IC 555: chế độ dao động và đơn ổn, cách tính tần số và thời gian

IC 555 là gì, sơ đồ chân và cấu tạo bên trong, mạch đơn ổn tạo trễ và mạch dao động nháy LED, nguồn gốc công thức t = 1,1RC và f = 1,44/((R1 + 2R2)C), bảng giá trị và mạch tạo trễ relay.

IC 555 ra đời từ đầu thập niên 1970 và đến nay vẫn là một trong những IC được sản xuất nhiều nhất. Chỉ với một tụ và một hai điện trở, nó làm được hai việc rất hay dùng: tạo một xung có độ dài định trước (chế độ đơn ổn, dùng cho mạch tạo trễ, hẹn giờ) và tạo xung vuông liên tục (chế độ dao động, dùng để nháy đèn, tạo tiếng còi, tạo xung nhịp). Bài viết giải thích bên trong 555 có gì, cách nối hai chế độ, nguồn gốc của hai công thức t = 1,1RC và f = 1,44 / ((R1 + 2R2)C), bảng giá trị tính sẵn và cách lắp một mạch nháy LED trên breadboard.

1. IC 555 là gì

Bên trong NE555 chỉ có khoảng hai mươi lăm transistor, hai diode và mười lăm điện trở, gói trong vỏ DIP-8 hoặc SOIC-8. Có hai họ chính:

• NE555 (lưỡng cực): nguồn 4,5–16 V, ngõ ra kéo hoặc đẩy được tới khoảng 200 mA, đủ để chạy thẳng LED, còi nhỏ, cuộn relay nhỏ. Tự tiêu thụ vài mA và tạo xung nhiễu mạnh trên đường nguồn mỗi lần đổi trạng thái.
• Bản CMOS (TLC555, LMC555, ICM7555): chạy từ khoảng 2 V (dùng được với 3,3 V), dòng tiêu thụ chỉ vài chục đến vài trăm µA, ít nhiễu, nhưng ngõ ra yếu hơn.

NE556 là hai con 555 trong một vỏ 14 chân. Cả hai họ đều cần một tụ 100 nF sát chân nguồn như mọi IC khác (bài 23); với NE555 thì tụ này càng quan trọng vì xung nhiễu lúc chuyển trạng thái rất lớn.

2. Sơ đồ chân và bên trong 555

Bên trong, ba điện trở bằng nhau chia V_CC thành hai ngưỡng 1/3 và 2/3 V_CC. Hai bộ so sánh (op-amp làm việc không có hồi tiếp, bài 26) theo dõi chân TRIG và THR, rồi bật tắt một flip-flop (mạch nhớ một bit, bài 28). Toàn bộ hoạt động của 555 gói trong hai quy tắc:

• TRIG xuống dưới 1/3 V_CC → flip-flop được đặt: OUT lên cao, transistor xả tắt.
• THR vượt 2/3 V_CC → flip-flop bị xóa: OUT về thấp, transistor xả nối chân DIS xuống GND.

3. Chế độ đơn ổn: tạo một xung có độ dài định trước

Lúc nghỉ, OUT ở mức thấp, chân DIS nối GND nên tụ C bị giữ ở 0 V. Nhấn nút, TRIG xuống dưới 1/3 V_CC: OUT lên cao, chân DIS hở, tụ bắt đầu nạp qua R. Khi điện áp tụ đạt 2/3 V_CC, THR làm flip-flop xóa: OUT về thấp và tụ được xả ngay qua chân DIS, sẵn sàng cho lần nhấn sau.

Thời gian OUT ở mức cao là thời gian tụ nạp từ 0 tới 2/3 V_CC. Theo phương trình nạp tụ ở bài 12, U_C = V_CC × (1 − e^−t/RC); đặt U_C = 2/3 V_CC được t = RC × ln 3 ≈ 1,1 × R × C. Với R = 100 kΩ, C = 100 µF: t ≈ 11 giây. Lưu ý thời gian này không phụ thuộc V_CC, vì cả hai ngưỡng đều tỉ lệ với V_CC.

• Chân TRIG phải trở lại mức cao trước khi hết thời gian; nếu giữ nút suốt, OUT vẫn ở mức cao chừng nào còn nhấn.
• Tụ hóa lớn có dòng rò: với R lớn (vài MΩ) dòng rò có thể làm thời gian dài hơn nhiều so với tính toán, thậm chí tụ không bao giờ lên tới 2/3 V_CC. Muốn thời gian dài, nên dùng R vừa phải (dưới khoảng 1 MΩ) và tụ tốt, hoặc dùng vi điều khiển.

4. Chế độ dao động: tạo xung vuông liên tục

Ở chế độ này, chân TRIG và THR nối chung vào tụ, nên tụ tự kích và tự xóa:

1. OUT cao, chân DIS hở: tụ nạp qua R1 + R2. Khi tụ lên tới 2/3 V_CC, flip-flop xóa.
2. OUT thấp, chân DIS nối GND: tụ xả qua R2 vào chân DIS. Khi tụ xuống 1/3 V_CC, TRIG đặt lại flip-flop.
3. Lặp lại mãi: tụ dao động giữa 1/3 và 2/3 V_CC, OUT là xung vuông.

Thời gian nạp hoặc xả giữa 1/3 và 2/3 V_CC đúng bằng RC × ln 2 ≈ 0,693 RC, nên:

• t cao = 0,693 × (R1 + R2) × C
• t thấp = 0,693 × R2 × C
• f = 1 / (t cao + t thấp) = 1,44 / ((R1 + 2 × R2) × C)

Với R1 = 1 kΩ, R2 = 10 kΩ, C = 10 µF: t cao ≈ 76 ms, t thấp ≈ 69 ms, f ≈ 6,9 Hz, LED nháy nhanh thấy rõ. Đổi C thành 100 µF thì LED nháy chậm khoảng 0,7 lần mỗi giây.

Vì tụ nạp qua cả R1 lẫn R2 nhưng chỉ xả qua R2, mức cao luôn dài hơn mức thấp (trên 50 %). Muốn mức cao ngắn hơn, mắc một diode song song với R2 (anode ở chân 7): lúc nạp dòng đi qua diode, bỏ qua R2, nên t cao ≈ 0,693 × R1 × C. R1 không được quá nhỏ (nên từ 1 kΩ trở lên), vì khi chân DIS dẫn, R1 nối thẳng từ V_CC xuống GND qua transistor xả.

5. Bảng giá trị tính sẵn

• Dải dao động khoảng 9,9 kHz (1 kΩ, 6,8 kΩ, 10 nF) nằm trong vùng tai nghe được: nối OUT qua tụ 10 µF vào một loa nhỏ hoặc còi thụ động là có tiếng kêu.
• Giá trị thật lệch so với bảng 10–20 % do sai số linh kiện, nhất là tụ hóa (sai số ±20 %). Cần chính xác thì thay một điện trở bằng biến trở rồi chỉnh theo đồng hồ đo tần số.
• Tụ định thời nên dùng tụ phim hoặc tụ gốm loại ổn định (C0G) cho thời gian ngắn; tụ hóa cho thời gian dài.

6. Thực hành: mạch nháy LED trên breadboard

1. Cắm NE555 vắt qua rãnh giữa breadboard, khấc hướng sang trái (chân 1 ở hàng dưới bên trái).
2. Nối chân 8 và chân 4 lên 5 V, chân 1 xuống GND; cắm tụ 100 nF sát giữa chân 8 và GND.
3. R1 1 kΩ từ 5 V tới chân 7; R2 10 kΩ từ chân 7 tới chân 6; nối chân 6 với chân 2 bằng một dây cắm.
4. Tụ hóa 10 µF từ chân 2 xuống GND (cực âm xuống GND); tụ 10 nF từ chân 5 xuống GND.
5. Chân 3 qua điện trở 330 Ω tới anode LED, cathode LED xuống GND.
6. Cấp nguồn 5 V (ví dụ từ chân VIN của bo ESP32 đang cắm USB, hoặc mạch hạ áp chỉnh về 5 V). LED nháy khoảng 7 lần mỗi giây.

Thử thay tụ 10 µF bằng 47 µF, 100 µF và đếm số lần nháy trong 10 giây để so với công thức. Đồng hồ vạn năng có chức năng đo tần số (Hz) đo trực tiếp được ở chân 3. NE555 ngõ ra mức cao thấp hơn V_CC khoảng 1,5–1,7 V khi có tải, nên với nguồn 5 V, LED đỏ vẫn sáng rõ.

7. Ứng dụng: mạch tạo trễ đóng ngắt relay

Ứng dụng phổ biến nhất của 555 ngoài đời là mạch tạo trễ: đèn cầu thang tự tắt sau một phút, quạt hút chạy thêm vài phút sau khi tắt đèn, bơm chạy một khoảng thời gian rồi dừng. Ngõ ra 555 qua transistor (bài 19) đóng relay (bài 14), biến trở thay cho R để chỉnh thời gian. Module mạch tạo trễ IC555 có relay làm sẵn toàn bộ phần này; cách đấu dây và chỉnh thời gian có trong bài dùng mạch tạo trễ NE555 có relay.

Với ESP32, những việc trên làm bằng phần mềm cũng được, linh hoạt hơn. 555 vẫn có chỗ dùng khi cần một mạch độc lập không phải lập trình, chạy ngay khi có điện, hoặc làm mạch canh chừng (watchdog) phần cứng khởi động lại vi điều khiển khi chương trình bị treo.

8. Xử lý lỗi thường gặp

9. Xem thêm

• Hướng dẫn dùng mạch tạo trễ NE555 có relay: đấu dây và chỉnh thời gian trễ.
• Các bài liên quan trong loạt điện tử căn bản: mạch RC và hằng số thời gian (bài 12), transistor làm công tắc (bài 19).
• Bài tiếp theo của loạt: op-amp, mạch so sánh và khuếch đại.