555 발진기 튜토리얼

 

555 발진기 튜토리얼

555 IC를 사용하면 자유롭게 작동하는 불안정한 발진기를 생성하여 지속적으로 구형파 펄스를 생성할 수 있습니다.

555 타이머 IC는 단안정 모드로 연결되어 고정된 시간의 정밀 타이머를 생성하거나 쌍안정 모드로 연결되어 플립플롭 유형 스위칭 동작을 생성할 수 있습니다. 그러나 555 타이머 IC를 Astable 모드에 연결하여 단 2개의 저항기와 콘덴서.

555 발진기는 최대 500kHz의 고정 주파수 또는 50~100%의 다양한 듀티 사이클의 안정화된 구형파 출력 파형을 생성하기 위한 또 다른 유형의 완화 발진기입니다. 이전 555 타이머 튜토리얼에서 우리는 단안정 회로가 핀 2 트리거 입력에서 트리거될 때 단일 출력 원샷 펄스를 생성하는 것을 보았습니다.

555 단안정 회로는 다음 트리거 펄스가 다시 시작되기를 기다리는 미리 설정된 시간 후에 정지된 반면, 555 오실레이터가 불안정 멀티바이브레이터로 작동하도록 하려면 매 타이밍마다 555 IC를 지속적으로 다시 트리거해야 합니다. 주기.

이러한 재트리거링은 기본적으로 트리거 입력(핀 2)과 임계값 입력(핀 6)을 함께 연결하여 장치가 불안정한 오실레이터로 작동할 수 있도록 함으로써 이루어집니다. 그러면 555 발진기는 한 상태에서 다른 상태로 지속적으로 전환되므로 안정적인 상태가 없습니다. 또한 이전 단안정 멀티바이브레이터 회로의 단일 타이밍 저항은 아래 그림과 같이 방전 입력(핀 7) 에 연결된 접합부를 갖는 두 개의 별도 저항 R1 및 R2 로 분할되었습니다 .

 

기본 불안정 555 발진기 회로

위의 555 오실레이터 회로 에서는 핀 2와 핀 6이 함께 연결되어 회로가 매 사이클마다 자체적으로 다시 트리거되어 자유롭게 실행되는 오실레이터로 작동할 수 있습니다. 각 사이클 커패시터 동안 C는 두 타이밍 저항 R1 과 R2를 통해 충전되지만 R2 의 다른 쪽이 방전 단자 핀 7 에 연결되어 있으므로 저항 R2 를 통해서만 자체 방전됩니다 .

그런 다음 커패시터는 0.693(R1+R2)C 조합에 의해 결정되는 최대 2/3Vcc(비교기 상한)까지 충전하고 0.693(R2*C )에 의해 결정되는 1/3Vcc(비교기 하한)까지 방전됩니다. ) 조합. 그 결과 전압 레벨이 Vcc – 1.5V 와 거의 동일 하고 출력 "ON" 및 "OFF" 기간이 커패시터와 저항기 조합에 의해 결정되는 출력 파형이 생성됩니다. 따라서 출력의 1회 충전 및 방전 주기를 완료하는 데 필요한 개별 시간은 다음과 같습니다.

Astable 555 발진기 충전 및 방전 시간

 

여기서 R 은 Ω이고 C는 패럿입니다.

불안정 멀티바이브레이터로 연결되면 555 발진기 의 출력은 전원 공급 장치가 제거될 때까지 2/3Vcc와 1/3Vcc 사이에서 무한정 충전 및 방전을 계속합니다. 단안정 멀티바이브레이터와 마찬가지로 이러한 충전 및 방전 시간과 그에 따른 주파수는 공급 전압과 무관합니다.

따라서 하나의 전체 타이밍 사이클의 지속 시간은 커패시터가 충전하고 방전하는 두 개별 시간의 합과 같으며 다음과 같이 제공됩니다.

555 발진기 사이클 시간

발진의 출력 주파수는 Astable 555 발진기의 출력 주파수에 대한 최종 방정식을 제공하는 총 사이클 시간에 대해 위의 방정식을 반전하여 찾을 수 있습니다.

555 발진기 주파수 방정식

 

RC 조합 중 하나의 시간 상수를 변경하면 출력 파형의 "마크 대 공간" 비율로 더 잘 알려진 듀티 사이클이 정확하게 설정될 수 있으며 저항 R2 대 저항 R1 의 비율로 제공됩니다 . "ON" 시간을 "OFF" 시간으로 나눈 비율인 555 발진기의 듀티 사이클은 다음과 같습니다.

555 발진기 듀티 사이클

듀티 사이클은 비율이므로 단위가 없지만 백분율(%)로 표시할 수 있습니다. 두 타이밍 저항 R1 과 R2 의 값이 동일한 경우 출력 듀티 사이클은 2:1, 즉 해당 기간에 대해 ON 시간이 66%이고 OFF 시간이 33%입니다.

555 오실레이터 예제 No1

불안정한 555 발진기는 R1 = 1kΩ , R2 = 2kΩ 및 커패시터 C = 10uF 구성 요소를 사용하여 구성됩니다 . 555 발진기의 출력 주파수와 출력 파형의 듀티 사이클을 계산합니다.

t 1 – 커패시터 충전 "ON" 시간은 다음과 같이 계산됩니다.

 

t 2 – 커패시터 방전 "OFF" 시간은 다음과 같이 계산됩니다.

따라서 총 주기 시간(T)은 다음과 같이 계산됩니다.

따라서 출력 주파수 는 다음 과 같이 주어진다.

듀티 사이클 값 제공:

타이밍 커패시터로서 C는 저항기 R1 및 R2를 통해 충전하지만 저항기 R2 를 통해서만 방전합니다 . 출력 듀티 사이클은 저항기 R2 의 값을 변경하여 50~100% 사이에서 변경할 수 있습니다 . R2 값을 줄이면 듀티 사이클이 100%로 증가하고, R2 를 늘리면 듀티 사이클이 50%로 감소합니다. 저항 R2가 저항 R1 에 비해 매우 큰 경우 555 불안정 회로의 출력 주파수는 R2 x C 에 의해서만 결정됩니다 .

이 기본적인 불안정한 555 오실레이터 구성의 문제점은 저항 R2 가 이를 방지하기 때문에 듀티 사이클, "마크 대 공간" 비율이 50% 미만으로 떨어지지 않는다는 것입니다. 즉, (R1 + R2)C가 항상 R1 x C 값보다 크므 로 출력 "ON" 시간을 "OFF" 시간보다 짧게 만들 수 없습니다 . 이 문제를 극복하는 한 가지 방법은 아래 그림과 같이 신호 바이패스 다이오드를 저항 R2 와 병렬로 연결하는 것입니다.

향상된 555 발진기 듀티 사이클

트리거 입력과 방전 입력 사이에 이 다이오드 D1을 연결하면 저항 R2가 다이오드에 의해 효과적으로 단락되므로 타이밍 커패시터는 이제 저항 R1을 통해서만 직접 충전됩니다 . 커패시터는 저항 R2를 통해 정상적으로 방전됩니다 .

필요한 경우 추가 다이오드 D2를 방전 저항 R2와 직렬로 연결하여 타이밍 커패시터가 R2 의 병렬 경로를 통하지 않고 D1 을 통해서만 충전되도록 할 수 있습니다 . 이는 충전 과정에서 다이오드 D2 가 역방향 바이어스로 연결되어 전류 흐름을 차단하기 때문입니다.

이제 t 1 = 0.693(R1 + R2)C 의 이전 충전 시간은 이 새로운 충전 회로를 고려하여 수정되었으며 0.693(R1 x C) 로 제공됩니다 . 따라서 듀티 사이클은 D = R1/(R1 + R2) 로 지정됩니다 . 그런 다음 50% 미만의 듀티 사이클을 생성하려면 저항 R1이 저항 R2 보다 작아야 합니다 .

이전 회로에서는 R1 + D1 조합을 통해 타이밍 커패시터 C1을 충전한 다음 D2 + R2 조합을 통해 방전하여 출력 파형의 듀티 사이클을 개선했지만, 이 회로 배열의 문제점은 555 발진기 회로가 추가 구성 요소, 즉 두 개의 다이오드.

우리는 이 아이디어를 개선하고 충전 저항기 R2 의 위치를 ​​출력(핀 3)으로 이동함으로써 추가 다이오드 없이 매우 쉽게 정확한 50% 듀티 사이클을 갖는 고정 구형파 출력 파형을 생성할 수 있습니다. 표시됩니다.

50% 듀티 사이클 불안정 발진기

555 발진기는 이제 타이밍 커패시터로 50% 듀티 사이클을 생성하며 C1 은 이전과 같이 타이머 방전 핀 7을 통해 방전하는 대신 동일한 저항 R2를 통해 충전 및 방전합니다. 555 발진기의 출력이 HIGH이면 커패시터는 R2를 통해 충전되고 , 출력이 LOW이면 R2를 통해 방전됩니다 . 저항 R1은 커패시터가 공급 전압과 동일한 값까지 완전히 충전되도록 하는 데 사용됩니다.

그러나 커패시터가 동일한 저항을 통해 충전 및 방전되기 때문에 이러한 회로 변화를 반영하기 위해 위의 발진 출력 주파수 방정식을 약간 수정해야 합니다. 그런 다음 50% Astable 555 발진기에 대한 새로운 방정식은 다음과 같이 제공됩니다.

50% 듀티 사이클 주파수 방정식

 

저항 R1은 필요한 50% 듀티 사이클을 생성하기 위해 커패시터 충전을 방해하지 않도록 충분히 높아야 합니다. 또한 타이밍 커패시터의 값을 변경하면 C1은 불안정한 회로의 발진 주파수를 변경합니다.

555 발진기 애플리케이션

이전에 핀 3을 통해 부하 전류를 싱크하거나 소싱하는 최대 출력은 약 200mA이며 이 값은 다른 로직 IC, 몇 개의 LED 또는 작은 램프 등을 구동하거나 전환하는 데 충분하며 다음과 같이 해야 한다고 말했습니다. 바이폴라 트랜지스터 또는 MOSFET을 사용하여 555의 출력을 증폭하여 모터 또는 계전기와 같은 더 큰 전류 부하를 구동합니다.

 

그러나 555 발진기는 다양한 출력 테스트 주파수를 생성하기 위한 전자 테스트 장비와 같이 매우 적은 출력 전류가 필요한 광범위한 파형 발생기 회로 및 애플리케이션에도 사용할 수 있습니다.

555는 또한 매우 정확한 사인파, 구형파 및 펄스 파형을 생성하는 데 사용할 수 있으며, 메트로놈, 톤 및 음향 효과 발생기, 심지어 크리스마스용 음악 장난감과 같은 간단한 소음 생성 회로에 대한 LED 또는 램프 플래셔 및 조광기로 사용할 수도 있습니다.

우리는 표시된 것과 유사한 몇 개의 LED의 "ON" 및 "OFF"를 깜박이거나 스피커에서 고주파수 소음을 생성하는 간단한 555 발진기 회로를 매우 쉽게 구축할 수 있습니다. 그러나 불안정한 기반의 555 발진기를 사용하여 과학 프로젝트를 구축하는 매우 훌륭하고 간단한 것 중 하나는 전자 메트로놈의 프로젝트입니다.

메트로놈은 규칙적이고 반복적인 음악 비트나 클릭을 생성하여 음악의 시간을 표시하는 데 사용되는 장치입니다. 555 오실레이터를 주요 타이밍 장치로 사용하여 간단한 전자 메트로놈을 만들 수 있으며 오실레이터의 출력 주파수를 조정하여 템포 또는 "분당 비트 수"를 설정할 수 있습니다.

예를 들어, 분당 60비트의 템포는 매초마다 하나의 비트가 발생한다는 것을 의미하며 전자 용어로 1Hz에 해당합니다. 따라서 매우 일반적인 음악적 정의를 사용하여 아래와 같이 메트로놈 회로에 필요한 다양한 주파수 표를 쉽게 만들 수 있습니다.

메트로놈 주파수표

음악적 정의	비율	분당 비트수	사이클 시간(T)	빈도
라르게토	아주 느린	60	1 초	1.0Hz
안단테	느린	90	666ms	1.5Hz
모데라토	중간	120	500ms	2.0Hz
알레그로	빠른	150	400ms	2.5Hz
프레스토 악장	매우 빠름	180	333ms	3.0Hz

메트로놈의 출력 주파수 범위는 1분 또는 60초를 필요한 분당 박동수로 나눈 값으로 간단히 계산됩니다. 예를 들어( 1/(60초/90bpm) = 1.5Hz ) 120bpm은 다음과 같습니다. 2Hz 등. 따라서 불안정한 555 발진기 회로의 출력 주파수를 계산하기 위해 위의 친숙한 방정식을 사용하면 R1 , R2 및 C 의 개별 값을 찾을 수 있습니다.

불안정한 555 발진기의 출력 파형 기간은 다음과 같습니다.

전자 메트로놈 회로의 경우 타이밍 저항 R1 의 값은 위의 방정식을 재정렬하여 다음과 같이 찾을 수 있습니다.

저항 R2 = 1kΩ 및 커패시터 C = 10uF 의 값을 가정하면 주파수 범위에 대한 타이밍 저항 R1 의 값은 분당 60비트에서 142k3Ω , 분당 180비트에서 46k1Ω 으로 제공되므로 가변 저항기(전위차계)는 150kΩ 입니다. 메트로놈 회로가 필요한 전체 범위의 비트를 생성하는 데 충분할 것입니다. 그러면 전자 메트로놈 예제의 최종 회로는 다음과 같습니다.

555 전자 메트로놈

이 간단한 메트로놈 회로는 555 발진기를 사용하여 가청 사운드나 음을 생성하는 간단한 방법 중 하나를 보여줍니다. 150kΩ 전위차계를 사용하여 출력 펄스 또는 비트의 전체 범위를 제어하고 150kΩ 값을 가지므로 전위차계 위치에 해당하는 등가 백분율 값을 제공하도록 쉽게 교정할 수 있습니다. 예를 들어, 분당 60박자는 142.3kΩ 또는 95% 회전과 같습니다.

마찬가지로 분당 120비트는 70.1kΩ 또는 47% 회전과 같습니다. 추가 저항기 또는 트리머를 전위차계와 직렬로 연결하여 출력 상한 및 하한을 미리 정의된 값으로 미리 설정할 수 있지만 이러한 추가 구성 요소는 출력 주파수 또는 기간을 계산할 때 고려됩니다.

위의 회로는 사운드 생성의 매우 간단하고 재미있는 예이지만 555 오실레이터를 노이즈 생성기/신디사이저로 사용하거나 가변 주파수, 가변 마크/공간을 구성하여 음악적 사운드, 톤 및 알람을 만드는 것이 가능합니다. 비율 파형 발생기.

이 튜토리얼에서는 하나의 555 오실레이터 회로를 사용하여 사운드를 생성했지만 두 개 이상의 555 오실레이터 칩을 함께 계단식으로 연결하면 다양한 회로를 구성하여 다양한 음악 및 사운드 효과를 생성할 수 있습니다. 이러한 참신한 회로 중 하나는 아래 예에 나오는 경찰차 “Dee-Dah” 사이렌입니다.

555 발진기 경찰 "Dee-Dah" 사이렌

이 회로는 경찰 사이렌 소리를 시뮬레이션하는 진동음 경보 신호를 시뮬레이션합니다. IC1은 10kΩ 저항을 통해 IC2를 주파수 변조하는 데 사용되는 2Hz 비대칭 비안정 멀티바이브레이터로 연결됩니다 . IC2 의 출력은 300Hz와 660Hz 사이에서 대칭적으로 교대하며 각 교대 사이클을 완료하는 데 0.5초가 걸립니다.