ไอซีตั้งเวลา 555 (555 Timer IC )

 ไอซีตั้งเวลา 555 (555 Timer IC )

ไอซีตั้งเวลา 555 เป็นไอซีที่ทำหน้าที่กำเนิดสัญญาณตามเวลาที่ออกแบบไว้ โดยสามารถกำหนดได้ด้วยตัวอุปกรณ์ภายนอก ไอซีตั้งเวลา 555 สามารถกำเนิดสัญญาณ อะสเตเบิ้ล (Astable) โมโนสเตเบิล (Monostable) และประยุกต์ใช้งานด้านอื่นๆ ที่เกี่ยวกับการตั้งเวลาได้ดี

ไอซีตั้งเวลา 555 วงจรตั้งเวลาที่มีความเที่ยงตรงค่อนข้างสูง จำเป็นต้องใช้วงจรโมโนสเตเบิล ซึ่งส่วนมากนิยมใช้ไอซีเบอร์ 74121,74122,74123 อย่างไรก็ตาม การควบคุมการจุดชนวน(Trigger) ของสัญญาณอินพุตไอซีตระกูล 74  สามารถกระทำได้ยาก และมีเงื่อนไขมาก แต่ถ้าการหน่วงเวลานานกว่าครึ่งนาที และโหลดต้องการกระแสจะต้องใช้เวลาเบอร์ 555

                ในการใช้งานของวงจรโมโนสเตเบิล (Monostable) จะแบ่งเป็น 2 สภาวะ คือสภาวะที่คงที่ และสภาวะที่ไม่คงที่ โดยปกติวงจรโมโนสเตเบิล จะอยู่ในสภาวะคงที่ จนกว่าจะมีสัญญาณจุดชนวนเข้ามากระตุ้น จากนั้นเอาท์พุตจะเปลี่ยนสภาวะจากเดิม เกิดการหน่วงเวลาด้วยค่าของเวลาที่แน่นอน และกลับเข้าสู่สภาวะปกติเช่นเดิม

                ไอซีที่นิยมนำมาสร้างเป็นวงจรตั้งเวลาได้ดีที่สุดเบอร์หนึ่งคือ ไอซีเบอร์ 555 เพราะมีคุณสมบัติในการหน่วงเวลาที่ดี และนานพอสมควร

1.  คุณสมบัติของไอซี 555 แต่ละขา

                1.1 ขา1 กราวด์(Ground)

                1.2 ขา 2 ทริกเกอร์ (Trigger) เป็นขาที่มีความไวหรือแรงดันที่มีค่า 1/3 ของแหล่งจ่าย Vcc และจะเกิดการจุดชนวนของอินพุต ทำให้เอาท์พุตเปลี่ยนจากระดับต่ำเป็นระดับสูง โดยทั่วไปความกว้างของพัลซ์ที่จะมาจุดชนวนอินพุตได้นั้นต้องมีค่าเวลามากกว่า 1 uS ขึ้นไป   หลังจากจุดชนวนอินพุตแล้ว ทำให้เกิดการหน่วงเวลาของสัญญาณหลายไมโครวินาที ซึ่งจะทำให้ได้ค่าความกว้างต่ำสุดมีค่า 10 uS ขนาดของแรงดันที่เหมาะในการจุดชนวนนี้ มีค่าระหว่าง + Vcc และกราวด์ สำหรับกระแสจุดชนวนที่ต้องการนั้นมีค่า 500 uA

                1.3 ขา 3  เอาท์พุต (Output) แรงดันเอาท์พุตที่เกิดขึ้นสำหรับเอาท์พุตระดับสูง มีศักย์ไฟฟ้าต่ำกว่า +Vcc ประมาณ 1.7 v สำหรับเอาท์พุตระดับต่ำนั้น จะขึ้นอยู่กับแล่งจ่ายไฟที่ป้อน   เช่น   ที่ +Vcc= 5 V เอาท์พุต ระดบต่ำจะมีค่าประมาณ 0.25V ที่ 5 mA และที่ +Vcc =15V เอาท์พุตระดับต่ำจะมีค่าประมาณ 2 V ที่ 100mA

1.4 ขา 4 รีเซต (Reset) เมื่อต้องการให้เอาต์พุตอยู่ในระดับต่ำ ต้องป้อนศักย์ไฟฟ้าที่ขานี้ประมาณ 0.7 V โดยกระแสซิงก์มีค่า 0.1 mA ค่าของเวลาประวิงในการทำให้เอาต์พุตเปลี่ยนเป็นระดับต่ำมีค่า 0.5 ตS ซึ่งค่านี้เป็นค่าเป็นค่าต่ำสุดของความกว้างของพัลส์ที่จะมาควบคุมขานี้ ในกรณีทีไม่ต้องการใช้ขานี้ก็ควรต่อเข้ากับ +VCC

                                                                        

1.5 ขา 5 กระแสซิงก์ ที่เข้ามาขานี้สามารถรับได้ใกล้เคียงกับเอาต์พุต ดังนั้นค่าแรงดันที่มีค่า 2/3 +VCC ซึ่งเป็นแรงดันระดับสูงที่ใช้ในการเปรียบเทียบ ปกติในการทำงานขานี้จะไม่ถูกใช้แต่ควรใช้ตัวเก็บประจุค่า 0.01ตF ต่อลงกราวด์เพื่อไม่ให้ถูกรบกวนจากสัญญาณรบกวนขณะทำงาน

1.6 ขา 6 เทรสโฮล (Threshold) ถ้าศักย์ไฟฟ้าที่ขานี้สูงถึง 2/3 ของ+ Vcc จะเป็นระดับที่มีความไวต่อการเปลี่ยนแปลง คือจะทำให้สภาวะเอาท์พุตเปลี่ยนแปลงจากระดับสูงและระดับต่ำ

1.7 ขา 7 ดิสชาร์จ (Discharge) ขานี้ต่อกับขาคอลเล็กเตอร์ ของทรานซิสเตอร์ซึ่งอยู่ภายในตัวไอซี โดยขาอิมิเตอร์ต่อวงกราวด์ ทรานซิสเตอร์นี้จะทำหน้าที่กำหนดเวลาของระดับเอาท์พุต ถ้าเอาท์พุตอยู่ในระดับต่ำ ทรานซิสเตอร์นี้จะมีความต้านทานต่ำ ในขณะที่ทรานซิสเตอร์มีความต้านทานต่ำ ตัวเก็บประจุจะสามารถคายประจุผ่านทรานซิสเตอร์นี้ได้

                1.8 ขา 8 ไฟเลี้ยง (+Vcc) ต้องการแหล่งจ่ายไฟตรงที่มีศักย์บวก มีค่าอยู่ระหว่าง 5 โวลท์ ถึง 15 โวลท์ แม้ว่าจะทำงานในช่วงแรงดันที่ต่างกัน แต่ละช่วงของเวลาทำงานที่เปลี่ยนไปยังคงมีค่าน้อยมาก คือ ร้อยละ 0.1 ต่อการเปลี่ยนแปลงแรงดัน 1 โวลท์

                การทำงานของวงจรทั้งแบบโมโนสเตเบิล (Monostable) และแบบอะสเตเบิล (Astable)ทรานซิสเตอร์ตัวนี้จะทำหน้าที่เป็นสวิตซ์ เพื่อควบคุมการเก็บประจุและคายประจุ ตัวต้านทานและตัวเก็บประจุเป็นตัวกำหนดเวลาเมื่อทรานซิสเตอร์ทำงานในภาวะอิ่มตัวศักย์ไฟฟ้าที่ขา 7 นี้ มีค่า 100 mA ที่กระแสซิงก์ 5 mA หรือน้อยกว่า เมื่อทรานซิสเตอร์ทำงานสภาวะออฟ จะมีกระแสไหลผ่านขา 7 นี้ประมาณ 20 nA คุณสมบัติของขา 7 นี้เป็นตัวจำกัดค่าของตัวเก็บประจุและตัวต้านทาน คือจะต้องมีค่าไม่มากจนเกินไป เพราะกระแสที่รั่วไหลผ่านตัวต้านทานมาประจุ (Charge) ที่ตัวเก็บประจุ ต้องมีค่ามากกว่ากระแสรั่วไหลของทรานซิสเตอร์(Transistor)

2. วงจรอะสเตเบิลโดยใช้ไอซี 555

    t1 = 0.693(Rt1+Rt2)Ct                 t2 = 0.693Rt2Ct

    T = 0.693(Rt1+2Rt2)Ct

    เมื่อ         t1 = ช่วงเวลาที่มีค่ามาก (ON)                        t2 = ช่วงเวลาที่มีค่าน้อย (OFF)

                    T = เวลารวมทั้งหมด (t1+t2)

3. การทำงานของวงจร

1. เมื่อป้อนแหล่งจ่าย +VCC เข้าวงจรจะมีกระแสไฟฟ้าส่วนหนึ่งไหลผ่าน Rt1และ Rt2 มาประจุที่ Ct ทำให้แรงดันที่ตกคร่อม Ct  มีค่าสูงขึ้นจนถึง 1/3  ของแหล่งจ่าย +Vcc ขา 2 ซึ่งมีความไวต่อแรงดันนี้   จะจุดชนวน ( Trigger ) ทำให้เอาท์พุต เปลี่ยนจากระดับต่ำ ( Low ) เป็นระดับสูง ( High )   ทันที

2. แรงดันที่ตกคร่อม C_t จะมีค่าสูงขึ้นเรื่อยจนมีระดับแรงดัน  2/3 ของแหล่งจ่าย +Vcc ขา 6 ซึ่งมีความไวต่อแรงดันนี้  จะตรวจจับทำให้เอาท์พุท เปลี่ยนจากระดับสูงเป็นระดับต่ำและเป็นผลทำให้ขา 7 มีความต้านทานต่ำ  C_t จะคายประจุผ่าน R_t2  ที่ต่ออยู่กับขา 6 มีความไวต่อระดับของศักย์ไฟฟ้าขนาดนี้ด้วย  จึงทำให้เอาท์พุท เปลี่ยนจากระดับต่ำเป็นระดับสูงอีกครั้ง

3. การที่เอาต์พุต  ( Output ) เปลี่ยนจากระดับของศักย์ไฟฟ้าต่ำเป็นระดับสูงทำให้ขา 7 มีความต้านทานสูงตัวเก็บประจุ C_t ประจุผ่าน R_t1 และ R_t2  ใหม่อีกครั้งซึ่งทั้งหมดนี้ก็เป็นหนึ่งรอบของการทำงาน 

4. การเลือกใช้ตัวต้านทานและตัวเก็บประจุในวงจรตั้งเวลา

                1. กำหนด R_t ไม่ให้มีค่าต่ำกว่า 10k เพราะต้องการประหยัดพลังงานและไม่ต้องการให้ความกว้างของพัลซ์แคบเกินไป

                2. ค่าต่ำสุดของตัวเก็บประจุมีค่า 100 PF  นั้นกำหนดขึ้นมาเพื่อป้องกันผลที่อาจจะเกิดจากความจุค้าง

                3. ค่าสูงสุดของ R_t กำหนดจากระแสรั่วไหลของเทรสโฮล (Treshole) รวมกับกระแสรั่วไหลที่ขาดิสชาร์จ (Dischage) และกระแสรั่วไหลของตัวเก็บประจุดังนั้นการกำหนดค่าของ R_t ต้องทำให้กระแสไหลผ่านมีค่ามากกว่ากระแสเทรสโฮล รวมกับกระแสรั่วไหลที่ขาดิสชาร์จ และกระแสรั่วไหลที่ตัวเก็บประจุอย่างน้อย 1 เท่า (สำหรับวงจรที่ต้องการความเที่ยงตรงสูงควรมีค่ามากกว่า 100 เท่า)

                4. ค่าสูงสุดของตัวเก็บประจุถูกจำกัดอยู่ที่ค่ากระแสรั่วไหลไม่ใช่ค่าความจุ แต่ค่าของกระแสรั่วไหลนั้นขึ้นอยู่กับชนิดของตัวเก็บประจุและการใช้งานด้วย โดยทั่วไปตัวเก็บประจุที่มีค่าของกระแสรั่วไหลต่ำ สามารถมีค่าได้สูงถึง 1000 uF

                5. สำหรับงานโดยทั่วไป สัมประสิทธิ์ต่ออุณหภูมิของตัวต้านทานที่ใช้ควรใช้อยู่ในช่วง 200 ถึง 500 ppm/C ทั้งชนิดคาร์บอนและคาร์บอนฟิล์ม ใช้ค่าผิดพลาด  ถึง ร้อยละ10

                6. สำหรับงานที่ต้องการความเที่ยงตรงสูง ตัวต้านทานควรใช้ชนิดฟิล์มโลหะ ที่มีค่าความผิดพลาด  ถึงร้อยละ 5 สัมประสิทธิ์ต่ออุณหภูมิมีค่า 25 ถึง 100 ppm/C

                7. โดยทั่วไปตัวต้านทานที่ใช้มักมีค่าอยู่ระหว่าง 100 โอห์ม ถึง 1 เมกะโอห์ม แต่ถ้าต้องการใช้ค่าความต้านทานสูงมากกว่านั้น ควรใช้ตัวต้านทานที่มีความแน่นอนละเสถียรภาพต่ออุณหภูมิดี ซึ่งหาได้ยากและราคาแพง

              8. ตัวต้านทานที่ใช้กำหนดค่าเวลา ควรหลีกเลี่ยงการใช้ตัวต้านทานชนิดปรับค่าได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งแบบคาร์บอน ถ้าจำเป็นต้องใช้ให้อยู่ในช่วงแคบๆ เพราะว่ามีค่าสัมประสิทธิ์ต่ออุณหภูมิสูง ในกรณีที่ต้องการให้ปรับได้ช่วงกว้าง ควรใช้ตัวต้านทานชนิดปรับค่าได้แบบเซอร์เมต แต่ถ้าใช้ตัวต้านทานชนิดนี้จะมีค่าความต้านทานต่ำ ในกรณีแหล่งจ่ายไฟมีค่ามาก ไม่ควรให้ตัวต้านทานชนิดนี้รับพลังงานเกิน 1 ใน 5 ของอัตรากำลังที่จะทนได้

                9. ตัวเก็บประจุไม่ควรใช้ขนาดใหญ่ และควรใช้ค่าผิดพลาดไม่เกินร้อยละ 5 มีกระแสรั่วไหลต่ำ มีสัมประสิทธิ์ต่ออุณหภูมิต่ำ และไดอิเล็กตริกมีการดูดกลืนดี

                ตัวเก็บประจุที่มีกระแสรั่วไหลต่ำนั้น สามารถประจุไฟฟ้าจากแหล่งจ่ายกระแสคงที่ ที่มีค่า 1 uA ได้ ซึ่งหมายความว่ากระแสรั่วไหลของตัวเก็บประจุเอง มีค่าน้อยกว่าแหล่งจ่ายกระแสที่จ่ายให้ตัวเก็บประจุ ซึ่งจะต้องน้อยกว่าตลอดเงื่อนไขของแรงดันขณะทำงาน

                10. ตัวเก็บประจุจะต้องสามารถประจุและคายประจุได้ เมื่อปลายขั้วทั้งสองต่อถึงกัน  ไดอิเล็กตริกต้องไม่เก็บพลังงานค้างขณะทำการประจุ ซึ่งถ้ามีการเก็บพลังงานไว้หลายเปอร์เซ็นต์แล้ว จะเป็นผลเสียในการตั้งเวลา คือเวลาที่ตั้งจะไม่เริ่มจากศูนย์  ควรหลีกเลี่ยงการใช้ตัวเก็บประจุที่มีไดอิเล็กตริกดูดกลืนสูง ในวงจรตั้งเวลาซึ่งรวมทั้งตัวเก็บประจุชนิดกระดาษ,เซรามิคและไมก้าบางชนิด ซึ่งมีการดูดกลืนของไดอิเล็กตริกสูงถึงร้อยละ 3 ถึง 5 ตัวเก็บประจุที่ควรใช้ ได้แก่ พลาสติกฟิล์ม , โพลี่สไตรีน ,โพลี่คาบอเนต สำหรับตัวเก็บประจุชนิดโพลี่คาบอเนตมีการดูดกลืนของไดอิเล็กตริกน้อยกว่าร้อยละ 1 และตัวเก็บประจุชนิดโพลี่สไตรีน หรือ พารลี่รีน จะมีการดูดกลืนของไดอิเล็กตริกน้อยกว่าร้อยละ0.1 สำหรับตัวเก็บประจุที่มีไดอิเล็กตริกแบบเทฟลอนยิ่งเหมาะกับวงจรตั้งเวลา แต่ราคาค่อนข้างแพง

                       10.1โพลี่สไตรีน(Polystyrene) ถือว่าเป็นไดอิเล็กตริกที่ดีที่สุด เมื่อเทียบกับความเชื่อถือและราคา แต่มีข้อจำกัด คือ สามารถใช้กับอุณหภูมิที่ไม่เกินกว่า 85 องศา และค่าตัวเก็บประจุไม่เกิน 1 uF ค่าความผิดพลาดไม่เกินร้อยละ 1 ค่าสัมประสิทธิ์ต่ออุณหภูมิเป็นเชิงเส้น ซึ่งทำให้สามารถทำการชดเชยโดยใช้เทอร์มิสเตอร์ได้ถ้าจำเป็น

                      10.2 พาลี่รีน (Palyrene) เป็นตัวเก็บประจุที่มีไดอิเล็กตริกเหมือนยูเนี่ยนคาร์ไบต์ มีค่าตั้งแต่ 0.001uF ค่าผิดพลาดไม่เกินร้อยละ 1 ค่าผิดพลาดร้อยละ 0.5 ค่าสัมประสิทธิ์ต่ออุณหภูมิเป็นเชิงเส้นมีค่า 20030 ppm/C ใช้งานที่อุณหภูมิ -55 c ถึง 125 c

                      10.3 โพลี่คาบอเนต (Polycabonate) เป็นตัวเก็บประจุที่สามารถให้ค่าความจุได้หลาย 10uF ค่าสัมประสิทธิ์ต่ออุณหภูมิไม่เป็นเชิงเส้นเท่ากับตัวเก็บประจุชนิดโพลี่สไตรีน หรือพาลี่รีน ซึ่งไม่สามารถชดเชยได้ง่าย สำหรับการทำงานในช่วงอุณหภูมิ 0c ถึง 70 c ไม่จำเป็นต้องทำการชดเชย ค่าผิดพลาดของตัวเก็บประจุชนิดนี้ ร้อยละ 1

                11. ตัวเก็บประจุชนิดอิเล็กโทรลิตริก (Electrolytic Capacitor) ไม่ควรใช้เนื่องจากมีค่าผิดพลาดมากเสถียรภาพไม่ดี ยกเว้นจะใช้ในวงจรที่ไม่ต้องการความแน่นอน แทนตาอิเล็กโทรลิติก (Tanta Electroly Capacitor) สามารถใช้งานในวงจรตั้งเวลาได้ดี แต่ต้องอยู่ในช่วงอุณหภูมิ 0 ถึง 50c การทำงานอาศัยแรงดัน จะช่วยควบคุมกระแสรั่วไหลสำหรับตัวเก็บประจุชนิดนี้เพราะกระแสของตัวเก็บชนิดนี้ มีค่าหลายไมโครแอมป์ ซึ่งจำเป็นต้องลดช่วงของการใช้งานของตัวต้านทานลง

5. ไอซีเบอร์ 555 ที่ใช้ในการค้า

              ไอซีเบอร์ 555 ที่ใช้ในทางการค้าจะใช้ทำงานในช่วงอุณหภูมิระหว่าง 0 ^0 C ถึง 70 ⁰C   ในการตั้งเวลาอย่างง่ายโดยใช้วงจรโมโนสเตเบิ้ล      หาคาบเวลาโดยใช้สมการ  T  =  1.1 RtCt   ซึ่งจะมีค่าความผิดพลาดร้อยละ  1  ( ไม่รวมค่าความผิดพลาดอันเกิดจาก Rt , Ct )    ส่วนวงจรอะสเตเบิ้ลมีค่าความผิดพลาดประมาณร้อยละ 2 สำหรับวงจรโมโนสเตเบิ้ล    ผลจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิทำให้เวลาผิดพลาดไป 50 ppm/⁰C  หรือร้อยละ 0.005/⁰C    ส่วนวงจรอะสเตเบิ้ลผิดพลาดประมาณ  150 ppm/⁰C   และผลของการเปลี่ยนแปลงแรงดันที่ป้อนให้กับวงจรสามารถทำให้เวลาผิดพลาดไปร้อยละ 0.1/V    กระแสเอาต์พุตทั้งซิงก์และซอร์สมีค่า  20 mA     ไอซีเบอร์ 555  นี้กินกระแสประมาณ 3 mA  ที่  5 V หรือ 10 mA ที่ 15 V ( ไม่รวมกระแสโหลด )

               อย่างไรก็ตามยังมีไอซีเบอร์ 755   ซึ่งมีไอซีตั้งเวลาแบบซีมอส     สามารถใช้แทนไอซีตั้งเวลาเบอร์ 555 ได้โดยตรงในวงจรเกือบทั้งหมด     แต่มีข้อดีเหนือกว่าไอซีเบอร์ 555 ดังนี้

               1. กินไฟน้อยกว่ามาก  คือ  ดึงกระแสในภาวะปกติไม่มากกว่า  0.3 mA ( 555 ดึงกระแสไม่มากกว่า  15 mA )

                2. ใช้ได้กับแรงดันไฟเลี้ยงได้กว้างมาก  คือ  จาก +2 V  ถึง +18 V ( 555 ใช้ได้กับ +4.5 V ถึง +15 V )

                3. ใช้งานเป็นวงจรอะสเตเบิ้ล ( Astable )  ได้กับความถี่สูง   ได้ไม่น้อยกว่า 500 KH_Z

                4. อินพุตทั้งหมดเช่น  ขาทริกเกอร์ ( Tigger ) ขารีเซต ( Reset )  ขาเทรสโฮล ( Tresshold)  ดึงกระแสน้อยมาก  คือ  เพียงประมาณ 0.02  เท่านั้น ( 555 ถึงประมาณ  2 )  จึงทำให้ใช้ค่าความต้านทานและตัวเก็บประจุในส่วนตั้งเวลาได้สูงมาก    ดังนั้นจึงสามารถออกแบบวงจรตั้งเวลาได้นานกว่า 555 ธรรมดามาก

                5. ระหว่างการเปลี่ยนแปลงสภาวะของเอาต์พุต ( Output )  จะดึงกระแสเสิร์จจากแหล่งจ่ายไฟน้อยมาก  คือ  เพียง 2 – 3 mA  เท่านั้น    ดังนั้นจึงไม่จำเป็นต้องมีตัวเก็บประจุต่อที่ขา 5 และคร่อมไฟเลี้ยงเพื่อรักษาแรงดันให้คงที่ดังเช่น  วงจร 555 ทั่วๆไป    จึงสามารถประหยัดตัวเก็บประจุไปได้ 2 ตัวเลยทีเดียว   และไม่เกิดสัญญาณไปรบกวนมาก                                                อย่างไรก็ตามเวลาใช้งานไอซี 555   ก็ต้องระวังเช่นเดียวกับไอวีซีมอสอื่นๆ  คือ  อย่าให้แรงดันอินพุต ( V )  ที่ขาต่างๆ  ในภาวะใดๆ มีค่าสูงกว่าแรงดันไฟเลี้ยงที่กับตัวไอซีเกินกว่า  0.3 V  และไม่ต่ำกว่า - 0.3 V    มิฉะนั้นไอซีจะเสียหายได้และถ้าเป็นไปได้ควรเปิดไฟเลี้ยงวงจรไอซีเบอร์นี้ไว้ก่อนจะป้อนแรงดันอินพุตเข้าที่ขาต่างๆ ของไอซีด้วย