تراشه زمان‌سنج ۵۵۵

تراشه ۵۵۵

تراشه زمان‌سنج ۵۵۵ (به انگلیسی: ‎555 timer IC)‏ تراشه‌ای است که استفاده‌های گوناگونی در مدارات زمان‌سنجی، تولید پالس، و نوسان‌ساز دارد. ۵۵۵ می‌تواند به‌عنوان تاخیر زمانی در یک مدار تایمر و همچنین به عنوان یک مدار نوسانگر یا به‌عنوان یکی از اجزا در مدار الاکلنگی استفاده گردد. مشتقات آن می‌توانند تا ۴ مدار زمان‌بند را در یک بسته فراهم کنند. جدید ترین آی سی تایمر معروف به gp2میباشدکه قابلیت اندازه گیری زمان ۶۵پیکو ثانیه را دارد

در سال ۱۹۷۱ توسط شرکت Sygnetics، معرفی شد. ۵۵۵ همچنان استفاده وسیعی به خاطر استفاده راحت، قیمت اندک و پایداری خوب آن دارد. امروزه توسط شرکت‌های بسیاری در انواع ترانزستور پیوندی و همچنین کم‌توان سیماس ساخته می‌شود. از ۲۰۰۳ پیش‌بینی شد که ۱ بیلیون واحد از آن در هر سال تولید شود.

دیاگرام بلوکی داخل تراشه ۵۵۵

طراحی

این تراشه در ۱۹۷۱ توسط هنس کمنزیند در ارتباط با Signetics ساخته شد.

بسته به تولیدکننده، استاندارد بسته ۵۵۵ می‌تواند شامل بیش از ۲۰ ترانزیستور، ۲ دیود و ۱۵ مقاومتبر یک چیپ سیلیسیمی بر روی یک بسته ۸ پایه دوردیفی (DIP-8) قرار می‌گیرد. انواع در دسترس شامل ۵۵۶ (یک بسته ۱۴ پایه ترکیب دو ۵۵۵ بر روی یک چیپ)، و ۵۵۸ و ۵۵۹ (هردو ۱۶ پایه ترکیب چهار ۵۵۵ با اندکی تغییر) قطعات NE555 نوع تجاری با درجه عمل‌کرد بین ۰ درجه تا ۷۰ درجه سانتیگراد، و SE555 برای استفاده نظامی در دمای کاری -۵۵ تا +۱۲۵ درجه سانتی‌گراد. این‌ها در بسته فلزی با قابلیت اطمینان بالا (بسته T) و بسته‌های ارزان پلاستیک اپوکسی (بسته v). بنابراین نام کامل آن NE555V، NE555T و SE555T خواهد بود. فرض شده که نام ۵۵۵ از سه مقاومت ۵kΩ که در آن استفاده شده گرفته شده؛ اما هنس کمنزیند گفته‌است که این نام دلخواه بوده.

انواع کم-توان ۵۵۵ نیز دردسترس است همچون ۷۵۵۵ و سیماس TLC555. قطعه ۷۵۵۵ تولید شد تا نویز کمتری نسبت به ۵۵۵ قدیمی به منبع تغذیه بدهد و تولیدکننده ادعا کرده‌است که در بیشتر استفاده‌ها نیازی به خازن کنترل نیست و در بسیاری موارد به خازن کنارگذر بر روی منبع تغذیه نیست. با وجود این نبایست از این کار اجتناب شود، چراکه نویز تولید شده توسط زمان‌سنج یا انواع دیگر در منبع تغذیه ممکن است با قطعات دیگر تداخل کند یا بر ولتاژهای آستانی (threshold) اثر گذارد.

پایه‌ها

دیاگرام پایه‌ها

اتصال پایه‌های بسته DIP به این صورت است:

شماره پایه	نام	توضیح
۱	GND	ولتاژ مرجع زمین، سطح پایین.
۲	TRIG	در صورتی که ولتاژ این پایه به نصف ولتاژ CTRL برسد پایه OUT به سطح بالا رفته و یک (بازه) زمانی آغاز می‌شود.
۳	OUT	این خروجی به تقریباً ۱٫۷ ولت کمتر از +VCC یا GND رانده می‌شود.
۴	RESET	یک بازه زمانی می‌تواند بازنشانی شود در صورتی که این ورودی به GND رانده شود. اما زمان‌سنج تاز زمانی که این پایه به بیش از تقریباً ۰٫۷ ولت نرسد نمی‌تواند دوباره آغاز شود.
۵	CTRL	دسترسی «کنترل» را به راننده ولتاژ داخلی فراهم می‌آورد. (در حالت عادی ۲/۳ Vcc است)
۶	THR	بازه زمان (OUT high) در صورتی که ولتاژ THR از ولتاژ CTRL بیشتر شود پایان می‌یابد.
۷	DIS	خروجی کلکتور باز که ممکن است یک خازن را در بین بازه‌های زمانی خالی کند. با خروجی در یک فاز است.
۸	Vcc	سر مثبت منبع تغذیه، که معمولاً بین ۳ و ۱۵ ولت بسته به نوع آی‌سی متغیر است.

پایه ۵ همچنین پایه ولتاژ کنترلی نامیده می‌شود. با قرار دادن ولتاژ کنترلی شخص می‌تواند مشخصات زمان‌بندی دستگاه را تغییر دهد. در بیشتر دستگاه‌ها، ولتاژ کنترلی ورودی استفاده می‌شود. استفاده از یک خازن ۱۰nF بین پایه ۵ و ۰V برای جلوگیری از تداخل معمول است. ولتاژ کنترلی ورودی می‌تواند برای ساخت حالت آستابل با مدولاسیون فرکانس در خروجی استفاده شود.

مُدها

۵۵۵ سه مُد کاری دارد:

• مُد مونواستابل: در این مُد، ۵۵۵ به عنوان تولید پالس «تک-شات» عمل می‌کند. دستگاه‌های شامل زمان‌سنج، ردیابی پالس از دست رفته، کلید پرش-آزاد، کلید لمسی، تقسیم‌گر فرکانس، سنجش مقدار خازن، مدولاسیون عرض پالس، و دیگر.
• مُد آستابل (free-running): تراشه ۵۵۵ می‌تواند به عنوان یک نوسان‌گر عمل کند. همراه LED و فلاشرهای لامپی، مولد پالس، ساعت‌های منطقی، تولید صدا، آژیر امنیتی، مدولاسیون محل پالس و دیگر. ۵۵۵ می‌تواند به عنوان یک مبدل آنالوگ به دیجیتال ساده استفاده شود، تبدیل مقدار آنالوگ به طول پالس. برای نمونه با انتخاب مقاومت گرمایی به عنوان مقاومت زمان‌بندی به ۵۵۵ اجازه می‌دهد تا دما را اندازه‌گیری کند: دوره پالس خروجی به عنوان دما در نظر گرفته می‌شود. سپس با استفاده از سیستم برپایه میکروپروسسور می‌توان دوره پالس را به دما تبدیل نموده، و با خطی‌سازی آن را تنظیم کرد.
• مُد بای‌استابل (یا schmitt trigger): تراشه ۵۵۵ می‌تواند به عنوان فلیپ‌فلاپ عمل کند، اگر پایه DIS متصل نباشد و از هیچ خازنی استفاده نشود. که می‌تواند در کلیدهای پرش-آزاد لچ شده استفاده شود.

حالت مونواستابل

شماتیک ۵۵۵ در مُد مونواستابل

رابطه بین سیگنال تریگر، ولتاژ C و پهنای پالس در مُد مونواستابل.

در مُد مونواستابل، تایمر ۵۵۵ به عنوان تولیدکننده پالس «تک-شات» عمل می‌کند. پالس زمانی که ۵۵۵ یک سیگنال از ورودی تریگر دریافت می‌کند آغاز می‌شود که از یک‌سوم ولتاژ منبع تغذیه کمتر شده‌است. پهنای پالس خروجی می‌تواند توسط ثابت زمانی یک شبکه RC مشخص شود، که شامل یک خازن و یک مقاومت می‌شود. پالس خروجی زمانی تمام می‌شود که ولتاژ خازن به ۲/۳ ولتاژ منبع تغذیه می‌رسد. پالس خروجی می‌تواند بسته به نیاز کاربرد مخصوص با تغییر مقدار R و C طولانی‌تر و یا کوتاه‌تر شود. مدت زمان پالس خروجی t، یا مدت زمانی که طول می‌کشد تا خازن تا ۲/۳ ولتاژ منبع تغذیه شارژ شود به صورت زیر داده شده‌است:

$t = RC\ln(3) \approx 1.1 RC$

که t به ثانیه، R به اهم و C به فاراد است. هنگام استفاده از تراشه زمان‌سنج در حالت مونواستابل، ضعف اصلی این است که بازه زمانی بین دو پالس تریگ باید از ثابت زمانی RC بیشتر باشد.

مُد بای‌استابل

شماتیک ۵۵۵ در مُد بای‌استابل

در مُد بای‌استابل، زمان‌سنج ۵۵۵ به عنوان یک فلیپ‌فلاپ عمل می‌کند. ورودی‌های trigger و reset (پایه‌های ۲ و ۴ مشخص‌شده در ۵۵۵) با مقاومت‌های پول‌آپ در حالت بالا نگه داشته‌شده‌اند درحالی که ولتاژ شکست (پایه ۶) زمین شده‌است. با این تنظیمات، فشار دادن پایه trigger به زمین درجا به عنوان «set» و خروجی (پایه ۳) را به Vcc (حالت بالا) می‌برد. فشار دادن ورودی reset به زمین به عنوان «reset» عمل می‌کند و خروجی را به زمین (حالت پایین) می‌برد. هیچ خازنی برای تنظیم حالت بای‌استابل نیست. پایه ۵ (کنترل) توسط یک خازن با مقدار کم (معمولاً بین ۰٫۰۱ تا ۰٫۱ میکروفاراد) به زمین متصل شده است؛ پایه ۷ (discharge) در هوا رها می‌شود.

اس سی شمارنده ۵۵۵ باید با خازن ۱۰میکرو امتحان شود نه ۱۰ پیکو تا بتواند عدد را بشمارد

مُد آ-استابل

مدار استاندارد ۵۵۵ در مُد آ-استابل

در مُد آ-استابل، تایمر ۵۵۵ یک موج مربعی دائمی را با فرکانس مشخص شده به خروجی می‌دهد. مقاومت R1 بین Vcc و پایه discharging (پایه ۷) متصل شده است و مقاومت دیگر R_۲ بین پایه discharging (پایه ۷) و trigger (پایه ۲) و threshold (پایه ۶) پایه‌هایی که یک گره مشترک ایجاد نموده‌اند. به خاطر شارژ شدن خازن از راه R_۱ و R_۲ و خالی شدن تنها از طریق R_۲، تا هنگامی که پایه شماره ۷ در مدت پایین بودن خروجی مقاومت کم تا زمین دارد، بنابراین خازن تخلیه می‌شود.

در حالت آ-استابل، فرکانس قطار پالس به مقدار R_۱، R_۲ و C بستگی دارد.

$f = \frac{1}{\ln(2) \cdot C \cdot (R_1 + 2R_2)}$

مدت بالا بودن در هر پالس به صورت زیر داده می‌شود:

$\mathrm{high} = \ln(2) \cdot (R_1 + R_2) \cdot C$

و مدت پایین بودن نیز در هر پالس به صورت زیر داده می‌شود:

$\mathrm{low} = \ln(2) \cdot R_2 \cdot C$

که مقدار مقاومت‌های R_۱ و R_۲ به اهم و C مقدار خازن به فاراد است.

توان مقاومت R_۱ می‌بایست بیش از $\frac{V_{cc}^{2}}{R_1}$ باشد.

در خصوص ۵۵۵های دوقطبی، بایستی از دادن مقدار پایین به مقاومت R1 دوری شود چرا که خروجی در مدت تخلیه خازن در حالت اشباع نزدیک صفر باقی می‌ماند. همان‌طور که در معادله بالا در نظر گرفته شد. درغیر این‌صورت مدت زمان پایین بودن خروجی کمتر از مقداری که در بالا گفته شد خواهد بود. باید گفته شود که چرخه اول بسیار بیشتر از مقدار محاسبه شده در معادله خواهد بود، برابر با مدت زمانی که خازن باید از ۰ تا ۲/۳ Vcc شارژ شود. اما در دوره‌های بعدی تنها باید از ۱/۳ به ۲/۳ Vcc برود.

برای رسیدن به duty cycle کمتر از ۵۰٪، یک دیود (که به اندازه کافی برای ای کاربرد سریع باشد) می‌تواند به موازات R_۲ به صورت مستقیم به سمت خازن اضافه شود. این کار R_۲ را در طول مدت زمان سطح بالا کنارگذر می‌کند. با این کار مدت سطح بالا تقریباً تنها به R_۱ و C وابسته خواهد بود. وجود دیود موجب افت ولتاژ می‌شود و شارژ خازن را کند می‌کند. بنابراین مدت زمان شارژ خازن بیش از ln(2)*R_۱C = 0.69 R_۱C می‌شود. مدت زمان پایین بودن برابر خواهد بود با زمانی که دیود وجود ندارد. با وجود دیود مدت زمان بالا به این صورت خواهد بود:

$\mathrm{high} = R_1 C \cdot \ln(\frac{2V_{cc}-3V_{diode}}{V_{cc}-3V_{diode}})$

در اینجا V_diode مقداری است که در آن جریان نصف Vcc/R_۱ است. به عنوان یک مثال هنگامی که Vcc=5 و V_diode=.7، مدت زمان بالا برابر 1.00R1C که ۴۵٪ بیشتر از R1C است. در یک نمونه دیگر هنگامی که Vcc=15 و V_diode=0.3، مدت زمان بالا بودن 0.725R1C، یا ۴٫۶٪ بیشتر. معادله به ۰٫۶۹۳R1C کاهش خواهد یافت اگر V_diode=۰ شود.

عمل‌کرد RESET در این مُد به خوبی توضیح داده نشد، بعضی تولیدکنندگان خروجی را هنگامی که RESET به پایین می‌رود به مقدار قبل می‌برند. دیگران خروجی را به سطح بالا یا پایین می‌برند.

مشخصات

این مشخصات مخصوص NE555 است. ۵۵۵های دیگر مشخصه متفاوتی بسته به رتبه‌شان (نظامی، پزشکی، و دیگر) دارند.

ولتاژ تغذیه (VCC)	۴٫۵ تا ۱۵ ولت
جریان تغذیه (VCC = +5 V)	۳ تا ۶ میلی‌آمپر
جریان تغذیه (VCC = +15 V)	۱۰ تا ۱۵ میلی‌آمپر
جریان خروجی (بیشینه)	۲۰۰ میلی‌آمپر
بیشینه توان اتلافی	۶۰۰ میلی‌وات
توان مصرفی (عملکرد حداقل)	۳۰ میلی‌وات در ۵ولت، ۲۲۵ میلی‌وات در ۱۵ولت
دمای عملکرد	۰ تا ۷۰ درجه سانتی‌گراد

پیوند به بیرون

در ویکی‌انبار پرونده‌هایی دربارهٔ تراشه زمان‌سنج ۵۵۵ موجود است.

وبگاه‌ها

• مدارهای زمان‌سنج ۵۵۵، آ-استابل، مونواستابل و بای‌استابل
• مدارهای ساده ۵۵۵
• شبیه‌ساز جاوا برای مدار زمان‌سنج ۵۵۵
• ماشین‌حساب برای محاسبه duty cycle و فرکانس؛ در مدار آ-استابل
• آموزش تراشه ۵۵۵
• اشتباه‌های متداول هنگام استفاده از ۵۵۵
• مدارهای زمان‌سنج‌های ۵۵۵ و ۵۵۶
• استفاده‌های ۵۵۵ و نمونه‌ها

دیتاشیت‌ها

• NE555, Single Bipolar Timer, Texas Instruments / National Semiconductor, 31 pages, 2010
• LMC555, Single CMOS Timer, Texas Instruments, 14 pages, 2010 (operates down to 1.5 Volt at 50 uAmp)
• ZSCT1555, Single CMOS Timer, Diodes Inc, 11 pages, 2006 (operates down to 0.9 Volt at 74 uAmp)
• ICM7555 / 6, Single / Dual CMOS Timer, Intersil, 12 pages, 2006 (operates down to 2.0 Volt at 60 uAmp)
• NE556, Dual Bipolar Timer, Texas Instruments, 16 pages, 2006
• NE558, Quad Bipolar Timer, NXP / Philips, 9 pages, 2003