đó, thời gian xung ở mức cao dài hơn thời gian xung ở mức thấp và do đó dạng sóng ngõ ra không đối xứng. Chu kỳ làm việc là tham số toán học tạo thành một mối quan hệ giữa ngõ ra cao và ngõ ra thấp. Chu kỳ làm việc được định nghĩa là tỷ lệ thời gian của ngõ ra CAO, nghĩa là thời gian ON với tổng thời gian của chu kỳ.

Nếu TON là thời gian ngõ ra cao và T là khoảng thời gian của một chu kỳ, thì chu kỳ làm việc D được cho bởi

D = TON/ T

Do đó, phần trăm chu kỳ nhiệm vụ được đưa ra bởi

%D = (TON / T) * 100

T là tổng TON (thời gian nạp) và TOFF (thời gian xả).

Giá trị của TON hoặc thời gian nạp (khi ngõ ra cao) TC được cho bởi

TC = 0.693 * (R1 + R2) C

Giá trị của TOFF hoặc thời gian xả (khi ngõ ra thấp) TD được cho bởi

TD = 0.693 * R2C

Do đó, khoảng thời gian cho một chu kỳ T được cho bởi

T = TON + TOFF = TC + TD

T = 0.693 * (R1 + R2) C + 0.693 * R2C

T = 0.693 * (R1 + 2R2) C

Vì thế, %D = (TON/ T) * 100

%D = (0.693 * (R1 + R2) C)/(0.693 * (R1 + 2R2) C) * 100

%D = ((R1 + 2R2))/((R1 + 2R2)) * 100

Nếu T = 0.693 * (R1 + R2) C, thì tần số được cho bởi

f = 1 / T = 1 / 0.693 * (R1 + 2R2) C

f = 1.44/( (R1 + 2R2) C) Hz

Lựa chọn R1, R2 và C1 cho phạm vi ferquency khác nhau như sau:

R1 và R2 phải nằm trong khoảng từ 1k đến 1M. Tốt nhất là nên chọn C1 đầu tiên (vì các tụ điện chỉ có sẵn trong một vài giá trị) theo phạm vi tần số từ bảng sau đây.

Chọn R2 để cung cấp tần số (f) mà bạn yêu cầu.

R2 = 0.7 /(f × C1)‏

Chọn R1 khoảng một phần mười R2 (tối thiểu 1k)

Ứng dụng của mạch dao động đa hài phi ổn

Phát sóng vuông

Chu kỳ làm việc của một mạch dao động đa hài phi ổn luôn lớn hơn 50%. Một sóng vuông có được ở ngõ ra của một mạch dao động đa hài phi ổn khi chu kỳ làm việc chính xác là 50%. Chu kỳ làm việc của mạch dao động đa hài phi ổn dùng IC 555 trong ví dụ nêu trên không thể bằng hoặc nhỏ hơn 50%. Một số thay đổi có thể được thực hiện cho mạch này.

Thay đổi mạch bằng cách thêm 2 diode. Một diode mắc song song với điện trở R2 với cực cathode đối diện với tụ điện và một diode khác nối tiếp với điện trở R2 với cực anode đối diện với tụ điện. Bằng cách điều chỉnh các giá trị của các điện trở R1 và R2, chu kỳ làm việc của xung vuông ngõ ra có thể thay đổi trong khoảng 5% đến 95%. Mạch phát ra sóng vuông được hiển thị bên dưới.

Trong mạch này, khi nạp điện tụ C nạp qua R1 và D1 bằng cách đi qua R2. Khi xả, nó xả điện qua D2 và R2.

Do đó, hằng số thời gian nạp điện là TON = TC và được cho bởi

TON = 0.693 * R1C và

hằng số thời gian xả điện TOFF = TD và được cho bởi

TOFF = 0.693 * R2C.

Do đó, chu kỳ làm việc D được tính theo công thức

D = R1/(R1+R2)

Để có được một sóng vuông, chu kỳ làm việc có thể được thực hiện 50% bằng cách cho các giá trị của R1 và R2 bằng nhau. Các dạng sóng của bộ tạo sóng vuông được hiển thị bên dưới.

Một chu kỳ làm việc nhỏ hơn 50% đạt được khi điện trở của R1 nhỏ hơn R2. Thông thường, điều này có thể đạt được bằng cách sử dụng chiết áp thay cho R1 và R2. Một mạch phát sóng vuông có thể được xây dựng từ mạch dao động đa hài phi ổn mà không cần sử dụng bất kỳ diode nào. Bằng cách đặt điện trở R2 giữa các chân 3 và 2, tức là chân ngõ ra và chân xung kích. Mạch được hiển thị bên dưới

Trong mạch này, cả hoạt động nạp và xả điện chỉ xảy ra thông qua điện trở R2. Điện trở R1 phải đủ lớn để không ảnh hưởng đến tụ điện trong khi sạc. Nó cũng được sử dụng để đảm bảo rằng tụ điện nạp đến giới hạn tối đa (VCC).

Điều chế vị trí xung

Trong điều chế vị trí xung, vị trí của xung thay đổi theo tín hiệu điều chế trong khi biên độ và chiều rộng của xung được giữ không đổi. Vị trí của mỗi xung thay đổi theo điện áp lấy mẫu tức thời của tín hiệu điều chế. Để đạt được điều chế vị trí xung, hai IC định thời 555 được sử dụng trong đó một IC hoạt động ở chế độ phi ổn và IC kia hoạt động ở chế độ đơn ổn.

Tín hiệu điều chế được đưa vào chân 5 của IC 555 đầu tiên đang hoạt động ở chế độ phi ổn. Đầu ra của IC 555 này là sóng điều chế độ rộng xung. Tín hiệu PWM này được vào ngõ vào xung kích cho IC 555 thứ hai đang hoạt động ở chế độ đơn ổn. Vị trí của các xung ngõ ra của IC 555 thứ hai thay đổi theo tín hiệu PWM mà tín hiệu này lại phụ thuộc vào tín hiệu điều chế.

Sơ đồ của bộ điều chế vị trí xung sử dụng hai IC định thời 555 được hiển thị bên dưới.

Điện áp ngưỡng cho IC 555 đầu tiên, được xác định bởi điện áp điều khiển (tín hiệu điều chế), được thay đổi thành UTL (Mức ngưỡng trên) và được cho bởi

UTL = 2/3 VCC + VMOD

Khi điện áp ngưỡng thay đổi tương ứng với tín hiệu điều chế đưa vào, độ rộng của xung thay đổi và do đó thời gian trễ thay đổi. Khi tín hiệu điều chế độ rộng xung này được đưa vào chân trigger của IC thứ hai, sẽ không có sự thay đổi về biên độ hoặc độ rộng của xung ngõ ra nhưng chỉ thay đổi vị trí của xung.

Các dạng sóng của tín hiệu điều chế vị trí xung được hiển thị bên dưới.

Chuỗi xung

Chúng ta biết rằng mạch dao động đa hài phi ổn sẽ tạo ra chuỗi xung liên tục. Bằng cách sử dụng một chiết áp thay cho R1, một chuỗi xung có thể được tạo ra với độ rộng khác nhau. Mạch phát chuỗi xung sử dụng chế độ hoạt động phi ổn của IC 555 được hiển thị bên dưới.

Điều chế tần số sử dụng mạch đa hài phi ổn

Mạch dao động đa hài phi ổn có thể được sử dụng để tạo ra các tín hiệu điều chế tần số. Một tín hiệu điều chế được đưa vào chân 5 (điện áp điều khiển). Mạch điều chế tần số sử dụng IC 555 hoạt động ở chế độ phi ổn được hiển thị bên dưới.

Một diode được kết nối song song với điện trở R2 để tạo ra một xung ngõ ra với chu kỳ làm việc ≈ 50%. Tín hiệu điều chế được đưa vào chân 5 thông qua một bộ lọc thông cao bao gồm một tụ điện và một điện trở. Theo tín hiệu điều chế được đưa vào tại chân 5, ngõ ra sẽ được điều chế tần số. Nếu điện áp của tín hiệu điều chế cao, khoảng thời gian của tín hiệu ngõ ra là cao còn nếu điện áp của tín hiệu điều chế thấp, thì khoảng thời gian là thấp. Các dạng sóng của tín hiệu điều chế và tín hiệu điều chế tần số được hiển thị bên dưới.