mounir zougag

De la préparation et l'examen des; mounir zougagh



مقدمة:
تعد هذه الدارة من أكثر الدارات المتكاملة إنتشارا في العالم ومن أكثرها استخداما في المشاريع الصغيرة وبعض المشاريع الكبيرة وذلك لانخفاض سعرها وتوفرها بكميات هائلة.
طبعا تستخدم هذه الدارة كمؤقت أو كمولد نبضات حسب التوصيل ويمكن الإستعاضة عنها عند عملها كمولد نبضات بدارات متكاملة أخرى سنأتي على ذكرها لاحقا، كما ظهرت بعض التطويرات لهذه الدارة من حيث الإقتصاد في استهلاك الطاقة والعمل تحت جهود منخفضة وسرعة أكبر في الأداء وسنذكر بعض هذه التطويرات أيضا.
و الجدير بالذكر أن هذه الدارة المتكاملة ليست مناسبة جدا للعمل في الدارات التي تستخدم البطاريات كمصدر للطاقة كما لا يفضل استخدامها كثيرا مع الدارات التي تحوي عناصر CMOS، كما وتعتبر هذه الدارة ذات ضجيج مرتفع نسبيا وتمتلك خاصية سيئة في بنيتها الداخلية تدعى ب “crow-bat effect” تسبب ضجيجا في الأسلاك التي تقع خارج الدارة.
و من أشهر الشركات المصنعة لها :

البنية والأقطاب:
غالبا ما تدعى هذه الدارة بالمؤقت 555 وهي عبارة عن دارة متكاملة ثمانية الأقطاب وتقوم شركات عدة بتصنيعها وتختلف تسمياتها في السوق حسب الشركة المصنعة والخواص ولكن المقطع 555 يبقى ثابتا ومن هذه الآنواع نذكر LM555CN وتقوم شركة National بتصنيعها وSE555/NE555 وتقوم شركة Signetics بتصنيعها وتعتبر هذه الأنواع من الأرخص والأكثر انتشارا.
أما بنية هذه الدارة فهي تحتوي على 28 ترانزستور وتتكون من كتل Blocks من العناصر تشابه في تكوينها تكوين الهزازات ولكن ينقصها عنصران أو ثلاثة عناصر توصل معها خارجيا حتى تقوم بعملية المؤقت أو مولد النبضات وهذه العناصر هي عبارة عن مقاومات ومكثفات نقوم باختيار قيمها حسب قوانين معينة للحصول على الأداء المطلوب، حيث تستطيع هذه الدارة أن تعمل كمولد نبضات يتراوح تردده بين 1Hz إلى 500KHz، أما عندما تعمل بتردد أقل من 1Hz فتدعى بمؤقت ومن ميزات هذه الدارة احتواها على قطب (القطب 2) وظيفته القدح أي عندما نقوم بخفض الجهد المطبق على هذا القطب فإن الدارة تبدأ دورة عملها كمؤقت أو كمولد نبضات وأما القطب 4 فيقوم بإيقاف عملها سواء كانت تعمل كمولد نبضات فيقوم بإيقاف الإهتزازات أو كمؤقت فيلغي عملية التوقيت.
يبين الشكل التالي البنية الداخلية لهذه الدارة ولكننا لن نناقش هذه البنية المعقدة بل سنعتمد على البنية المبسطة:

و هذه البنية المبسطة لهذه الدارة:

وظيفة الأقطاب:

1- Ground الأرضي:
يوصل إلى الجهد 0v.

2- Trigger القدح:
كما نلاحظ من الشكل الذي يوضح البنية الداخلية فإن هذا القطب موصول إلى المقارن السفلي-الذي يستخدم بدوره لتفعيل قلاب التحكم الذي من وظيفته البدء بدورة التوقيت- وعند هبوط الجهد على هذا القطب فإن خرج المقارن سوف يرتفع ومن هذه المرحلة تبدأ المرحلة الأولى من عملية تفعيل دورة التوقيت في الوضع أحادي الاستقرار.
أماعملية القدح فتتم بخفض الجهد إلى ما دون ثلث جهد التغذية، ومن ميزات هذه الدارة أن عملية القدح تتحسس لمستوى الجهد وبمعنى آخر فإنه يمكن استخدام مولدات النبضات ذات التردد المنخفض للقيام بعملية القدح أو حتى أي موجة متغيرة وإن كان تغيرها بطيئا ولكن ماذا لو كان زمن بقاء الجهد المنخفض على هذا القطب أطول من الزمن الذي تحدده المقاومة والكثفة الخارجية؟
في هذه الحالة سوف نرى بأن خرج الدارة يبقى مرتفعا حيث أن نبضة قدح أخرى تعتبر قد طبقت وبالتالي يجب علينا أن نختار نبضات ذات تردد أقل من التردد الذي قمنا بضبط الدارة للعمل عليه ( ذات زمن أقل من دورة عمل الدارة ) هذا في حال استخدام الدارة كمولد نبضات بتردد معين، أما في حال استخدمناها كمؤقت يعمل لمرة واحدة فإن زمن نبضة القدح يجب أن يكون أقصر من زمن نبضة الخرج التي تطلقها الدارة عند عملها.
إن زمن أصغر نبضة قدح تضمن تفعيل الدارة يساوي إلى 10uS.

3- Output الخرج :
يلاحظ أن خرج هذه الدارة يقل عن جهد التغذية لها بمقدار 1.7v فمثلا عند تطبيق جهد تغذية قدره 15v فإن جهد الخرج يكون 13.7v وذلك في النبضة الموجبة للخرج كما تستطيع هذه الدارة أن تمرر تيار عبر قطب الخرج وقدره 200mA ( قد يكون هذا التيار داخلا إلى الدارة أو خارجا منها) وذلك عندما يكون الجهد عليه منخفضا ومقدرا ب 2v، أما عن زمن الإنتقال من الجهد المنخفض إلى الجهد المرتفع أو بالعكس فإن لهذه الدارة زمن انتقال صغير جدا يقدر ب 100nS.
و لعلك تتسأل كيف يتم تفعيل الخرج في هذه الدارة؟!!
إن عملية تفعيل الخرج أي بدء دورة عمل الدارة تتم كما ذكرنا سابقا عن طريق قطب القدح بتخفيض الجهد المطبق عليه تحت قيمة معينة، أما عملية إيقاف النبضات الصادرة عن الخرج فتتم عن طريق القطب 6 أو Thershold ( المبدئ) وذلك برفع الجهد المطبق عليه حيث الحالة الطبيعية لهذا القطب هي أن يكون الجهد المطبق عليه منخفضا وعند رفعه يتم إيقاف عمل الدارة كما يمكننا أن نؤدي نفس العملية باستخدام القطب 4 Reset(إعادة الضبط) وذلك بتطبيق جهد منخفض عليه.

4- Reset إعادة الضبط:
يستخدم هذا القطب من أجل إعادة الخرج إلى الحالة الإفتراضية ألا وهي المنطق المنخفض أو الجهد المنفخض أي إيقاف النبضات الصادرة عنه وتتم هذه العملية بخفض الجهد على هذا القطب إلى ما دون 0.7v وبمرور تيار قدره 0.1mA.
إن لهذا القطب أولوية في عملية إيقاف نبضات الخرج دون النظر إلى حالة قطب القدح Trigger.
أما عند عدم استخدام هذا القطب فيجب علينا وصله إلى منبع جهد أو نقطة ذات جهد مرتفع حتى نتجنب إعادة الضبط الغير مقصودة.

5- Control voltage جهد التحكم:
نلاحظ من الشكل أن هذا القطب موصول إلى القطب السالب من المقارن العلوي.
عند استخدام الدارة في نمط الجهد المتحكم به Voltage-Controlled Mode فإن الجهد عند العمل بهذا النمط يتراوح بين 2v وما دون جهد التغذية بفولط واحد مع العلم أن تطبيق الجهود خارج هذا المجال لا يشكل أي خطر على الدارة ولكن يفضل البقاء داخل هذا المجال للإستفادة من ميزة التحكم بالجهد.
و لكن ما الفائدة الفعلية لهذا القطب طالما أننا نعرف بأن عرض النبضة الموجبة( زمن التوقيت ) في النمط أحادي الاستقرار يحدد عن طريق قيم المقاومة والمكثفة الموصولتين خارجيا؟
إن هذا القطب يمكننا من تعديل عرض النبضة Pulse Width دور تعديل قيم المكثفة والمقاومة الموصولتين خارجا حيث أن تطبيق جهد يتراوح بين 45% إلى 90% من جهد التغذيةعلى هذا القطب يمكننا من هذه العملية.
أما عند العمل كمولد نبضات ( هزاز) Oscillator فيمكن تعديل تردد إشارة الخرج عن طريق هذا القطب دون الرجوع إلى المقاومة والمكثفة وتتم العملية في هذه الحالة بتغيير الجهد على القطب ضمن مجال يتراوح من 1.7v وحتى قيمة جهد التغذية.
أما في حال عدم استخدام هذا القطب فيجب وصله إلى الأرض عن طريق مكثفة ذات سعة 10nF وذلك لتجنب الضجيج الذي قد يؤدي إلى تفعيل القطب دون إرادتنا.

6- Thershold البادئ :
نلاحظ أن هذا القطب هو الدخل الثاني للمقارن العلوي (دخله الأول هو قطب التحكم بالجهد) و وظيفة هذا القطب تشبه عمل القطب Reset حيث عند رفع الجهد المطبق عليه من قيمة دنيا إلى ما فوق 2/3 من جهد التغذية فإن إشارة الخرج تتوقف (تنخفض)، ويتملك هذا القطب نفس خاصية قطب القدح Trigger حيث أنه حساس لمستويات الجهد مما يمكننا من استخدام مولدات النبضات ذات التردد المنخفض للقيام بعملية القدح أو حتى أي موجة متغيرة وإن كان تغيرها بطيئا.
يسمى التيار المار في هذا القطب بتيار البدئ وأحيانا العتبة وطبعا مصدره من خارج الدراة ويساوي عادة إلى 0.1µA وهو يحدد القيمة العظمى للمقاومة التي يمكن وصلها بين هذا القطب وبين منبع التغذية ففي حالة استخدام جهد تغذية قدره 5v يكون قيمتها العظمى 16 MegaOhm وفي حال استخدام جهد تغذية يصل إلى 15v فإن قيمتها العظمى تصل إلى 20MegaOhm.

7-Discharge التفريغ:
من الشكل نلاحظ أن هذا القطب موصول إلى مجمع ترانزتسور من النوع npn بينما يوصل باعثه إلى القطب الأرضي من داخل الدارة وبالتالي عندما يعمل الترانزستور أي عند تطبيق جهد موجب على قاعدته فإن هذا الطرف يوصل إلى القطب الأرضي ولما كنا قد وصلنا مكثفة التوقيت ( المكثفة المسؤولة عن دورة العمل التي قمنا بوصلها خارجيا) قمنا بوصلها إلى القطب Discharge فإن وصل هذا القطب إلى الأرض يؤدي إلى تفريغ المكثفة.
و لكن متى يكون هذا القطب موصولا إلى الأرض ومتى يكون معزولا عنها أي متى يمرر الترانزستور التيار ومتى يمنع مروره ؟
إن عملية الوصل والفصل مع الأرض متواقتة مع عملية توليد النبضات على قطب الخرج فعندما يكون الخرج في حالة مرتفعة ( جهد عالي) فإن الترانزستور يكون في حالة إغلاق ولا يمرر التيار وبالتالي تبقى المكثفة مشحونة وعندما يكون الخرج في حالة منخفضة ( جهد منخفض ) فإن الترانزستور يكون في حالة فتح ويمرر التيار وبالتالي تتفرغ مكثفة التوقيت.

و السؤال الآن هل علينا أن نقلق تجاه قيمة تيار المجمع العظمى للترانزستور الموجود داخل الدارة خوفا على الدارة من التلف؟
في الحقيقة ليس عليك أن تقلق لهذا الإعتبار لأن تصميم الدارة الداخلي يعالج هذه المشكلة ويحد من قيمة التيار لتبقى ضمن قيم الأمان وبالتالي يمكن استخدام مكثفة من أي قيمة كانت دون الخوف على الدارة المتكاملة من التلف.
و يمكن في بعض التطبيقات الاستفادة من خواص هذا القطب واستخدامه كقطب خرج مساعد بالإضافة إلى قطب الخرج الأساسي ويتصف هذا القطب أيضا بإمكانية امتصاص التيار بالإضافة إلى اصداره.

8- Vcc التغذية:
هذا هو قطب التغذية الرئيسي للدارة ويتراوح الجهد الذي يمكن تطبيقه عليه كي تعمل الدارة من 4.5v إلى 16vو عند عمل الدارة في هذا المجال فإن دورة العمل ( زمن التوقيت ) لن يختلف مع اختلاف الجهد المطبق وإنما الشئ الوحيد الذي سوف يختلف هو تيار الخرج والذي يزداد مع ازدياد الجهد.
استخدامات الدارة 555:
1- كمؤقت Timer وذلك في الوضع أحادي الإستقرار.
2- كمولد نبضات Oscillator وذلك في الوضع الغير مستقر.
رسم المخططات التي تحتوي على الدارة المتكاملة 555:
عند رسم المخططات التي تحتوي على هذه الدارة يجب مراعاة بعض القواعد العامة والمبادئ التي تسهل قراءة وفهم المخطط ونذكر من هذه القواعد ما يلي:
1- قطب التغذية يوضع في أعلى الدارة المتكاملة 555.
2- الأرضي يوضع في أسفلها.
3- أقطاب الدخل التي كالقدح وقطب البادئ Thershold والتفريغ توضع على يسار الشكل.
4- أقطاب الخرج ( قطب وحيد عادة) يوضع على يمين الشكل.
5- توزع بقية الأشكال بطريقة تساعد على سهولة قراءة الشكل وفهمه.
6- يجب وضع الرموز في أماكن تسهل معها قرائتها وتجنبنا الوقوع في الأخطاء كعدم التمييز بين الرمز والعنصر الذي يشير إليه لقربها من بعضها البعض.
و نلاحظ طبعا أن توزيع الأقطاب في المخططات لا يوافق توزيعها في الواقع وذلك لأسباب سبق ذكرها، والجدير بالذكر أن بعض المخططات لا تعتمد هذه القواعد مما يصعب قرائتها.
يوضح الشكل التالي كيفية توزيع الأقطاب في أغلب المخططات مع تلميح صغير عن وظيفة كل قطب.

الدارة 555 كمولد نبضات ( في النمط عديم الإستقرار Astable Mode):
يمكن أن تعمل هذه الدارة كما ذكرنا سابقا كمولد نبضات وتحتاج لأداء هذه الوظيفة لمكونين خارجيين هما مكثفة ومقاومة ويوضح الشكل التالي كيفية توصيل هذه الدارة في حال العمل كمولد نبضات.

نلاحظ من الشكل أن المكثفة C يتم شحنها عبر المقاومة R وعندما يبلغ الجهد على طرفيها 3/2 من جهد التغذية يتم تفريغ شحنتها عبر القطب 7 إلى الأرض وبالتالي نلاحظ أن المكثفة تشحن ببطء وتفرغ بسرعة كبيرة جدا.
و لكن ماذا لو لم نكن نريد أن يحدث ذلك ؟ أي ماذا لو أردنا أن نجعل زمن الشحن قريبا من زمن التفريغ أو مساويا له تقريبا ؟؟!
يمكننا ذلك عن طريق تجزيئ المقاومة R إلى مقاومتين

إن المقاومة Ri ذات قيمة صغيرة مقارنة مع R وبالتالي فإن عملية الشحن تتم من خلال المقاومتين أما عملية التفريغ فتتم من خلال المقاومة R فقط وإذا كانت قيمة Ri صغيرة جدا مقارنة مع R فيمكن إهمالها وبالتالي يصبح زمن الشحن مساويا تقريبا لزمن التفريغ.
إن وجود المقاومة Ri غير مهم خلال عملية الشحن ولكن مهم خلال عملية التفريغ حيث تعزل القطب 7 عن جهد التغذية و إلا سيكون مقصورا معه.
كيف تؤدي الدارة المتكاملة 555 عملها كمولد نبضات؟
عند عمل الدارة المتكاملة 555 كمولد نبضات فإن توليد نبضة واحدة يتم بالطريقة التالية والتي يتم تكرارها لتوليد النبضات المتتالية وهذه الخطوات هي :
يتم شحن المكثفة عن طريق المقاومة R وعندما يبلغ الجهد على طرفيها 2/3 من جهد التغذية ينتقل خرج الدارة 555 إلى المستوى المنخفض وعندها يتم وصل القطب 7 إلى الأرض كما ذكرنا سابقا وبالتالي تتفرغ شحنة المكثفة.
و خلال تفريغ المكثفة وعند وصول الجهد على طرفيها إلى قيمة تساوي إلى 1/3 من قيمة جهد التغذية ينتقل الخرج إلى المستوى المرتفع له وبالتالي يتم إغلاق الترانزستور المسؤول عن وصل القطب 7 إلى الأرض أي أن القطب 7 يصبح خارج الدارة وعندها تأخذ المكثفة بالشحن مرة أخرى من خلال المقاومة وبتكرار عملية الشحن والتفريغ عن التذبذب بين المستوى 1/3و 2/3 من جهد التغذية تتم عملية توليد النبضات.

ويمكن تلخيص النقاط الهامة بهذه النتائج الثلاث:
1- يتحسس القطب 2 لمستوى الجهد المنخفض 1/3Vcc على طرفي المكثفة ويقوم بنقل الخرج إلى المستوى العالي للجهد ويقوم يتحييد دور القطب 7 من الدارة.
2- يتحسس القطب 6 لمستوى الجهد المرتفع 2/3Vcc على طرفي المكثفة ويقوم بنقل الخرج إلى المستوى المنخفض للجهد ويقوم بتفعيل دور القطب 7 وبالتالي وصل المكثفة عن طريقه إلى الأرض.
3- نلاحظ مما سبق أن عمل القطب 7 وقطب الخرج على توافق حيث عندما ينخفض جهد الخرج يؤدي ذلك إلى انخفاض المقاومة الفاصلة بين القطب 7 والأرض وبالتالي يتم تفعيل دوره في الدارة أما عندما يرتفع جهد الخرج فيؤدي ذلك إلى إرتفاع المقاومة الفاصلة بين القطب 7 والأرض وبالتالي عزله عنها ويحيد دوره في الدارة.
بعد هذا التعديل الصغير الذي أحدثناه على توصيل الدارة يمكننا أيضا أن نقوم بتعديل آخر من شأنه أن يقلل من عدد العناصر المستخدمة وذلك بالإستغناء عن المقاومة Ri والتقليل من قيمة التيار المستجر من المنبع ولكن العيب الوحيد في هذه التوصيلة هو تردد العمل حيث أنه سيكون أقل من التردد في الدارة السابقة فيما لو ساتخدما نفس العناصر ويعود سبب انخفاض التردد لى أن جهد الخرج يقل عن جهد التغذية ب1.7v وتستطيع هذه الدارة أن تصدر تيارا قيمته 200mA كما نعلم لذلك لو أصدرت تيارا بقيمة كبيرة فإن جهد الخرج سوف ينخفض وهذا بدوره سيؤثر على تردد الخرج وبالتالي إذا أردنا أن نصمم دارة بتردد معين وبدقة فإن هذا المخطط لا يصلح لمثل هذا الإستخدام.
و لحساب زمن النبضة العالية والمنخفضة لقطب الخرج وحساب تردد الخرج نستخدم العلاقات التالية

لحساب زمن النبضة العالية
T1 = 0.693 x (R1+R2) x C
لحساب زمن النبضة المنخفضة

T2 = 0.693 x R2 x C

و يكون الزمن مقدرا بالثواني في كلا الناتجين
لحساب التردد

F = 1.44 / ( (R1+R2+R2) x C)



استخدام الدارة المتكاملة 555 كمؤقت ( في الوضع أحادي الإستقرار)Monostable Mode:
إن طريقة عمل الدارة في هذه الحالة هي أنها تقوم بالإنتقال إلى مستوى جهد مرتفع على خرجها عندما نطبق نبضة قدح وتحافظ على هذا المستوى من الجهد لفترة معينة يتم تعيين هذه الفترة باستخدام المقاومة والمكثفة الموصولتين مع الدارة خارجيا، يمكن استخدام الدارة في هذه الحالة لتفعيل جهاز موصول مع الدارة وذلك لمدة معينة ويمكن استخدامها أيضا من أجل عمليات التأخير الزمني.
يمكن استخدام هذه التوصيلة أيضا مع مفاتيح الضغط Push buttons التي تعود إلى حالتها بعد رفع اليد عنها وبالتالي للحفاظ على أمر الضغط لمدة معينة حتى مع رفع اليد يوصل هذا المفتاح إلى قطب القدح لتوليد نبضة قدح تؤدي إلى بدئ التوقيت في الدارة ولكن يجب الإنتباه إلى وجوب فصل المفتاح أي رفع اليد عنه قبل إنتهاء دورة عمل الدارة كي لا تبدأ الدارة دورة عمل أخرى، ولا يقتصر استخدامها مع هذا النوع من المفاتيح على هذا الإستخدام بل تستخدم أيضا لتفادي الضجيج الذي قد ينشأ عن المفاتيح الميكانيكية عند ضغطها ويتم استخدامها في هذه الحالة كما في الطريقة السابقة.
يبين الشكل التالي استخدام مفاتيح الضغط مع هذه الدارة حيث أن الضغط على المفتاح يؤدي إلى عمل الريليه لمدة 5 ثواني. ولحساب زمن التأخير نطبق العلاقة التالية زمن التأخير:
T=R x C x 1.1