IC 555 Là Gì? Cấu Tạo, Nguyên Lý Hoạt Động và Ứng Dụng Chi Tiết

IC 555 là một linh kiện điện tử quan trọng, được sử dụng rộng rãi trong các mạch điện tử để tạo thời gian trễ và tạo xung. Được phát minh bởi công ty Signetics Corporation, IC 555, đặc biệt là dòng SE555/NE555, nổi tiếng với độ ổn định và độ chính xác cao. IC NE555, một mạch tích hợp CMOS, thường được dùng để tạo xung PWM và điều chỉnh tần số. Bài viết này sẽ cung cấp cho bạn cái nhìn sâu sắc về cấu tạo, nguyên lý hoạt động, các ứng dụng phổ biến của IC 555, cũng như những tính năng vượt trội của vi mạch này.

Sơ đồ chân IC 555

Cấu Tạo Kỹ Thuật của IC 555

IC NE555 bao gồm một bộ so sánh điện áp (OP-AMP), một mạch lật (Flip-Flop) và một transistor dùng để xả điện. Mặc dù có cấu tạo đơn giản, IC 555 được đánh giá cao về độ chính xác.

Bên trong IC, ba điện trở được mắc nối tiếp để chia điện áp nguồn (Vcc) thành ba phần bằng nhau, tạo ra điện áp chuẩn. Điện áp ⅓ Vcc được kết nối với chân dương của OP-AMP 1, trong khi điện áp ⅔ Vcc được kết nối với chân âm của OP-AMP 2.

Khi điện áp ở chân 2 nhỏ hơn ⅓ Vcc, chân S của Flip-Flop được kích hoạt, và khi điện áp ở chân 6 lớn hơn ⅔ Vcc, chân R của Flip-Flop được reset.

IC 555 có thể hoạt động với dải điện áp từ 2.0V đến 18V, và chuẩn đầu ra phải tương thích. Với nguồn cấp 5V, chuẩn đầu ra TTL có thể cung cấp hoặc rút dòng điện lên đến 200mA.

Thông số kỹ thuật chuẩn của IC 555:

• Điện áp đầu vào: 2 – 18V
• Dòng điện tiêu thụ: 6 – 15mA
• Công suất tiêu thụ tối đa (Pmax): 600mW
• Điện áp logic đầu ra mức cao (mức 1): 0.5 – 15V
• Điện áp logic đầu ra mức thấp (mức 0): 0.03 – 0.06V

Chức Năng Hoạt Động của Mạch IC 555

Điện áp ngưỡng (Threshold) và điện áp kích (Trigger) của IC 555 lần lượt là ⅔ và ⅓ so với điện áp nguồn Vcc. Mức điện áp này có thể được điều chỉnh thông qua chân điều khiển điện áp (Cont).

Khi điện áp ở chân số 2 (Trigger) xuống dưới mức điện áp kích, mạch Flip-Flop chuyển sang trạng thái Set (mức 1), làm cho đầu ra (OUT) ở mức cao (mức 1). Ngược lại, khi điện áp ở chân Trigger cao hơn mức điện áp kích và đồng thời vượt quá ngưỡng (Threshold – chân 6), mạch Flip-Flop sẽ bị reset về mức 0, và đầu ra cũng xuống mức 0.

Sơ đồ 8 chân của IC555

Nếu chân Reset (chân 4) xuống mức thấp, mạch Flip-Flop sẽ bị reset, đưa đầu ra (OUT) xuống mức 0. Khi đầu ra ở mức 0, chân Disch (chân 7) sẽ nối với GND. Các mạch tạo xung sử dụng IC 555 thường được ứng dụng để tạo xung PWM, điều chế vị trí xung (PPM) trong các bộ biến tần năng lượng mặt trời hoặc để phát hồng ngoại.

Chức năng của từng chân:

• Chân 1 (GND): Chân kết nối với mass chung, cung cấp dòng điện cho IC.
• Chân 2 (TRIGGER): Chân đầu vào so sánh điện áp, thường được sử dụng như một chân chốt tần số áp. Mạch so sánh ở đây sử dụng Transistor PNP với điện áp chuẩn là ⅓ Vcc.
• Chân 3 (OUTPUT): Chân lấy tín hiệu logic đầu ra, trạng thái được xác định ở mức thấp (mức 0) và mức cao (mức 1).
• Chân 4 (RESET): Chân lập định trạng thái đầu ra của IC 555. Khi chân 4 nối với Mass, OUTPUT sẽ về mức 0. Nếu chân 4 ở mức cao, trạng thái đầu ra sẽ phụ thuộc vào mức áp trên chân 2 và chân 6. Trong các mạch dao động dùng IC 555, chân này thường được nối trực tiếp với nguồn Vcc.
• Chân 5 (CONTROL VOLTAGE): Chân dùng để thay đổi mức điện áp chuẩn trong IC 555, thường được điều chỉnh bằng các điện trở ngoài nối với chân 1 (GND).
• Chân 6 (THRESHOLD): Một trong những đầu vào để so sánh điện áp.
• Chân 7 (DISCHAGER): Chân được coi như một khóa điện tử, chịu tác động điều khiển từ tầng logic chân 3. Khi đầu ra ở chân Output xuống mức 0, khóa này đóng lại. Chân 7 có nhiệm vụ như một tụ nạp xả điện cho mạch R-C.
• Chân 8 (Vcc): Nguồn cấp điện cho IC 555 trong suốt quá trình hoạt động, với mức điện áp dao động từ 2 – 18V.

IC 555: Nguyên Lý Hoạt Động Chi Tiết

Nguyên lý hoạt động của IC 555 dựa trên việc sử dụng Flip-Flop RS, với H là mức 1 (gần bằng Vcc) và L là mức 0.

• Khi S = [1], Q = [1] và /Q = [0].
• Sau đó, khi S = [0], Q = [1] và /Q = [0].
• Khi R = [1], /Q = [1] và Q = [0].
• Khi S = [1], Q = [1] và khi R = [1], Q = [0] vì /Q = [1].

Khi Transistor mở dẫn, cực C sẽ được nối với đất, ngăn không cho điện áp nạp vào tụ C, và điện áp ở chân 6 không vượt quá ngưỡng V2. Đầu ra của OP-AMP 2 thường ở mức 0, do đó Flip-Flop không được reset lại trạng thái cũ.

Khi mạch mới được đóng, tụ C nạp qua Ra và Rb, với thời hằng (Ra+Rb)C.

Quá trình nạp điện áp cho tụ C từ 0V đến ⅓ Vcc:

• Lúc này V+1 (V+ OA1) > V-1, do đó OA1 (ngõ ra của OA1) có mức logic 1(H).
• V+2 < V-2 (V-2 = ⅔ Vcc), do đó OA2 = 0(L). R = 0, S = 1 -> Q = 1, /Q = 0.

Nguyên lý hoạt động của IC555

• Q = 1 -> Ngõ ra = 1
• /Q = 0 -> Transistor hồi tiếp không dẫn.

Tiếp tục nạp điện áp cho tụ C từ ⅓ Vcc đến ⅔ Vcc:

• Lúc này, V+1 < V-1, do đó OA1 = 0.
• V+2 < V-2, do đó OA2 = 0. R = 0, S = 0 -> Q, /Q giữ trạng thái trước đó (Q=1, /Q=0).
• Transistor vẫn không dẫn.

Tụ C nạp qua ngưỡng ⅔ Vcc:

• Lúc này, V+1 < V-1, do đó OA1 = 0. V+2 > V-2, do đó OA2 = 1.
• R = 1, S = 0 -> Q=0, /Q = 1.
• /Q = 1 -> Transistor dẫn, điện áp trên chân 7 xuống 0V!

Tụ C xả qua Rb, với thời hằng Rb.C:

Khi điện áp trên tụ C giảm xuống, tụ C bắt đầu quá trình xả, làm cho điện áp tụ C giảm xuống dưới ⅔ Vcc.

Tụ C tiếp tục xả từ điện áp ⅔ Vcc – ⅓ Vcc:

• Lúc này, V+1 < V-1, do đó OA1 = 0.
• V+2 < V-2, do đó OA2 = 0. R = 0, S = 0 -> Q, /Q giữ trạng thái trước đó (Q=0, /Q=1).
• Transistor vẫn đang dẫn.

Tụ C xả qua ngưỡng ⅓ Vcc:

• Lúc này V+1 > V-1, do đó OA1 = 1.
• V+2 < V-2 (V-2 = ⅔ Vcc), do đó OA2 = 0. R = 0, S = 1 -> Q = 1, /Q = 0.
• Q = 1 -> Ngõ ra = 1.
• /Q = 0 -> Transistor không dẫn -> chân 7 ở mức thấp và tụ C lại được nạp điện với điện áp ban đầu là ⅓ Vcc.

Các Mạch Ứng Dụng IC 555 Phổ Biến

IC 555 được ứng dụng rộng rãi trong nhiều mạch điện tử khác nhau. Dưới đây là một vài ví dụ điển hình:

Mạch đèn LED nhấp nháy:

Mạch nhấp nháy đèn LED

Mạch điều chỉnh độ sáng bóng đèn:

Mạch điều chỉnh ánh sáng bóng đèn

Mạch còi cảnh sát: