IC định thời 555 chắc chắn là một trong những IC đơn quan trọng và được sử dụng rộng rãi nhất trong lịch sử. Thiết kế của nó hầu như không thay đổi trong hơn 40 năm, khiến nó trở thành một trong những IC có tuổi thọ cao nhất. Nó đã được sử dụng trong mọi thứ, từ đồ chơi đến tàu vũ trụ.

IC 555 được thiết kế lần đầu tiên vào năm 1971 bởi Hans Kamenzind, một kỹ sư điện tử người Thụy Sĩ làm việc cho Signetics ở California. Kamenzind đã dành nhiều tháng để hoàn thiện thiết kế, tự tay tạo ra một số phiên bản thử nghiệm của mạch trên bảng mạch thử nghiệm bằng các linh kiện điện tử rời rạc. Sau khi thiết kế hoàn tất, Kamenzind ngồi vào bàn vẽ và dùng dao cạo để cắt mạch lên một tấm nhựa. Tổng cộng có 23 transistor BJT, 15 điện trở và 2 diode được cắt lên tấm nhựa, sau đó được xử lý thành khuôn để khắc lên tấm silicon. Kiểu thiết kế từ đầu đến cuối như vậy do một người thực hiện giờ đây được thực hiện bởi các nhóm kỹ sư lớn với phần mềm thiết kế, mô phỏng, đấu dây và khắc mạch phức tạp để xử lý nhiệm vụ đầy thách thức của thiết kế IC hiện đại.

IC 555 cực kỳ dễ sử dụng, có độ tin cậy cao trong nhiều ứng dụng khác nhau và đặc biệt mạnh mẽ trong việc xử lý các tác vụ. Và trong mọi ứng dụng, mọi thứ đều phụ thuộc vào ba chế độ hoạt động chính của nó: chế độ đơn ổn định hay "một xung", chế độ đa ổn định hay dao động, và chế độ lưỡng ổn định hay lật mạch. Mọi mạch sử dụng 555, và có vô số mạch như vậy, cuối cùng đều hoạt động ở một trong ba chế độ này.

Để dễ hiểu hơn, tôi sẽ không đi sâu vào chi tiết phức tạp của các mạch 555, nhưng tôi sẽ cung cấp một danh sách ngắn các nguồn tài liệu mà tôi đã tìm thấy một số ý tưởng hay. Mục tiêu của tôi là chỉ giải thích những điều cơ bản và cơ chế hoạt động bên trong của từng chế độ, chứ không phải hướng dẫn bạn cách làm cho đèn LED nhấp nháy hoặc chế tạo bộ tổng hợp âm thanh còi báo động. Khi bạn nắm được kiến ​​thức này, bạn có thể dễ dàng thiết kế mạch 555 của riêng mình để thực hiện những gì bạn muốn, thay vì phải tìm kiếm trên Google và giải mã ý tưởng của người khác.

Bước 1: Bạn cần chuẩn bị một số bộ phận...

Như đã đề cập trước đó, mạch điện này không phức tạp, nhưng cần một số linh kiện, tất cả đều dễ dàng tìm thấy.

Những thứ bạn cần chuẩn bị:

• Đối với IC định thời 555, đừng lo lắng về nhà sản xuất hoặc các chữ cái trong tên như NE, LM, NA, SE, hoặc SA; chỉ cần tìm số 555. Những loại rẻ hơn có thể hoạt động tốt hoặc thậm chí tốt hơn những loại đắt tiền hơn. Hơn nữa, bạn nên sử dụng loại lưỡng cực phổ biến hơn, được làm từ transistor BJT thay vì FET. Các chip CMOS được làm từ FET hoạt động tương tự nhưng dễ bị ảnh hưởng bởi tĩnh điện hơn và nói chung không thể chịu được dòng điện lớn như BJT. Cách đáng tin cậy nhất để phân biệt giữa BJT và FET 555 là kiểm tra bảng dữ liệu, chẳng hạn như bảng này cho BJT LM555 hoặc bảng này cho FET CMOS TLC555, cả hai đều của Texas Instruments. Thông tin này thường được tìm thấy ở trang đầu tiên, trong phần mô tả chủ đề hoặc trong vài đoạn đầu tiên.
• Hình ảnh hiển thị nhiều loại điện trở (bao gồm cả biến trở) và tụ điện; giá trị định mức của chúng được chỉ ra khi cần thiết.
• Các linh kiện khác bao gồm: đèn LED, còi báo, loa 8 ohm, công tắc, dây nối, pin và hộp đựng pin (hoặc các nguồn điện khác), bảng mạch thử nghiệm, v.v.

Nhiều công ty hiện đang sản xuất IC 555, nhưng thiết kế cốt lõi vẫn không thay đổi so với thiết kế ban đầu của Camnzind cách đây 40 năm. Do đó, không có IC 555 nào tốt hơn đáng kể so với IC 555 khác (mặc dù mỗi người có sở thích riêng; thành thật mà nói, tôi không quan tâm, tất cả đều hoạt động tốt cho công việc của chúng ta). Dưới đây là hình ảnh của một IC 555 DIP 8 chân, loại đóng gói phổ biến nhất, mặc dù cũng có các biến thể khác. Tiếp theo là hình ảnh hiển thị sơ đồ chân và kết nối của khối bên trong với các chân khác nhau. Để xem sơ đồ mạch bên trong chi tiết, vui lòng xem hình ảnh này .

Bước 2: Chế độ một lần phát hoặc chế độ đơn ổn định

Chế độ đầu tiên được gọi là chế độ một lần hoặc chế độ đơn ổn định vì chân 3 (đầu ra) sẽ ở trạng thái cao trong thời gian bạn muốn, nhưng chỉ một lần duy nhất. Khi hết thời gian, đầu ra sẽ trở về trạng thái thấp và chờ một sự kiện kích hoạt khác để bắt đầu lại, duy trì ở một trạng thái duy nhất (tắt). Một ví dụ điển hình cho khái niệm này là đèn cảm biến chuyển động.

Trước tiên, chúng ta hãy xem sơ đồ mạch điện bên dưới, sau đó chúng ta sẽ phân tích những gì xảy ra tiếp theo.

Nhấn nút SW1 sẽ làm đèn LED sáng lên trong giây lát, sau đó tắt. Thời gian sáng của đèn được tính bằng cách nhân giá trị của R4 và C2, và kết quả sẽ được hiển thị bằng giây. Thời gian thu được sẽ không chính xác, và sai số sẽ tăng lên khi một trong các giá trị rất lớn hoặc rất nhỏ. Sử dụng một biến trở có kích thước tương tự như R4 nhưng thay thế R4 sẽ cho phép điều khiển thời gian tốt hơn. Cuối cùng, cách duy nhất để biết thời gian chính xác là sử dụng một chiếc đồng hồ thực sự.

Giá trị R4 và C2 càng cao thì đèn LED càng sáng lâu hơn. Tại sao? Hãy cùng xem chi tiết. (Bây giờ là lúc thích hợp để xem lại sơ đồ khối chức năng từ bước trước.) Trước khi nhấn SW1, chân đầu ra 3 ở mức thấp, và R3 kéo tín hiệu ở chân 2 (kích hoạt) lên mức cao, do đó đèn LED tắt và giữ nguyên trạng thái đó. Khi nhấn SW1, nó sẽ nối tắt tín hiệu từ chân 2 xuống GND, điều này kích hoạt bộ so sánh bên trong. Nếu điện áp ở chân 2 nhỏ hơn 1/3 điện áp nguồn, bộ so sánh sẽ kích hoạt mạch lật, làm tăng điện áp chân đầu ra 3. Vì nguồn của chúng ta là +9V, chúng ta chỉ cần chân 2 phát hiện điện áp nhỏ hơn +3V, vì vậy 0V ở GND là đủ. Bây giờ đèn LED của chúng ta đã sáng. Tiếp theo là gì?

Tụ điện C2 sẽ hết điện trước khi ta nhấn SW1 vì nó được nối với cực xả 7, về cơ bản là nối trực tiếp C2 với điểm nối đất bên trong và xả điện cho nó. Khi ta nhấn SW1 và mạch lật hoạt động, kết nối bên trong với cực xả 7 bị ngắt, và C2 có thể được nạp điện thông qua R4. Đây là lúc mạch định thời phát huy tác dụng. Nếu tụ điện (C2 lớn) có điện tích lớn, hoặc dòng điện ta dùng để nạp điện cho nó nhỏ (R4 lớn), thì thời gian nạp điện cho C2 sẽ lâu hơn. Khi điện áp trên C2 đạt đến 2/3 điện áp nguồn (ở đây là +6V), bộ so sánh thứ hai được nối với cực ngưỡng 6 sẽ hoạt động, khiến mạch lật trở về trạng thái ban đầu, đóng toàn bộ mạch. C2 kết nối lại bên trong với cực xả 7 và xả điện trở lại 0V, sẵn sàng cho thao tác tiếp theo.

Trong khoảng thời gian từ khi nhấn SW1 đến khi điện áp tại C2 đạt 2/3 điện áp nguồn, việc nhấn SW2 sẽ làm ngắn mạch chân Reset (số 4), chân này trước đó được giữ ở điện áp cao do R2. Chân Reset, đúng như tên gọi, sẽ đưa mạch lật trở lại trạng thái ban đầu, khiến đèn LED tắt và C2 được xả hết điện.

Bước 3: Chế độ lật-flop hoặc chế độ lưỡng ổn định.

Flip-flop giống như một công tắc có thể duy trì trạng thái ban đầu vô thời hạn cho đến khi có tác động buộc nó thay đổi trạng thái. Điều này rất quan trọng trong logic và tính toán số, nhưng ở đây chúng ta sẽ đơn giản hóa bằng cách sử dụng nó như một công tắc. Bây giờ chúng ta có hai trạng thái hoàn toàn ổn định mà sẽ không tự thay đổi, được gọi là chế độ lưỡng ổn định.

Trước tiên, chúng ta hãy xem sơ đồ bên dưới, rồi sau đó sẽ thảo luận về những gì đã xảy ra.

Nhấn SW1 sẽ làm sáng đèn LED. R2 sẽ duy trì điện áp cao tại chân kích hoạt 2 cho đến khi nút được nhấn, ngăn mạch hoạt động. Khi SW1 được nhấn, mạch lật bên trong sẽ mở chân đầu ra 3 và chờ tín hiệu từ bộ so sánh thứ hai cho biết chân ngưỡng 6 đã đạt đến 2/3 điện áp nguồn. Tuy nhiên, vì chân 6 được nối đất, bộ so sánh sẽ không kích hoạt, cho phép mạch hoạt động và ổn định. Cách duy nhất để dừng nó là nhấn SW2, nối chân reset 4 với đất, nơi đã được R3 duy trì điện áp cao. Thao tác này buộc mạch lật trở lại trạng thái ban đầu, tắt đèn LED. Mạch sẽ ổn định trở lại ở trạng thái này, chờ người dùng nhấn SW1.

Bước 4: Chế độ dao động hoặc chế độ đa hài.

Chúng ta đã thấy rằng IC 555 có hai trạng thái đầu ra ổn định (chế độ đơn ổn định) và hai trạng thái ổn định (chế độ lưỡng ổn định). Tùy chọn cuối cùng cho IC này là không có trạng thái ổn định nào cả, hay chế độ đa ổn định. Đầu ra liên tục chuyển đổi giữa hai trạng thái này với tốc độ không đổi, về cơ bản hoạt động như một bộ dao động hoặc bộ tạo tần số. Tốc độ này hoàn toàn có thể điều chỉnh và có độ tin cậy cao. Hãy xem nó trông như thế nào.

Khó có thể nói chính xác trạng thái khởi động của IC 555, liệu là đầu ra cao hay thấp, nhưng giả sử tụ điện bắt đầu xả và chân đầu ra 3 ở trạng thái cao, và chân kích hoạt 2 được nối trực tiếp với chân ngưỡng 6, ta có thể nói rằng mạch lật bên trong chuyển đổi qua lại theo sự tăng giảm điện áp trên tụ điện. Tốc độ chuyển mạch được xác định bởi R1 và R2.

Chúng ta bắt đầu với chân ngưỡng 6 ở mức thấp, do đó chân đầu ra 3 ở mức cao. Khi C2 nạp điện qua cả R1 và R2 cho đến khi đạt 2/3 điện áp nguồn, mạch lật bên trong sẽ kích hoạt, làm giảm điện áp chân đầu ra 3. Sau đó, chân 3 vẫn ở mức thấp trong khi C2 xả điện qua R2 và tại chân 7. Khi C2 đạt 1/3 điện áp nguồn, mạch lật bên trong sẽ nâng điện áp chân đầu ra 3 lên, và C2 lại nạp điện qua R1 và R2, khởi động lại toàn bộ quá trình. Trạng thái cao/thấp liên tục thay đổi trên chân đầu ra 3 có thể được nghe thấy như một âm thanh thông qua một loa nhỏ 8Ω. Bạn cũng có thể sử dụng đầu ra này như một tín hiệu Điều chế độ rộng xung (PWM) để điều khiển một động cơ nhỏ có điều khiển tốc độ biến đổi. Hãy nhớ sử dụng một transistor giữa chân đầu ra 3 và tải nếu tải yêu cầu dòng điện cao hơn. IC 555 khá mạnh mẽ, nhưng LM555 của TI chỉ có thể chịu được dòng điện 200mA, vì vậy hãy đảm bảo bảo vệ nó.

Việc thay đổi giá trị của R1 điều chỉnh thời gian sạc của C2, nhưng thời gian xả vẫn giữ nguyên. Do đó, cả độ rộng xung và tần số đều bị ảnh hưởng. Việc thay đổi giá trị của R2 ảnh hưởng đến cả quá trình sạc và xả, vì vậy chỉ có tần số thay đổi. Hai điện trở điều chỉnh hoạt động rất tốt trong trường hợp này. Việc thay đổi giá trị của C2 cũng làm thay đổi tần số.

Bước 5: Tiếp theo là gì?

Có vô số chu kỳ 555 để lựa chọn. Một tìm kiếm Google không lọc có thể mang lại hàng giờ giải trí. Hans Camenzind đã nói trong một cuộc phỏng vấn rằng ngay cả sau 40 năm, ông vẫn kinh ngạc trước những ứng dụng đa dạng mà mọi người đã nghĩ ra để sử dụng số 555.

Nếu bạn chỉ muốn tìm một nguồn tham khảo trực tuyến tốt, hãy xem trang web của Colin Mitchell tại talkingelectronics.com. Bắt đầu với trang này nếu bạn muốn có lời giải thích chi tiết hơn (và có lẽ tốt hơn và đầy đủ hơn) về cách hoạt động của IC 555, hoặc nếu không, hãy vào đây để xem danh sách các mạch. Thành thật mà nói, toàn bộ trang web là một nguồn kiến ​​thức tuyệt vời và đáng kinh ngạc. Hãy nhớ nghỉ ngơi và ăn uống, hoặc hít thở không khí trong lành thỉnh thoảng nhé!

Trong cuốn sách "Make: Electronics" của Charles Platt, có một mạch định thời phản ứng tuyệt vời sử dụng cả ba chế độ của IC 555 (trang 170). IC 555 đầu tiên được thiết lập với công tắc khởi động ở chế độ một xung để tạo độ trễ khi khởi động mạch (tham khảo lại sơ đồ mạch một xung, R4 nạp điện cho C2, đây là nguyên nhân gây ra độ trễ; thay thế R4 bằng một biến trở cho phép điều chỉnh độ trễ). Điều này kích hoạt IC 555 tiếp theo, được thiết lập như một mạch lật, để gửi tín hiệu đầu ra. Mạch lật gửi tín hiệu cao, khiến màn hình hiển thị kỹ thuật số 7 đoạn bắt đầu hiển thị số đếm. Khi người dùng thấy số đếm bắt đầu, một nút dừng sẽ chuyển tín hiệu đầu ra của IC 555 thứ hai trở lại tín hiệu thấp, dừng quá trình đếm và cho phép người dùng thấy kết quả. IC 555 thứ ba được thiết lập ở chế độ dao động tự do để bộ đếm chạy liên tục. Bộ đếm này điều khiển màn hình hiển thị kỹ thuật số, và có một nút đặt lại để đặt lại màn hình về 0. Nếu nghe có vẻ phức tạp, thì thực tế là vậy. Nhưng thành thật mà nói, cũng khá khó để giải thích bằng lời. Tuy nhiên, đây là một mạch điện tuyệt vời thể hiện đầy đủ hoạt động của IC 555, và đây không phải là mạch duy nhất mà ông ấy sử dụng dưới bất kỳ hình thức nào.

Trong cuốn sách "Bài tập điện tử cơ bản 1", Forrest M. Mims III đã giới thiệu một số mạch 555 cơ bản xuất sắc, chẳng hạn như bộ tạo âm thanh bàn phím đơn giản, bộ dao động điều khiển bằng điện áp, bộ tổng hợp còi báo động và máy đo tần số.

Tóm lại, giới hạn của IC 555 chủ yếu phụ thuộc vào trí tưởng tượng của bạn. Hầu như không có mạch nào mà bạn không thể sử dụng IC 555 cho một số ứng dụng nhất định.

Cảm ơn bạn đã đọc! Hãy thoải mái đặt câu hỏi trong phần bình luận bên dưới. Biết đâu người khác cũng đang thắc mắc điều tương tự, và như vậy chúng ta có thể học hỏi và giúp đỡ lẫn nhau tốt hơn. Chúc bạn sáng tạo vui vẻ!