اسیلاتور ۵۵۵ یک نوع از اسیلاتورهای آرام (Relaxation Oscillator) محسوب می‌شود که برای تولید شکل موج خروجی مربعی شکل و پایدار کاربرد دارد.
این شکل موج، یکی از رایج‌ترین شکل موج‌های مورد نیاز در مدارات الکترونیکی و منطقی دیجیتال است. نوسانات خروجی اسیلاتور ۵۵۵ می‌تواند دارای فرکانس ثابت بالاتر از ۵۰۰ کیلو هرتز و یا چرخه وظیفه متغیر از ۵۰ تا ۱۰۰ درصد باشد.
ماژول اسیلاتور ما با دیوتی سایکل %50 رنج وسیعی از فرکانس ها را با تنظیم سلکتور خازنها و پتانسیومتر در دست رس شما قرار می دهد.
همان‌طور که در مطلب تایمر ۵۵۵ به آن اشاره کردیم، مدار مونو آستابل با ورود پالس تریگر از پین ورودی شماره ۲، یک پالس خروجی تک ضربه‌ای (One-Shot) تولید می‌کند.
در مدار مونو آستابل ۵۵۵، عملکرد مدار بعد از گذشت یک زمان از پیش تعیین شده متوقف می‌شود و منتظر ورود پالس تریگر بعدی می‌ماند تا فرایند را بار دیگر تکرار کند. اما برای ایجاد یک مدار اسیلاتور ۵۵۵ آستابل، لازم است که مدار ۵۵۵ به صورت دائمی بعد از هر دوره تناوب، تریگر مجدد شود. عملکرد تریگر مجدد را می‌توان با اتصال ورودی تریگر (پین شماره ۲) به ورودی حد آستانه (پین شماره ۶) ایجاد کرد. در نتیجه برای این حالت مدار مانند یک اسیلاتور آستابل عمل می‌کند. یک مدار اسیلاتور ۵۵۵ هیچ حالت پایداری ندارد و به صورت دائمی از یک حالت به حالت دیگر نوسان می‌کند. در این مدار، بر خلاف مدار مولتی ویبراتور مونو آستابل قبلی، به جای یک مقاومت زمان‌بندی، از دو مقاومت زمان‌بندی استفاده می‌شود. محل تلاقی مقاومت‌های زمان‌بندی R1 و R2 را باید به ورودی دشارژ آی‌سی، یعنی پین شماره ۷ متصل کرد. نمایی از مدار اسیلاتور ۵۵۵ آستابل را در شکل زیر می‌توان مشاهده کرد.
شکل موج‌های خروجی این مدار در تصویر زیر نشان داده شده‌اند.
در مدار اسیلاتور ۵۵۵ شکل بالا، پین شماره ۲ و پین شماره ۶ به یکدیگر متصل شده‌اند. به همین دلیل مدار قادر است تا در هر چرخه یا دوره تناوب خود را تریگر مجدد کند و به عنوان یک اسیلاتور آزاد گرد (Free Running) عمل کند. در هر تناوب، خازن C1 خود را از طریق مقاومت‌های زمان‌بندی R1 و R2 شارژ می‌کند. اما تخلیه خازن تنها از طریق مقاومت R2 انجام می‌پذیرد؛ زیرا سمت دیگر مقاومت R2
به ترمینال دشارژ (پین شماره ۷) متصل شده است.
خازن تا مقدار2/3Vcc شارژ می‌شود که این مقدار حد بالای مقایسه کننده داخلی آی‌سی است و از طریق ترکیب شبکه RC، یعنی 0.693(R1+R2)C تعیین می‌شود. همچنین هنگام تخلیه، خازن تا 1/3Vccدشارژ می‌شود که حد پایین مقایسه کننده داخلی آی‌سی است و توسط 0.693R2*C قابل تعیین است. خروجی این مدار شکل موجی است که سطح ولتاژ آن تقریبا برابر با VCC–1.5V بوده و تناوب زمانی خاموش و روشن بودن آن توسط ترکیب خازن و مقاومت زمان‌بندی تعیین می‌شود.
فرکانس خروجی اسیلاتور ۵۵۵
مقدار زمانی که این مدار برای تکمیل یک تناوب از شارژ و دشارژ شدن در خروجی نیاز دارد، از طریق فرمول‌های زیر محاسبه می‌شود:
t1=0.693(R1+R2) C
t2=0.693∗R2∗C
در این فرمول‌ها، R بر حسب اهم و C بر حسب فاراد است.
خروجی یک آی‌سی ۵۵۵، هنگامی که به عنوان یک مولتی ویبراتور آستابل مورد استفاده قرار می‌گیرد، به صورت پیوسته و همیشگی بین 2/3Vcc و 1/3Vcc نوسان می‌کند و این روند فقط با قطع شدن منبع تغذیه متوقف می‌شود. بنابراین، همانند آنچه در مولتی ویبراتورهای مونو استابل مشاهده کردیم، زمان شارژ و دشارژ خازن و از همین رو فرکانس نوسان، مستقل از منبع تغذیه است.
واضح است که دوره تناوب یک چرخه کامل از خروجی اسیلاتور ۵۵۵ برابر با مجموع زمان‌هایی است که در آن خازن شارژ و سپس دشارژ می‌شود. بنابراین دوره تناوب به صورت زیر به دست می‌آید:
T=t1+t2=0.693∗(R1+2R2)∗C
فرکانس نوسان خروجی برابر با معکوس دوره تناوب به دست آمده در بالا است. بنابراین مقدار فرکانس خروجی در اسیلاتور ۵۵۵ به صورت زیر به دست می‌آید:
f=1/T=1.44/(R1+2R2)∗C
از طریق تغییر دادن یکی از ثابت زمانی‌های شبکه‌های RC، می‌توان چرخه وظیفه (Duty Cycle) یا نسبت نشانه به فضا (Mark-to-Space) را در شکل موج خروجی به صورت بسیار دقیق تنظیم کرد. چرخه وظیفه برای اسیلاتور ۵۵۵ برابر با نسبت زمان روشن بودن پالس خروجی به خاموش بودن آن در نظر گرفته می‌شود و بر اساس فرمول زیر تعیین می‌شود:
Duty Cycle=TON/(TON+TOFF) = (R1+R2)/(R1+2R2)
با توجه به فرمول بالا، چرخه وظیفه هیچ واحدی ندارد؛ زیرا برابر با نسبت مقاومت‌ها است و واحدهای اهم در صورت و مخرج حذف می‌شوند. اما این کمیت را می توان بر حسب درصد بیان کرد. اگر هر دو مقاومت زمان‌بندی R1 و R2 دارای مقدار برابری باشند، آن‌گاه چرخه وظیفه سیگنال خروجی برابر با ۲:3 بوده که به این معنی است که پالس خروجی در ۶۶ درصد از زمان تناوب خود روشن و در ۳۳ درصد از آن خاموش است.
مشکل مدار اسیلاتور ۵۵۵
از آن‌جا که خازن زمان‌بندی از طریق مقاومت‌های R1 و R2 شارژ شده، اما فقط از طریق مقاومت R2 دشارژ می‌شود، بنابراین چرخه وظیفه سیگنال خروجی، با تغییر مقدار مقاومت R2، بین مقادیر ۵۰ درصد تا ۱۰۰ درصد تغییر می‌کند. از طریق کاهش مقدار مقاومت R2، چرخه وظیفه تا ۵۰ درصد کاهش می‌یابد. اگر مقاومت R2 نسبت به R۱ بسیار بزرگ‌تر باشد، آن‌گاه فرکانس خروجی مدار آستابل ۵۵۵ از طریق معادله R2∗C تعیین می‌شود.
بر همین اساس می‌توان گفت که مشکل اساسی مدار ساده اسیلاتور ۵۵۵ بالا این است که مقدار چرخه وظیفه یا نسبت نشانه به فضا، به دلیل حضور R2 هیچ گاه به زیر ۵۰ درصد کاهش نمی‌یابد. به عبارت دیگر، نمی‌توان زمان روشن بودن سیگنال خروجی را از زمان خاموش بودن آن، کوتاه‌تر کرد؛ زیرا مقدار (R1+R2)∗C همیشه بزرگ‌تر از مقدار R1×C خواهد بود.
بهبود مدار اسیلاتور ۵۵۵
یک راه اساسی برای غلبه بر مشکل بیان شده، استفاده از یک دیود بایپس سیگنال (Signal Bypassing Diode) به صورت موازی با مقاومت R2 است. در تصویر زیر، نمایی از یک مدار اسیلاتور ۵۵۵ آستابل با چرخه وظیفه بهبود یافته را می‌توان مشاهده کرد.
با اتصال دیود D1 بین ورودی تریگر و ورودی دشارژ آی‌سی ۵۵۵، اکنون خازن زمان‌بندی تنها از طریق مقاومت R1 شارژ می‌شود؛ زیرا مقاومت R2 در این حالت توسط اتصال دیود، مدار کوتاه شده است. البته توجه کنید که دشارژ خازن مانند حالت عادی و از طریق مقاومت R2 انجام می‌شود.
در واقع اضافه کردن دیود D2 که به صورت سری با مقاومت دشارژ متصل شده است، به این منظور مورد استفاده قرار می‌گیرد تا اطمینان حاصل شود که شارژ خازن زمان‌بندی فقط از طریق مسیر دیود D1 انجام خواهد گرفت و با مسیر موازی آن، یعنی مقاومت R2
ارتباطی نخواهد داشت. نحوه انجام این کار به این صورت است که در طول فرایند شارژ شدن، دیود D2 در بایاس معکوس قرار می‌گیرد و از برقراری جریان در آن مسیر جلوگیری می‌کند.
حال در این مدار، زمان شارژ شدن خازن که قبلا برابر با t1=0.693(R1+R2)C بود، اصلاح می‌شود و مقدار جدید زمان شارژ شدن خازن برابر با مقدار زیر به دست می‌آید:
t1=0.693(R1)C
بنابراین، مقدار چرخه وظیفه نیز به صورت زیر تغییر خواهد کرد:
Duty Cycle=R1/(R1+R2)
در نتیجه برای تولید یک سیگنال با چرخه وظیفه کمتر از ۵۰ درصد، فقط کافی است که مقدار مقاومت R1 کمتر از R2 باشد.
اگرچه با استفاده از این مدار توانستیم چرخه وظیفه سیگنال خروجی را (از طریق تغییر شارژ شدن خازن به مسیر مقاومت R1 و دیود D1 و دشارژ شدن آن از مسیر مقاومت R2 و دیود D2) بهبود دهیم، اما مسئله‌ای که در این مدار وجود دارد این است که مدار اسیلاتور ۵۵۵ با استفاده از این پیکربندی جدید، از دو المان اضافه‌تر، یعنی دیود D1 و D2 استفاده می‌کند.
مدار اسیلاتور ۵۵۵ با چرخه وظیفه ۵۰ درصد
می‌توانیم این ایده را اندکی بهبود ببخشیم و در خروجی یک شکل موج مربعی با چرخه وظیفه دقیقا ۵۰ درصد تولید کنیم. این مدار ساختار بسیار ساده‌ای دارد و از هیچ المان جدیدی استفاده نمی‌کند. برای ایجاد این مدار فقط موقعیت مقاومت شارژ R2 را به پین خروجی، یعنی پین شماره ۳ منتقل می‌کنیم. در تصویر زیر نمایی از مدار اسیلاتور ۵۵۵ آستابل اصلاح شده با چرخه وظیفه ۵۰ درصد را مشاهده می‌کنید.
اسیلاتور ۵۵۵، اکنون قادر است چرخه وظیفه‌ای برابر با ۵۰ درصد را تولید کند؛ زیرا خازن زمان‌بندی C1، به جای دشارژ شدن از طریق پین شماره ۷ تایمر ۵۵۵، از طریق مقاومت R2 شارژ و دشارژ می‌شود. زمانی که خروجی اسیلاتور ۵۵۵ در سطح HIGH منطقی قرار داشته باشد، خازن از طریق مقاومت R2 شارژ می‌شود و زمانی که خروجی اسیلاتور در سطح LOW منطقی قرار داشته باشد، از طریق مقاومت R2 دشارژ می‌شود. مقاومت R1 به این منظور مورد استفاده قرار می‌گیرد که از شارژ شدن خازن تا حد ولتاژ منبع تغذیه اطمینان حاصل شود.
چون خازن از طریق یک مقاومت یکسان شارژ و دشارژ می‌شود، معادله به دست آمده برای فرکانس به صورت زیر تغییر می‌کند:
f=1 / 0.693(2R2)C Hz
حال توجه به این نکته ضروری است که مقدار مقاومت R1 باید به اندازه کافی بزرگ باشد تا با شارژ خازن تداخل پیدا نکند و بتواند سیگنال خروجی با چرخه وظیفه ۵۰ درصد تولید کند. البته واضح است که تغییر مقدار خازن زمان‌بندی نیز می‌تواند فرکانس نوسان مدار آستابل را تغییر دهد.
