Tìm hiểu IC định thời IC 555 và ứng dụng trong mạch phát xung vuông, mạch đếm vòng

1. Tìm hiểu về IC 555.
a. Sơ đồ chân.
– IC 555 là một loại linh kiện khá phổ biến thường dùng trong việc tạo xung vuông và có thể thay đổi tần số tùy thích.

+ Chân 1 (GND) và 8 (VCC) là hai chân dùng để cấp nguồn cho IC.
+ Chân 2 (TRIGGER): chân so áp với áp chuẩn là 1/3 áp nguồn nuôi  (1/3 VCC).
+ Chân 6 (THRESHOLD): chân so áp với áp chuẩn là 2/3 áp nguồn nuôi (2/3 VCC).
+ Chân 3 (OUT): chân xuất tín hiệu ra. Trạng thái của tín hiệu ra được xác định theo mức 0 và 1.

* Tín hiệu xuất ra chân 3 là mức 1 khi áp trên chân số 2 nhỏ hơn VCC/3 và áp trên chân số 6 nhỏ hơn 2VCC/3.
* Tín hiệu xuất ra chân 3 là mức 0 khi áp trên chân số 2 lớn hơn VCC/3 và áp trên chân số 6 lớn hơn 2VCC/3.

+ Chân 5 (CONTROL VOLTAGE): chân điều khiển điện áp chuẩn dùng để so sánh, ta có thể thay đổi điện áp chuẩn bằng cách tác động vào chân này: dùng biến áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài cho nối GND. Chân này có thể không nối cũng được nhưng để giảm nhiễu người ta thường nốin chân này xuống GND thông qua tụ điện từ 0.01uF đến 0.1uF, các tụ này lọc nhiễu và giữ cho điện áp chuẩn được ổn định.
+ Chân 4 (RESET): Khi chân này ở mức thấp thì trạng thái ngõ ra trên chân số 3 (OUT) luôn ở mức thấp, không có tín hiệu được xuất ra chân 3. Khi chân này ở mức cao thì trạng thái ngõ ra tùy theo mức áp trên chân 2 và 6.
+ Chân 7 (DISCHARGE): là một khóa điện tử đóng/ngắt theo mức áp trên chân số 3.

b. Hoạt động của IC.
Để tìm hiểu hoạt động của IC 555, ta khảo sát một ứng dụng cụ thể: mạch phát xung vuông.
Khi mới đóng mạch, tụ C sẽ nạp qua Ra, Rb với thời hằng (Ra+Rb)C.
Có 5 giai đoạn cần khảo sát:
Chú ý: Điện áp trên hai đầu tụ cũng chính là điện áp trên chân số 2 và chân số 6 của IC 555 (xem hình 3)

– Giai đoạn 1: Tụ C nạp từ điện áp 0V đến VCC/3
Lúc này điện áp trên chân 2 và 6 nhỏ hơn VCC/3 nên tín hiệu xuất ra chân số 3 có mức 1.
– Giai đoạn 2: Tụ C nạp từ điện áp VCC/3 đến 2VCC/3
Lúc này điện áp trên chân 2 và 6 nằm trong khoảng từ VCC/3 đến 2VCC/3, tín hiệu ra chân 3 vẫn giữ trạng thái trước đó, tức là vẫn ở mức 1.
– Giai đoạn 3: Tụ C nạp qua ngưỡng 2VCC/3
Lúc này điện áp trên chân 2 và 6 lớn hơn 2VCC/3, tín hiệu ra chân 3 xuống mức 0 làm cho transistor ở chân 7 (xem hình 2b) dẫn, chân 7 được kéo xuống mức 0. Tụ C bắt đầu xả qua Rb, điện áp trên tụ giảm dần.
– Giai đoạn 4: Tụ C xả từ 2VCC/3 đến VCC/3
Tương tự giai đoạn 2, tín hiệu ra chân 3 vẫn giữ trạng thái trước đó, tức là mức 0
– Giai đoạn 5: Tụ C xả qua ngưỡng VCC/3
Khi tụ C xả qua ngưỡng VCC/3 (tức là điện áp trên tụ C bắt đầu thấp hơn VCC/3) thì lúc này tương tự giai đoạn 1, tín hiệu ra chân 3 sẽ là mức 1 và tụ C bắt đầu nạp lại.
Chu kỳ nạp xả của tụ tiếp tục.

Tóm lại:
– Trong quá trình hoạt động bình thường của 555, điện áp trên tụ C chỉ dao động quanh điện áp Vcc/3 -> 2Vcc/3.
– Khi nạp điện, tụ C nạp điện với điện áp ban đầu là Vcc/3, và kết thúc nạp ở thời điểm điện áp trên C bằng 2Vcc/3. Nạp điện với thời hằng là (Ra+Rb)C.
– Khi xả điện, tụ C xả điện với điện áp ban đầu là 2Vcc/3, và kết thúc xả ở thời điểm điện áp trên C bằng Vcc/3. Xả điện với thời hằng là Rb.C.
– Thời gian mức 1 ở ngõ ra chính là thời gian nạp điện, mức 0 là xả điện.
– Tín hiệu ngõ ra sẽ có dạng xung vuông.

2. Mạch đếm vòng sử dụng IC 555 và IC 4017
Sơ đồ nguyên lý

Mạch tạo xung vuông dùng IC 555: đã khảo sát ở phần trước
Mạch đếm dùng IC 4017

Ngõ vào CLK của IC 4017 được nối với ngõ ra ở chân số 3 của IC 555 để lấy tín hiệu xung clock.
– Khi có cạnh lên đầu tiên của xung CLOCK, lập tức ngõ ra Q0 (chân 3) sẽ lên mức 1, LED thứ nhất sáng.
– Khi có cạnh lên thứ hai của xung CLOCK, lập tức ngõ ra Q1 (chân 2) sẽ lên mức 1, đồng thời làm cho chân Q0 xuống mức 0, LED thứ nhất tắt, LED thứ 2 sáng.
– Quá trình lặp lại tương tự cho các chân tiếp theo.
– Như vậy với cách mắc như trên thì ta có dãy LED sáng luân phiên nhau và sáng tuần tự theo vòng từ Q0->Q1->Q2->Q3->…->Q9->Q0->…

– Chân ENA¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯(chân số 13) của IC 4017 là chân cho phép IC hoạt động, chân này phải được tích cực ở mức thấp (nối GND) thì IC mới hoạt động được .
– Chân RST (chân số 15): chân RESET, tích cực mức cao. Khi muốn reset IC về trạng thái ban đầu thì cho chân này lên nguồn (VCC). Thông thường ta thường nối chân này xuống GND.