Unit 3 IC Timer 555

1 วชิ า อปุ กรณอ์ เิ ล็กทรอนกิ ส์ บทที่ 8 รหสั วชิ า 2104 – 2205 บทที่ 8 ไอ.ซ.ี ตั้งเวลา วตั ถปุ ระสงค์ 1. อธิบายการทางานของ ไอ.ซี.ตง้ั เวลา Timer 555 ได้ 2. คานวณวงจรโมโนสเตเบิล ทใ่ี ช้ ไอ.ซี. Timer 555 ได้ 3. คานวณวงจรอะสเตเบลิ ท่ใี ช้ ไอ.ซี. Timer 555 ได้ 8.1 ไอ.ซ.ี ต้งั เวลา ไอ.ซ.ี ต้ังเวลา เรยี กอีกช่อื หนึ่งวา่ ไอ.ซ.ี ไทเมอร์(Timer ICs) หรือ ไอ.ซี. ตงั้ เวลาท่ีนยิ มใช้ กนั อยา่ งแพรห่ ลายคือ Timer 555 Timer 555 น้นั เป็นไอ.ซี.ทท่ี างานไดห้ ลายฟงั ก์ชนั แต่ หนา้ ที่หลัก คอื ทางานในโหมดกาเนดิ สญั ญาณตอ่ เนือ่ ง (Free Running Multi-vibrator) และ โหมดกาเนิดสญั ญาณไม่ต่อเนือ่ ง หรอื โมโนสเตเบลิ (Mono Stable Multi-vibrator) แต่สามารถ นาไปประยกุ ตใ์ ห้เป็นวงจรกาเนิดสญั ญาณสามเหลยี่ ม ส่ีเหลยี่ ม วงจรตั้งเวลาเปดิ ปดิ อุปกรณ์ไฟฟ้า วงจรพัลส์วดิ ธม์ อดเู ลชัน่ วงจรชมิตตท์ ริกเกอร์ วงจรควบคมุ ไฟจราจร วงจรเตอื นภยั ฯลฯ ใน ปัจจบุ นั Timer 555 บรรจุอยใู่ นตัวถัง 2 แบบ คือ แบบ DIP 8ขา อกี แบบหนึง่ คือ DIP 14 ขา เป็นเบอร์ 556 ซึ่งภายในบรรจดุ ว้ ย Timer 555 จานวน 2 ตัว ที่ไดช้ ื่อวา่ Timer หรือตวั ต้งั เวลาก็ เพราะว่า Timer 555 สามารถกาหนด Delay Time ดว้ ย R และ C ภายนอกได้ตั้งแต่ µS จนถงึ หลาย ๆ ชวั่ โมง Timer 555 ใช้ไดก้ ับแหล่งจา่ ยต้งั แต่ +5 V ถงึ +18 V จ่ายกระแสเอาต์พตุ ได้ไม่เกนิ 200 mA เอาตพ์ ุตของมนั เชอื่ มต่อกับไอซีลอจกิ ได้ทงั้ แบบ TTL และแบบ CMOS ลักษณะภายนอกและ โครงสรา้ งภายในของไอซเี บอร์ 555 แสดงในรปู 8.1 ELWE(Thailand) หน้า 1

2 วชิ า อุปกรณอ์ ิเลก็ ทรอนกิ ส์ บทที่ 8 รหสั วชิ า 2104 – 2205 รปู ท่ี 8.1 แสดงลักษณะภายนอกและโครงสร้างภายในของไอ.ซี.เบอร์ 555 จากโครงสรา้ งของไอ.ซี.เบอร์ 555 หรือ Timer 555 ท่ีแสดงในรูปท่ี 8.1 (ข) จะเห็นว่า ระหว่างขา Vcc(8) และขา GND(1) จะมตี ัวต้านทาน 5 kΩ 3 ตัวต่อเป็นวงจรแบง่ แรงดัน ดงั นัน้ ค่า ของแรงดันตกคร่อม R 5kΩ ตวั แรกจึงเท่ากบั 1 VCC และตัวทสี่ องคอื 2 VCC น้นั คอื ค่าแรงดันท่ขี า 3 3 ของออปแอมปต์ ัวบน (Upper Comparator) จะเทา่ กบั 2 VCC และแรงดันท่ขี า + ของออปแอมป์ 3 ตัวล่าง (Lower Comparator) จะเท่ากับ 1 VCC ดังนั้นการเปล่ียนและค่าแรงดันเอาต์พุตของ 3 ออปแอมป์ทง้ั สองดงั จะขึ้นอยูก่ บั ผลการเปลี่ยนแปลงของแรงดัน 2 VCC และ VCC และ R-S flip- 3 flop ทาหน้าที่สรา้ งสญั ญาณสี่เหลียมส่งออกไปท่ีขาเอาต์พุต(3) ของ Timer 555 ในทางปฏิบัติ บริษัทผู้ผลิตจะกาหนดให้มี C = 0.01 µF ต่อระหว่างขา Control (5) ลง GND (1) เพื่อลด สญั ญาณรบกวนจากแหลง่ จา่ ยไฟฟ้า 8.2 การทางานในโหมดโมโนสเตเบลิ หนา้ 2 ELWE(Thailand)

3 วชิ า อุปกรณอ์ เิ ลก็ ทรอนิกส์ บทที่ 8 รหสั วชิ า 2104 – 2205 วงจรการทางาน Timer 555 ในโหมดโมโนสเตเบิลจะแสดงในรปู ที่ 8.2 (ก) วงจรโมโนสเตเบลิ 555 (ข) รูปสญั ญาณอินพุต-เอาต์พตุ ของวงจรโมโนสเตเบิล รูปท่ี 8.2 วงจรโมโนสเตเบลิ Timer 555 และสญั ญาณอินพตุ -เอาต์พุต ลักษณะของวงจรโมโนสเตเบิลทีใ่ ช้ Timer 555 นัน้ จากรปู (ก) จะรับสญั ญาณอนิ พุตท่ีเป็น ลักษณะของพลั ส์ขาลงหรือ (Negative Going Pulse) เป็นสัญญาณจดุ ชนวนการทางานของวงจร โดยวงจรจะกาเนิดเอาตพ์ ุตหนง่ึ พลั ส์ต่อหนง่ึ อนิ พุตพลั ส์ สาหรับพัลสเ์ อาต์พุตจะเป็นแบบพัลส์บวก รปู (ข) แสดงรปู คลน่ื สัญญาณอนิ พุตเปรียบเทียบกับสัญญาณเอาต์พุต ค่าความกว้างของพัลส์คือ thigh จะมีคา่ เท่ากับสมการ thigh = 1.1 RAC (8.1) เมือ่ RA คอื ตัวตา้ นทานภายนอกทก่ี าหนดค่าเวลา C คือ ตัวเก็บประจุภายนอกท่ีกาหนดค่าเวลา การทางานของวงจรจะเกดิ ขึน้ เม่อื มสี ัญญาณอนิ พุตเขา้ มาท่ีขา(2) ตามรูปท่ี 8.2 (ข) จะทา ให้ขา 7 ตอ่ ลง GND ผลคอื C จะคายประจผุ า่ นขา 7 จะทาใหข้ ณะนนั้ แรงดัน VO  VCC เอาต์พุต ELWE(Thailand) หนา้ 3

4 วิชา อปุ กรณ์อิเล็กทรอนิกส์ บทท่ี 8 รหสั วชิ า 2104 – 2205 ขา 3 และเมือ่ C คายประจุไปช่วงเวลาเท่ากับ thigh แรงดัน VC = 2 VCC ตัวเปรียบเทียบแรงดัน 3 ภายในไอซี 555 จะทางานทาให้เอาต์พตุ เปลย่ี นจากสงู เปน็ ตา่ (  0 V) ซึง่ ค่าของ thigh เปน็ ไปตาม สมการ (8.1) ดังนน้ั คา่ แรงดนั อนิ พตุ ตอ้ งมคี า่ สูงสุดมากกวา่ 2 VCC เสมอ 3 รูปที่ 8.3 กราฟช่วยคานวณคา่ thigh ของโมโนสเตเบลิ 555 กราฟในรูป 8.3 เปน็ เครือ่ งมอื ช่วยในการออกแบบวงจรโมโนสเตเบิลอย่างรวดเร็วเพราะว่า จะแสดงความสมั พันธ์ระหวา่ งคา่ C (µF) และค่า RA โดยแกนเวลา คือ ค่า thigh หรือ 1t0W-(1o5u-t5pµuFt pulse duration) จะมคี ่าตงั้ แต่ 0.001-100 S(วนิ าที) และคา่ ของ C จะมีคา่ ระหว่าง และกราฟค่า RA จะมคี ่าตัง้ แต่ 1 KΩ จนถึง 10 MΩ การใชก้ ราฟชว่ ยออกแบบวงจรโมโนสเตเบลิ ทาได้โดยสะดวก เช่น หากตอ้ งการ thigh(tW) = 0.01S จากกราฟ 8.3 ถ้าเลอื กออกแบบทจ่ี ุด X จะไดค้ ่า RA=100KΩ, C=0.1 µF และ thigh(tW) = 10-2S = 0.01S นน่ั เอง การทางานของ Timer 555 http://www.williamson-labs.com/pu-aa-555-timer_med.htm ตวั อย่างที่ 8.1 จงออกแบบวงจรโมโนสเตเบิลท่ีใช้ Timer555 ดงั รูปท่ี 8.2 (ข) โดยกาหนดให้ VO มีคา่ thigh = 10 mS วิธีทา ก) จากกราฟช่วยออกแบบในรปู ที่ 8.2 (ข) ทคี่ า่ thigh = 10 mS(10-4S) เลือกค่า RA = 1 KΩ จากกราฟจะอ่านค่า C ได้ประมาณ 0.09 µF ELWE(Thailand) หน้า 4

5 วชิ า อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ บทท่ี 8 รหสั วชิ า 2104 – 2205 ข) คานวณจากสมการ thigh = 1.1 RA C = 1.1 (1 kΩ) (0.09 µF) thigh = 9.9 mS ลกั ษณะของสญั ญาณอินพตุ พลั ส์ของโมโนสเตเบลิ ทม่ี ลี กั ษณะเป็นพลั ส์ลบนั้น อาจเป็นรูป ท่เี หลี่ยมหรือรูปแหลมก็ได้ ดังรูปที่ 8.3 (ก) อย่าลืมว่าวงจรโมโนสเตเบิลต้องการพัลส์อินพุต 1 พัลส์ เพ่ือกาเนิดพัลส์เอาต์พุต 1 พัลส์เช่นกัน หากพัลส์อินพุตเป็นสี่เหลี่ยมที่มีความกว้างมาก เกินไปจะทาใหว้ งจรโมโนสเตเบิลทางานผิดพลาดได้ เช่น พัลส์จากลอจิกเกต อาจปรับปรุงส่วน อนิ พตุ ใหม่ โดยใชว้ งจรดังแปลงรูปพลั ส์ใหเ้ ปน็ พลั ส์รปู แหลมได้โดยใชว้ งจร R C และ D ช่วยดังรูป ที่ 8.4 รูปที่ 8.4 วงจรเปลย่ี นรปู พัลส์ส่ีเหล่ียมเป็นพัสสร์ ูปแหลมด้วย Rd D และ Cd ทม่ี า : http://www.learnabout-electronics.org/Oscillators/osc45.php ELWE(Thailand) หนา้ 5

6 วชิ า อุปกรณอ์ เิ ล็กทรอนิกส์ บทท่ี 8 รหัสวชิ า 2104 – 2205 รปู ท่ี 8.5 วงจรโมโนสเตเบลิ 555 ท่ีปรับปรงุ แล้ว เม่ือนาสัญญาณอนิ พุต Vin เป็นพลั ส์ส่เี หลี่ยมป้อนให้กับวงจรเปล่ียนรูปพัลส์ส่ีเหลี่ยมเป็น พลั สร์ ูปแหลมด้วย Rd Cd และ D1 จะได้พลั สร์ ปู แหลมเพ่ือจ่ายให้กับอินพุต(V2)ขา 2 ของวงจรโม โนสเตเบิลท่ีใช้ Timer 555 ทาให้ได้วงจรโมโนสเตเบลิ ท่ีปรบั ปรงุ แลว้ ดังรปู ท่ี 8.5 อย่างไรก็ตามสิ่ง ที่ตอ้ งคานึงถึงคอื คา่ คงตัวเวลา (Time Constant) ของวงจร Rd Cd นัน้ จะต้องนอ้ ยกวา่ thigh ของ วงจรโมโนสเตเบิล ตัวอย่างที่ 8.2 จากวงจรในรูปที่ 8.5 จงออกแบบวงจรโมโนสเตเบิลให้มีค่า thigh = 2 mS กาหนดให้ C = 0.2 µF และจงคานวณคา่ คงตัวเวลาของวงจร Rd Cd วิธีทา จากสมการ thigh = 1.1 RA C 2 mS = 1.1 (RA )(0.2µF)  RA = 2mS = 9.09 KΩ 1.10.2F TRdCd = Rd Cd = 10KΩ(0.001µF) = 0.01mS 8.3 การทางานในโหมด อะสเตเบลิ วงจรการทางาน Timer 555 ในโหมด อะสเตเบิลจะแสดงในรูปท่ี 8.6 วงจรอะสเตเบิล เป็นวงจรทใี่ ช้กาเนดิ สญั ญาณสเ่ี หล่ยี มอยา่ งต่อเนอื่ งโดยไม่ตอ้ งมีสัญญาณอินพุต การต่อ RB เข้าไป ที่ขา 2 ทาให้วงจรน้สี ามารถกระตุ้นตนเองได้อัตโนมัติ วงจรจึงทางานได้อย่างต่อเน่ือง C จะเก็บ ประจุผ่าน RA และ RB แต่ช่วงการคายประจุจะผ่านเฉพาะ RB เท่าน้ันช่วงเวลาการเก็บประจุ (tH)และการคายประจุ (tL) ดังรปู (ข) จึงเปน็ ตัวกาหนดค่า ความถ่ี และ Duty cycle ของสัญญาณ เอาตพ์ ุต ELWE(Thailand) หนา้ 6

7 วิชา อุปกรณ์อเิ ล็กทรอนกิ ส์ บทท่ี 8 รหัสวชิ า 2104 – 2205 (ก) วงจรอะสเตเบลิ 555 (ข) รปู สญั ญาณอินพุต-เอาต์พตุ ของวงจรอะสเตเบลิ รปู ที่ 8.6 วงจรอะสเตเบิล Timer 555 และสญั ญาณอินพุต-เอาต์พตุ tH = 0.693(RA +RB)C (8.2) tL = 0.693(RB)C (8.3) = tH + tL = 0.693(RA + 2RB)C สมการอืน่ ๆที่สาคญั ดงั นี้ : = 1.44/(RA + 2RB)C = tH/(tH + tL) = 1 – RB/(RA + 2RB) คาบเวลา(T) ความถ่ี(f) Duty cycle ELWE(Thailand) หนา้ 7

8 วชิ า อปุ กรณ์อิเลก็ ทรอนกิ ส์ บทที่ 8 รหสั วชิ า 2104 – 2205 รปู ท่ี 8.7 กราฟช่วยคานวณคา่ thigh ของอะสเตเบิล 555 กราฟในรูป 8.7 เปน็ เคร่ืองมือชว่ ยในการออกแบบวงจรอะสเตเบิลอย่างรวดเร็วเพราะว่า จะแสดงความสมั พนั ธ์ระหวา่ งคา่ C (µF) และค่า RA, RB โดยแกนความถ่ีมคี า่ f จะมีค่าตง้ั แต่ 0.1- 100 kHz และค่าของ C จะมีค่าระหว่าง0.001-100 µF และกราฟค่า RA+2RB จะมีค่าตั้งแต่ 1 KΩ จนถึง 10 MΩ การใช้กราฟช่วยออกแบบวงจรอะสเตเบิลทาได้ง่าย เช่น หากต้องการ f = 100Hzจากกราฟ 8.7 เลือกค่า f = 100Hz จะได้ค่า C=0.1 µF และ RA+2RB =100KΩ เป็นต้น จากนั้นจงึ กาหนดคา่ RA แลว้ แทนคา่ เพอ่ื หา RB ต่อไป การทางานของวงจรอะสเตเบิล ศกึ ษาเพมิ่ เตมิ ไดท้ ่ี http://www.doctronics.co.uk/555.htm#pb_02 ตัวอย่างท่ี 8.3 วงจรอะสเตเบิลทีใ่ ช้ Timer 555 ดังรูปท่ี 8.6 โดยกาหนดให้ VO มีค่า +5V และ RA =5K, RB = 3K, C=0.15µF จงหาค่าของ TH, TL, f, Duty cycle วิธีทา ก) หาคา่ tH, tL tH = 0.693(RA +RB)C = 0.693(5KΩ +3KΩ) 0.15 µF = 0.831mS tL = 0.693(RB)C = 0.693(3KΩ) 0.15 µF = 0.311mS ELWE(Thailand) หน้า 8

9 วิชา อปุ กรณ์อิเล็กทรอนกิ ส์ บทที่ 8 รหสั วชิ า 2104 – 2205 ข) หาค่า f 1/( tH + tL) 1/(0.831+0.311)mS f= 374 Hz = tH / T = 0.831 / 1.142 ค) หาคา่ Duty cycle 0.58 Duty cycle = = = แบบฝึกหดั บทท่ี 8 จงเลือกคาตอบที่ถกู ต้องทีส่ ดุ วงจรต่อไปนี้ใชส้ าหรบั ตอบคาถามข้อ 1-4 ELWE(Thailand) หน้า 9

10 วิชา อปุ กรณอ์ เิ ล็กทรอนกิ ส์ บทท่ี 8 รหัสวชิ า 2104 – 2205 1. ภายใน ไอ.ซ.ี Timer 555 มีวงจรเปรียบเทยี บแรงดันกต่ี ัว ก) 1 ข) 2 ค) 3 ง) ไม่มี 2. ไอ.ซ.ี Timer 555 ใช้แรงดันแหลง่ จา่ ยไฟฟ้าได้ เทา่ กับ ก) 2-10V ข) 3-10V ค) 3-15V ง) 5-15V 3. อุปกรณใ์ นข้อใด กาหนดคาบเวลาของสญั ญาณเอาตพ์ ุต ของไอ.ซ.ี Timer 555 ก) R1,R2,C ข) R, R1,R2,C ค) Flip-flop ง) R, C 4. ไอ.ซ.ี Timer 555 ทางานไดใ้ นโหมดใดบ้าง ก) โมโนโทน, อะสเตเบิล ข) ไทเมอร์ และ โมโนสเตเบิล ค) ไทเมอร์ โมโนสเตเบลิ และ อะสเตเบลิ ง) โมโนสเตเบิล และ อะสเตเบลิ วงจรตอ่ ไปนใี้ ชส้ าหรบั ตอบคาถามขอ้ 5-8 ELWE(Thailand) หน้า 10

11 วชิ า อุปกรณ์อเิ ล็กทรอนกิ ส์ บทที่ 8 รหสั วชิ า 2104 – 2205 5. อปุ กรณใ์ นข้อใด กาหนดคาบเวลาของสญั ญาณ Output(pin 3) ก) R1,C2 ข) R1,C2,C1 ค) R1,C1 ง) R, C, Timer 555 6. วงจรดงั กล่าวเรียกวา่ อะไร ก) อะสเตเบิล ข) ไทเมอร์ และ โมโนสเตเบิล ค) โมโนสเตเบิล ง) ไบสเตเบิล 7. คาบเวลาของสญั ญาณ Output(pin 3) มีค่าเทา่ กบั ขอ้ ใด ก) 20µS ข) 2.2mS ค) 0.2mS ง) 2mS 8. ถ้าตอ้ งการคาบเวลาของสญั ญาณ Output(pin 3) เทา่ กบั 5mS คา่ R1 จะมีค่าเท่าไร ก) 20K ข) 22K ค) 50K ง) 55K วงจรต่อไปนใ้ี ช้สาหรับตอบคาถามข้อ 9-15 9. วงจรดังกลา่ วเรยี กว่าอะไร ก) อะสเตเบลิ ข) ไทเมอร์ และ โมโนสเตเบลิ ค) โมโนสเตเบิล ง) ไบสเตเบิล ELWE(Thailand) หนา้ 11

12 วิชา อุปกรณ์อเิ ล็กทรอนิกส์ บทที่ 8 รหสั วชิ า 2104 – 2205 10. ชว่ งเวลา t1 ของสญั ญาณ Output ค่าเท่ากับข้อใด ก) 366.54mS ข) 651.42mS ค) 122.12mS ง) 542.42mS 11. ความถี่ (f) ของสัญญาณ Output มีค่าเทา่ ไร ก)0.22KHz ข) 1.200Hz ค) 1.023Hz ง) 5.11Hz 12. คาบเวลา (T) ของสัญญาณ Output ค่าเท่ากับขอ้ ใด ก) 366.54mS ข) 977.13mS ค) 822.12mS ง) 542.42mS 13. ค่า Duty cycle ของสัญญาณ Output เทา่ กบั ข้อใด ก) 36.67% ข) 46.67% ค) 56.67% ง) 66.67% 14. ถา้ เปล่ยี นคา่ C=0.1 µF ความถ่ขี องสัญญาณ Output เทา่ กบั ข้อใด ก) 481Hz ข) 466Hz ค) 227% ง) 681Hz 15. ถา้ เปลย่ี นคา่ C=0.1 µF ค่า Duty cycle ของสญั ญาณ Output เท่ากับข้อใด ก) 36.67% ข) 46.67% ค) 56.67% ง) 66.67% ELWE(Thailand) หนา้ 12