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. Karşılaştırıcı 2 2. Karşılaştırıcı 1 3. RS flip-flop 4. Deşarj transistörü 5. 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 +V CC ye bağlanmalıdır. 2. Tetikleme (pin 2): Tetikleme terminali gerilimi 2/3 V CC değerinden daha yüksekte tutulursa, çıkış terminali gerilim seviyesi düşük olur. Büyüklüğü 1/3 V CC 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 V CC den daha büyükse, 555 in çıkışı düşük seviyeye geçer. Kullanılmayacaksa, bu terminal genellikle +V CC 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 R A, R B ve R C, karşılaştırıcı girişlerinin referans gerilimlerini belirleyen bir gerilim bölücü oluştururlar. Üstteki karşılaştırıcının (COMP1) (-) girişinin referans gerilimi şöyle hesaplanır: RA + RC 2 E 1 = ( VCC ) = ( VCC )...(21-1) R + R + R 3 A B C Eşik terminaline uygulanan gerilim 2/3V CC den büyükse, COMP1çıkışı yüksek seviye olacaktır. Buna benzer olarak, alttaki karşılaştırıcının (COMP2) (+) girişindeki gerilim şöyle hesaplanır: RC 1 E 2 = ( VCC ) = ( VCC ) R + R + R 3...(21-2) A B C Tetikleme terminaline uygulanan gerilim 1/3V CC nin altına düşerse, COMP2 çıkışı yüksek seviyeye geçer. t1 anında tetikleme terminaline bir negatif darbe uygulanırsa ve potansiyel 1/3V CC 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 V CC değerine şarj olmaya başlar. Kapasitör gerilimi 2/3V CC 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 V CC 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 V CC değerine şarj olur. C1 kapasitörü şarj olurken, 555 çıkışı yüksek seviyedir. Kapasitör gerilimi 2/3V CC 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 1/3V CC 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 1/3V CC den 2/3V CC 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 2/3V CC den 1/3V CC 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) 1 F =...(21-9) 0.693( R1 + 2R2) C1 1.44 F =...(21-10) ( R1 + 2R2) 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 DC = =...(21-11) t1 + t2 R1 + R2 Şekil 21-5, 555 tek-kararlı multivibratörü tetikleme girişi için darbe üretecini gösterir. 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 V CC 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 V CC ye şarj olur. Kapasitör gerilimi 2/3V CC 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. V O = 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