DENEY 21 IC Zamanlayıcı Devre

DENEY 21 IC Zamanlayıcı Devre
DENEYİN AMACI
1. IC zamanlayıcı NE555’in çalışmasını öğrenmek.
2. 555 multivibratörlerinin çalışma ve yapılarını öğrenmek.
3. IC zamanlayıcı anahtar devresi yapmak.
GİRİŞ
En popüler entegre zamanlayıcı, ilke olarak Signetics Corporation tarafından
gerçekleştirilen 555 entegresidir. 555 entegresi iki tip pakette bulunur, TO-99 yada
DIP. Şekil 21-1, 555 zamanlayıcısının fonksiyonel bloklarını göstermektedir. İki
karşılaştırıcı, üç eşit direnç, bir transistör, bir flip-flop, ve bir çıkış katından oluşur.
Şekil 21-1 555 Zamanlayıcısı Fonksiyonel Blokları
555 zamanlayıcısı bir çift kutuplu tasarımdır. 5V’den 15V’ye kadar besleme
gerilimlerinde çalışabilir, bu özelliğiyle TTL ve opamp devrelerine uyumludur.
555 entegresinin çıkışı 200mA sink ve source akım kapasitesine sahiptir. 555
zamanlayıcısı, osilatörlerde, multivibratörlerde, darbe üreteçlerinde, zamanlama
devrelerinde, ve bunlara benzer uygulamalarda sıklıkla kullanılır.
Bir 555 zamanlayıcısının nasıl çalıştığını anlayabilmeniz için, Şekil 21-2’deki bloklara
göre terminallerin kısa bir açıklaması altta yapılmıştır.
21-1
Şekil 21-2 555 Blok Anlatımı
Bu bloklardan, 555 zamanlayıcısının alttaki 5 kısımdan oluştuğunu görebiliriz.
1.
2.
3.
4.
5.
Karşılaştırıcı 2
Karşılaştırıcı 1
RS flip-flop
Deşarj transistörü
Çıkış tamponu
Her bir terminalin açıklaması altta anlatılmıştır:
1. RESET (pin 4): Reset terminali 555’in devre dışı kalmasına
ve tetikleme
girişindeki işaretlerden etkilenmemesine imkan sağlar. Eğer reset terminali
topraklanmışsa yada 0.4V’nin altında ise, çıkış ve deşarj terminallerinin ikisi de
yaklaşık olarak toprak potansiyelindedirler. Reset işlevi kullanılmayacaksa bu
terminal +VCC’ye bağlanmalıdır.
2. Tetikleme (pin 2): Tetikleme terminali gerilimi 2/3 VCC değerinden daha yüksekte
tutulursa, çıkış terminali gerilim seviyesi düşük olur. Büyüklüğü 1/3 VCC’nin altında
olan yeterli bir negatif darbe, çıkışın yüksek seviye olmasını sağlar. Tetikleme
terminali düşük seviyede tutulursa, çıkış terminali yüksek seviye durumunu korur.
3. Eşik (pin 6): Eğer bu terminaldeki gerilim 2/3 VCC’den daha büyükse, 555’in çıkışı
düşük seviyeye geçer. Kullanılmayacaksa, bu terminal genellikle +VCC’ye bağlanır.
21-2
4. Deşarj (pin 7): Deşarj terminali, çıkış düşük seviye olduğu sürece bir harici
zamanlama kapasitörünün deşarj olması için kullanılır. Çıkış yüksek seviye ise,
terminal açık devre gibi davranır ve harici direnç yada direnç ve kapasitör ile
belirlenen bir hızda kapasitörün dolmasına olanak sağlar.
5. Kontrol Gerilimi (pin 5): Kontrol gerilimi terminaline dışarıdan uygulanan gerilim,
eşik ve tetikleme gerilimlerini değiştirir. Kontrol gerilimi çıkış gerilimi dalga şekli
modülasyonu için de kullanılabilir. Güç kaynağından kaynaklanabilecek gürültüleri
ve/veya dalgacık gerilimlerinden entegreyi korumak için genellikle bu terminale
küçük bir filtre kapasitör bağlanır.
6. Çıkış (pin 3): Çıkış terminali sink ve source akım kapasitesi 200mA’dır. İki çıkış
seviyesine sahiptir, düşük ve yüksek.
Tek kararlı multivibratör ve astable multivibratör olmak üzere 555 zamanlayıcısının
iki çalışma modu vardır. Bir tek-kararlı multivibratör, tetiklemeli, darbe genişliği
ayarlanabilir bir darbe üreteci olarak düşünülebilir. İsminden anlaşılacağı gibi,
tek-kararlı multivibratör sadece bir durumda kararlıdır. Tetiklenerek bir süreliğine
diğer yarı kararlı durumuna geçer ve ardından tekrar başlangıç durumuna döner.
Şekil 21-3, 555 entegre zamanlayıcısı kullanılarak gerçekleştirilen bir tek-kararlı
multivibratörü gösterir. RS flip-flopu bir çift kararlı multivibratör olarak düşünülebilir.
Başlangıçta Q çıkışı düşük seviyede, Q çıkışı yüksek seviyededir. Flip-flopun S
girişine yüksek potansiyel uygulandığında Q çıkışı yüksek seviyeye, ve
Q çıkışı
düşük seviyeye geçer.
t0 anında, Q çıkışındaki yüksek seviye Q1 transistörünü iletime sürer. Böylece
C1 kapasitörü Q1 üzerinde boşalır. Bu sırada 555’in çıkışı düşük seviyedir.
Entegre içindeki 5KΩ’luk dirençler RA, RB ve RC, karşılaştırıcı girişlerinin referans
gerilimlerini belirleyen bir gerilim bölücü oluştururlar. Üstteki karşılaştırıcının
(COMP1) (-) girişinin referans gerilimi şöyle hesaplanır:
R A + RC
2
E1 = (VCC )
= (VCC ) ................................................................(21-1)
R A + RB + RC 3
Eşik terminaline uygulanan gerilim 2/3VCC’den büyükse, COMP1çıkışı yüksek
seviye olacaktır. Buna benzer olarak, alttaki karşılaştırıcının (COMP2) (+)
girişindeki gerilim şöyle hesaplanır:
RC
1
= (VCC ) ................................................................(21-2)
E 2 = (VCC )
R A + RB + RC 3
Tetikleme terminaline uygulanan gerilim 1/3VCC’nin altına düşerse, COMP2 çıkışı
yüksek seviyeye geçer.
t1 anında tetikleme terminaline bir negatif darbe uygulanırsa ve potansiyel
1/3VCC’den düşükse, COMP2 çıkışı yüksek seviyeye geçer ve RS flip-flopunun Q
21-3
çıkışını yüksek seviye yapar. Böylece 555 çıkışı yüksek seviye olur.
Q çıkışının
düşük seviye olması Q1 transistörünün kesime gitmesine neden olur. C1
kapasitörü R1 direnci üzerinden VCC değerine şarj olmaya başlar. Kapasitör
gerilimi 2/3VCC’ye ulaşınca, COMP1 çıkışı yüksek seviyeye geçer ve flip-flopu
reset yapar. Bunun sonucunda, t2 anında 555 çıkışı başlangıç durumuna (düşük
seviye) döner. Bir sonraki tetikleme darbesi uygulanana kadar çıkış terminali bu
düşük seviyede kalır.
Şekil 21-3 Tek-kararlı çalışmada 555
21-4
t1 ve t2 arasındaki zaman aralığı, çıkışın düşük seviyede kaldığı süredir, ve R1C1
zaman sabiti ile belirlenir.
T = (t2 - t1) = 1.1 R1 C1.................................................................................(21-3)
Burada T saniye, R1 ohm, ve C1 farad cinsindendir.
Şekil 21-3(c) tetikleme darbesi, kapasitör gerilimi, ve çıkış gerilimi dalga şekillerini
gösterir. T, C1 ve R1 arasındaki ilişki Şekil 21-3(d)’de 0.01~10.0 saniye zaman
aralığı için gösterilmiştir.
RESET özelliği kullanılmayacaksa, güç kaynağından kaynaklanacak gürültü ve
dalgacık gerilimi etkisini ortadan kaldırmak için RESET terminali VCC‘ye
bağlanmalıdır.
Bir astable (serbest çalışan) multivibratörün çalışması, kendi kendine tetiklenen bir
tek-kararlı multivibratör olarak düşünülebilir. İsminden de anlaşılacağı gibi astable
multivibratörün kararlı olduğu bir durum yoktur ve tek-kararlı multivibratörde
kullanılan tetikleme darbesine gerek yoktur. Şekil 2-14, astable çalışmada olan bir
555 entegre zamanlayıcısını gösterir. Başlangıçta, C1 kapasitörü R1 ve R2
üzerinden VCC değerine şarj olur. C1 kapasitörü şarj olurken, 555 çıkışı yüksek
seviyedir. Kapasitör gerilimi 2/3VCC’ye ulaşınca, COMP1 çıkışı Şekil 21-4(e)’de
gösterildiği gibi entegre çıkış geriliminin düşük seviyeye geçmesine ve Q1
transistörünün iletime geçmesine neden olur. Kapasitör R2 ve Q1 üzerinden deşarj
olur. Kapasitör gerilimi 1/3VCC’ye düşünce, COMP2 çıkışı entegre çıkışının
yüksek seviyeye geçmesine neden olur ve çevrim böylece devam eder. Şekil
21-4(c)’de gösterildiği gibi, C1 kapasitörü 1/3VCC’den 2/3VCC’ye gelene kadar
geçen süre boyunca çıkış yüksek seviyede kalır. Bu zaman aralığı şöyle
hesaplanır:
t1 = 0.693 (R1+R2) C1 .................................................................................(21-4)
C1 kapasitörü geriliminin 2/3VCC’den 1/3VCC’ye düşmesine kadar geçen süre
boyunca çıkış düşük seviyededir. Bu zaman aralığı ise şöyle hesaplanır:
t2 = 0.693 R2 C1 ..........................................................................................(21-5)
Toplam periyot, T;
T = t1 + t2 .....................................................................................................(21-6)
T = 0.693 (R1+2R2) C1 ................................................................................(21-7)
21-5
Şekil 21-4 Astable Çalışmada 555 Bağlantısı
Serbest çalışma osilasyon frekansı, F;
F = 1 / T ..........................................................................................................(21-8)
F=
1
.....................................................................................(21-9)
0.693( R1 + 2 R 2)C1
F=
1.44
...........................................................................................(21-10)
( R1 + 2 R 2)C1
21-6
Şekil 21-4(d), çeşitli (R1+R2) değerleri için Denklem (21-10)’un grafikleştirilmiş halidir,
bu grafik bir astable multivibratör tasarlamak için gerekli olacak direnç~kapasitör
kombinasyonlarını gösterir. Entegre çıkışının yüksek seviye olduğu zamanın (t1)
toplam periyoda (T) oranına çalışma oranı (Duty Cycle) denir. Şu şekilde gösterilir.
t1
R2
=
...................................................................................(21-11)
t1 + t 2 R1 + R 2
Şekil 21-5, 555 tek-kararlı multivibratörü tetikleme girişi için darbe üretecini gösterir.
DC =
S1 butonu, R3, R4 ve C3 elemanları kullanılarak, el yordamıyla bir tek giriş darbesi
sağlamak için bir tek-darbe üreteci oluşturulmuştur. S butonu açık devre iken tetikleme
terminalinin yüksek seviyede kalmasını garanti altına almak için VCC ile pin 2 arasına
R4 pull-up direnci yerleştirilir. S1 butonu kapalı devre yapıldığında, C3 kapasitörü
hızla deşarj olur ve pin2’de bir negatif darbe oluşur.
Şekil 21-5 Tetikleme darbesi üreteci
Deney Devresinin Açıklaması
Şekil 21-6 bu deneyde kullanılan devreyi gösterir. U2, NE555, bir zamanlama anahtarı
için bir tek-kararlı multivibratör olarak bağlanmıştır. Tetikleme girişine uygulanacak
tetikleme darbesi, CMOS Schmitt Evirici CD4093 ve S1 butonu ile üretilir.
Güç uygulanınca, C1 yüksek seviyeye şarj olur. U1 çıkışı (pin 4) kararlı bir yüksek
seviyedir, dolayısıyla U2’yi tetiklemek için değildir. U2 çıkışı düşük seviyede kalır,
böylece LED’ler sönük kalır.
S1’e basılınca, C1 hızla düşük seviyeye deşarj olur ve U1 çıkışı düşük seviyeye geçer.
U1 çıkışındaki seviye değişiklikleri tek-kararlı multivibratörü tetikler. U2 çıkışı yüksek
seviyeye geçerek Q1’i iletime sürer yada SCR’yi ON duruma geçirir. C3 kapasitörü R3
ve VR1 üzerinden VCC’ye şarj olur. Kapasitör gerilimi 2/3VCC’ye ulaşınca, U2 çıkışı
düşük seviyeye geçer, ve dolayısıyla Q1 ve SCR kesime giderler.
21-7
Şekil 21-6 Deney Devresi
Denklem (21-3) kullanılarak, U2 çıkışının yüksek seviyede kaldığı sure
T = 1.1 x (R3 + VR1) x C3 olarak hesaplanır. Bu denkleme göre, VR1 yada
kapasitörler (C3, C4 yada C5) değiştirilerek bu süre kolayca kontrol edilebilir.
U2 çıkışı, Q1 transistörünü yada SCR’yi kontrol etmek için kullanılabilir. Q1
kullanılırsa, bir yüksek seviye durumu Q1’i iletime geçirecektir ve LED’ler yanacaktır.
SCR kullanılırsa, U2 çıkışının yüksek seviye olması SCR’yi tetikleyecek, SCR de
röleyi enerjilendirecektir, böylece LED’ler yanacaktır. Eğer Q2 çıkışı düşük seviye
olursa, dalgalı dc kaynağın her yarım dalgasının sonunda SCR kesime gider.
KULLANILACAK ELEMANLAR
KL-51001 Güç Kaynağı Ünitesi
KL53010 Modülü
Multimetre
DENEYİN YAPILIŞI
1. KL-51001 güç kaynağı ünitesinin 12VDC ve 12VAC çıkışlarını KL-53010
modülüne bağlayın. Güç kaynağını açın.
2. Multimetreyi kullanarak, U1 çıkışındaki (pin 4) gerilimi ölçün ve kaydedin.
VO=_______________V. S1 butonuna basılı tutun, çıkış gerilimi ____________V.
S1 anahtarını bırakın, çıkış gerilimi _______________V.
21-8
3. VR1’i saat yönünün tersi yönde sonuna kadar çevirin. Bağlantı fişlerini 1, 4, 6, ve 7
numaralara takın. LED’in durumunu gözlemleyin ve kaydedin. ________________
Zamanlayıcı süresini hesaplayın.
T1 = (100K x 0.1µF) x 1.1 = _________________saniye.
4. S1’e bir kere basıp bırakın. LED’in yanık olduğu süreyi ölçün ve kaydedin.
T1 = _______________saniye.
Hesapladığınız T1 değer ile ölçtüğünüz T1 değeri uyuşuyor mu?
______________________________________________________________
5. VR1’i saat yönünde sonuna kadar çevirin. Zamanlayıcı süresini hesaplayın.
T2 = 1.1 x (100K + 1M) x 0.1µF = ______________________________saniye.
6. 4. adımı tekrarlayın. T2 ____________________ saniye.
Ölçülen T2 değeri ile hesaplanan T2 değeri uyuşuyor mu?
______________________________________________________________
7. Bağlantı fişini 4 numaradan çıkarın ve 3 numaraya takın. VR1’i saat yönünün tersi
yönde sonuna kadar çevirin. Zamanlayıcı süresini hesaplayın.
T1 = 1.1 x (100K x 10µF) = _____________________saniye.
8. 4. adımı tekrarlayın. T1_____________________saniye.
Ölçülen T1 değeri ile hesaplanan T1 değeri uyuşuyor mu?
______________________________________________________________
9. VR1’i saat yönünde sonuna kadar çevirin. Zamanlayıcı süresini hesaplayın.
T2 = 1.1 x (100K x 1M) x 10µF = _____________________saniye.
10. 4. adımı tekrarlayın. T2 ____________________ saniye.
Ölçülen T2 değeri ile hesaplanan T2 değeri uyuşuyor mu?
______________________________________________________________
11. Bağlantı fişini 3 numaradan çıkarın ve 2 numaraya takın. VR1’i saat yönünün tersi
yönde sonuna kadar çevirin. Zamanlayıcı süresini hesaplayın.
T1 = 1.1 x (100K x 22µF) = _____________________saniye.
12. 4. adımı tekrarlayın. T1_____________________saniye.
Ölçülen T1 değeri ile hesaplanan T1 değeri uyuşuyor mu?
______________________________________________________________
13. VR1’i saat yönünde sonuna kadar çevirin. Zamanlayıcı süresini hesaplayın.
T2 = 1.1 x (100K x 1M) x 22µF = _____________________saniye.
21-9
14. 4. adımı tekrarlayın. T2 ____________________ saniye.
Ölçülen T2 değeri ile hesaplanan T2 değeri uyuşuyor mu?
______________________________________________________________
15. Bağlantı fişlerini 1, 3, 5 , ve 8 numaralara takın.
16. VR1’i saat yönünün tersi yönde sonuna kadar çevirin S1’e bir kere basıp bırakın.
LED yanıyor mu? _________________________________________________
Röle çalıştı mı? ___________________________________________________
17. Zaman dolunca, LED sönüyor mu neden?
______________________________________________________________
______________________________________________________________
SONUÇ
Bu deneyde, VR1 yada kapasitörler değiştirilerek istenen zaman aralığının elde
edilebileceğini öğrendik.
(1) T1 = 1.1 x R3 x C5 = 0.011 saniye.
T2 = 1.1 x (R3 + VR1) x C5 = 0.121 saniye.
(2) T1 = 1.1 x R3 x C4 = 1.1 saniye.
T2 = 1.1 x (R3 + VR1) x C4 = 12.1 saniye.
(3) T1 = 1.1 x R3 x C3 = 2.42 saniye.
T2 = 1.1 x (R3 + VR1) x C3 = 26.62 saniye.
UJT, PUT, ve SCS gibi birçok yarıiletken eleman, zamanlayıcı anahtar olarak
kullanılabilir, ancak IC 555 zamanlayıcısı daha uygun ve düşük maliyetlidir.
21-10