ไอซีตัวจับเวลา 555 เป็นหนึ่งในไอซีเดี่ยวที่สำคัญและใช้งานกันอย่างแพร่หลายที่สุดในประวัติศาสตร์อย่างไม่ต้องสงสัย การออกแบบยังคงไม่เปลี่ยนแปลงมานานกว่า 40 ปี ทำให้เป็นหนึ่งในไอซีที่มีอายุการใช้งานยาวนานที่สุด มันถูกนำไปใช้ในทุกสิ่งทุกอย่างตั้งแต่ของเล่นไปจนถึงยานอวกาศ

ไอซี 555 ได้รับการออกแบบครั้งแรกในปี 1971 โดยฮันส์ คาเมนซินด์วิศวกรอิเล็กทรอนิกส์ชาวสวิสที่ทำงานให้กับบริษัทซิกเนติกส์ในแคลิฟอร์เนีย คาเมนซินด์ใช้เวลาหลายเดือนในการออกแบบขั้นสุดท้าย โดยสร้างวงจรทดสอบหลายเวอร์ชันด้วยมือบนแผงวงจรทดลอง (breadboard) โดยใช้ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์แบบแยกชิ้น เมื่อการออกแบบเสร็จสมบูรณ์ คาเมนซินด์นั่งที่โต๊ะเขียนแบบและใช้มีดโกนตัดวงจรลงบนแผ่นพลาสติก โดยรวมแล้วมีทรานซิสเตอร์แบบ BJT จำนวน 23 ตัว ตัวต้านทาน 15 ตัว และไดโอด 2 ตัว ถูกตัดลงบนแผ่นพลาสติก จากนั้นจึงนำไปแปรรูปเป็นแผ่นแม่พิมพ์สำหรับกัดลงบนแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอน งานออกแบบตั้งแต่ต้นจนจบโดยคนเพียงคนเดียวแบบนั้น ปัจจุบันทำโดยทีมวิศวกรขนาดใหญ่ที่มีซอฟต์แวร์การออกแบบ การจำลอง การเดินสาย และการกัดที่ซับซ้อนเพื่อจัดการกับงานที่ยากลำบากของการออกแบบไอซีสมัยใหม่

ไอซี 555 นั้นใช้งานง่ายอย่างเหลือเชื่อ เชื่อถือได้มากในแอปพลิเคชันที่หลากหลาย และมีความทนทานอย่างน่าทึ่งในสิ่งที่มันสามารถรับมือและทำได้ และในทุกแอปพลิเคชัน ทุกอย่างจะขึ้นอยู่กับโหมดการทำงานหลักสามโหมดของมัน ได้แก่ โหมดโมโนสเตเบิลหรือ "วันช็อต" โหมดแอสเตเบิลหรือออสซิลเลเตอร์ และโหมดไบสเตเบิลหรือฟลิปฟลอป วงจรทุกวงจรที่ใช้ 555 และมีมากมายนับไม่ถ้วน ก็จะลงเอยด้วยหนึ่งในสามโหมดนี้

เพื่อความชัดเจน ผมจะไม่ลงรายละเอียดเกี่ยวกับวงจร 555 ที่ซับซ้อนมากมายนัก แต่ผมจะใส่รายชื่อแหล่งข้อมูลสั้นๆ ที่ผมพบไอเดียเจ๋งๆ ไว้ให้ เป้าหมายของผมคือการอธิบายเฉพาะพื้นฐานและสิ่งที่กลไกภายในทำงานในแต่ละโหมดเท่านั้น ไม่ใช่การแสดงวิธีทำให้ไฟ LED กระพริบหรือสร้างเครื่องสังเคราะห์เสียงไซเรน เมื่อคุณมีความรู้เหล่านี้แล้ว คุณก็จะสามารถออกแบบวงจร 555 ของคุณเองได้ง่ายขึ้น เพื่อทำในสิ่งที่คุณต้องการ แทนที่จะต้องไปค้นหาใน Google และถอดรหัสความคิดของคนอื่น

ขั้นตอนที่ 1: คุณจะต้องเตรียมชิ้นส่วนบางอย่าง...

อย่างที่กล่าวไปแล้ว วงจรจะไม่ซับซ้อน แต่จะต้องใช้ส่วนประกอบต่างๆ จำนวนมาก ซึ่งหาได้ง่ายทั้งหมด

สิ่งที่คุณต้องเตรียม:

• ตัวจับเวลา 555 ไม่ต้องกังวลเรื่องผู้ผลิตหรือตัวอักษรต่างๆ ในชื่อ เช่น NE, LM, NA, SE หรือ SA แค่ดูว่ามีเลข 555 อยู่หรือไม่ ตัวที่ราคาถูกก็ใช้งานได้ดีเท่าหรือดีกว่าตัวที่แพงกว่าด้วยซ้ำ นอกจากนี้ คุณควรใช้แบบไบโพลาร์ที่พบได้ทั่วไป ซึ่งทำจากทรานซิสเตอร์แบบ BJT แทนที่จะเป็น FET ชิป CMOS ที่ทำจาก FET นั้นทำงานเหมือนกัน แต่เสียหายได้ง่ายกว่าจากประจุไฟฟ้าสถิตและโดยทั่วไปแล้วไม่สามารถจ่ายกระแสได้มากเท่ากับแบบ BJT วิธีที่น่าเชื่อถือที่สุดในการแยกแยะระหว่าง 555 แบบ BJT และ FET คือการตรวจสอบเอกสารข้อมูล เช่นเอกสารนี้สำหรับ LM555 แบบ BJT หรือเอกสารนี้สำหรับ TLC555 แบบ FET CMOS ทั้งสองจาก Texas Instruments ข้อมูลนี้มักจะพบได้ในหน้าแรกในคำอธิบายแบบหัวข้อหรือในสองสามย่อหน้าแรก
• ตัวต้านทานชนิดต่างๆ (รวมถึงโพเทนชิโอมิเตอร์) และตัวเก็บประจุ ค่าที่ระบุไว้จะถูกระบุตามความจำเป็น
• ส่วนประกอบอื่นๆ ที่หลากหลาย: LED, บัซเซอร์, ลำโพง 8 โอห์ม, สวิตช์, สายจัมเปอร์, แบตเตอรี่และที่ใส่แบตเตอรี่ (หรือแหล่งจ่ายไฟอื่นๆ), แผงวงจรทดลอง ฯลฯ

ปัจจุบันมีบริษัทมากมายที่ผลิตไอซี 555 แต่การออกแบบหลักยังคงไม่เปลี่ยนแปลงจากต้นฉบับของ Camnzind เมื่อ 40 ปีที่แล้ว ดังนั้นจึงไม่มีไอซี 555 ตัวใดตัวหนึ่งที่ดีกว่าตัวอื่นอย่างเห็นได้ชัด (แต่ทุกคนก็มีตัวที่ชอบเป็นของตัวเอง เอาจริงๆ ผมไม่สนใจหรอก พวกมันใช้งานได้หมดสำหรับสิ่งที่เรากำลังทำอยู่) ด้านล่างนี้คือภาพของไอซี 555 แบบ DIP 8 ขา ซึ่งเป็นแบบแพ็คเกจที่พบได้บ่อยที่สุด แม้ว่าจะมีแบบอื่นให้เลือกใช้ก็ตาม ถัดจากนั้นคือภาพของการกำหนดขาและการเชื่อมต่อของบล็อกภายในกับขาต่างๆ หากต้องการดูแผนผังวงจรภายในทั้งหมดอย่างละเอียด โปรดดูภาพนี้

ขั้นตอนที่ 2: โหมด One-Shot หรือ Monostable

โหมดแรกเรียกว่าโหมดวันช็อต หรือโหมดโมโนสเตเบิล เพราะขา 3 (เอาต์พุต) จะเป็นสถานะสูงตราบเท่าที่คุณต้องการ แต่เพียงครั้งเดียวเท่านั้น เมื่อเวลาหมดลง เอาต์พุตจะรีเซ็ตเป็นสถานะต่ำและรอเหตุการณ์กระตุ้นอีกครั้งเพื่อเริ่มต้นใหม่ โดยจะคงอยู่ในสถานะเดียว (ปิด) ตัวอย่างที่ดีของแนวคิดนี้คือ ไฟ ตรวจจับการเคลื่อนไหว

ก่อนอื่น เรามาดูแผนผังวงจรด้านล่างกันก่อน แล้วเราค่อยมาวิเคราะห์ว่าเกิดอะไรขึ้นในภายหลัง

กด SW1 แล้วไฟ LED จะสว่างขึ้นเป็นเวลาสั้นๆ จากนั้นจะดับลง ระยะเวลาที่ไฟสว่างจะคำนวณได้จากการคูณค่าของ R4 และ C2 แล้วแสดงผลเป็นวินาที เวลาที่ได้จะไม่แม่นยำ และเมื่อค่าใดค่าหนึ่งมีค่ามากหรือน้อยมาก ความคลาดเคลื่อนก็จะเพิ่มขึ้น การใช้โพเทนชิออมิเตอร์ที่มีขนาดใกล้เคียงกับ R4 แต่ใช้แทน R4 จะช่วยให้ควบคุมเวลาได้ดีขึ้น สุดท้ายแล้ว วิธีเดียวที่จะทราบเวลาที่แน่นอนคือการจับเวลาด้วยนาฬิกาจริงๆ

ค่า R4 และ C2 ที่มากขึ้นจะทำให้ LED ติดอยู่นานขึ้น ทำไม? ลองมาดูรายละเอียดกัน (ตอนนี้เป็นเวลาที่ดีที่จะทบทวนแผนภาพบล็อกฟังก์ชันจากขั้นตอนก่อนหน้า) ก่อนที่เราจะกด SW1 ขาเอาต์พุต 3 จะต่ำ และ R3 ดึงสัญญาณที่ขา 2 (ทริกเกอร์) ให้สูง ดังนั้น LED จึงดับและคงอยู่อย่างนั้น เมื่อเรากด SW1 มันจะลัดวงจรสัญญาณจากขา 2 ไปยัง GND ซึ่งจะกระตุ้นตัวเปรียบเทียบภายใน หากแรงดันที่ขา 2 น้อยกว่า 1/3 ของแรงดันแหล่งจ่าย ตัวเปรียบเทียบจะกระตุ้นฟลิปฟลอปซึ่งจะทำให้ขาเอาต์พุต 3 สูง เนื่องจากแหล่งจ่ายของเราคือ +9V เราจึงต้องการให้ขา 2 ตรวจจับแรงดันน้อยกว่า +3V เท่านั้น ดังนั้น 0V ที่ GND จึงเพียงพอแล้ว ตอนนี้ LED ของเราจึงติดแล้ว แล้วอย่างไรต่อ?

ตัวเก็บประจุ C2 จะว่างเปล่าก่อนที่เราจะกด SW1 เพราะมันเชื่อมต่อกับขาปล่อยประจุ 7 ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วจะเชื่อมต่อ C2 กับกราวด์ภายในโดยตรงและคายประจุออก เมื่อเรากด SW1 และฟลิปฟลอปทำงาน การเชื่อมต่อภายในกับขาปล่อยประจุ 7 จะถูกตัดออก และ C2 จะสามารถชาร์จผ่าน R4 ได้ นี่คือที่มาของตัวจับเวลา หากภาชนะ (C2 ขนาดใหญ่) มีขนาดใหญ่ หรือกระแสที่เราใช้เติมมีขนาดเล็ก (R4 ขนาดใหญ่) จะใช้เวลานานขึ้นในการเติม C2 เมื่อแรงดันไฟฟ้าคร่อม C2 ถึง 2/3 ของแรงดันไฟฟ้าแหล่งจ่าย (ดังนั้น +6V ในที่นี้) ตัวเปรียบเทียบตัวที่สองที่เชื่อมต่อกับขาเกณฑ์ 6 จะทำงาน ทำให้ฟลิปฟลอปกลับไปสู่สถานะเดิม ปิดทุกอย่าง C2 จะเชื่อมต่อภายในกับขาปล่อยประจุ 7 อีกครั้งและคายประจุกลับไปที่ 0V พร้อมสำหรับการทำงานครั้งต่อไป

ในช่วงเวลาระหว่างการกด SW1 และแรงดัน C2 ถึง 2/3 ของแรงดันแหล่งจ่าย หากเรากด SW2 จะเป็นการลัดวงจรไปยังขา Reset หมายเลข 4 ซึ่งก่อนหน้านี้ถูกบังคับให้มีแรงดันสูงเนื่องจาก R2 ขา Reset จะทำหน้าที่ตามชื่อ คือสลับฟลิปฟลอปกลับสู่สถานะเดิม ทำให้ LED ดับลงและ C2 ถูกระบายออกจนหมด

ขั้นตอนที่ 3: โหมดฟลิปฟลอปหรือโหมดไบสเตเบิล

ฟลิปฟลอปเปรียบเสมือนสวิตช์ที่คงสถานะเดิมไว้ได้เรื่อยๆ จนกว่าจะมีสิ่งใดมาบังคับให้เปลี่ยนสถานะ นี่เป็นสิ่งสำคัญในตรรกะและการคำนวณแบบดิจิทัล แต่ในที่นี้เราจะทำให้มันง่ายๆ โดยใช้มันเหมือนสวิตช์ ตอนนี้เรามีสองสถานะที่เสถียรอย่างสมบูรณ์ซึ่งจะไม่เปลี่ยนแปลงเอง จึงเรียกว่าโหมดไบสเตเบิล

ลองดูแผนผังด้านล่างก่อน แล้วเราจะมาพูดคุยกันว่าเกิดอะไรขึ้น

กด SW1 แล้วไฟ LED จะสว่างขึ้น R2 จะบังคับให้ขาทริกเกอร์ 2 มีแรงดันสูงจนกว่าจะกดปุ่ม ป้องกันไม่ให้วงจรทำงาน เมื่อกด SW1 แล้ว ฟลิปฟลอปภายในจะเปิดขาเอาต์พุต 3 และรอสัญญาณจากตัวเปรียบเทียบตัวที่สองว่าขาเกณฑ์ 6 ถึง 2/3 ของแรงดันแหล่งจ่ายแล้ว แต่เราต่อขา 6 กับ GND ดังนั้นตัวเปรียบเทียบจะไม่ทำงาน ทำให้วงจรทำงานและเสถียรไปเรื่อยๆ วิธีเดียวที่จะหยุดได้คือการกด SW2 ซึ่งจะต่อขารีเซ็ต 4 กับ GND ซึ่งจนถึงตอนนี้ถูกบังคับให้มีแรงดันสูงเนื่องจาก R3 การทำเช่นนี้จะบังคับให้ฟลิปฟลอปกลับสู่สถานะเดิม ทำให้ไฟ LED ดับลง วงจรจะเสถียรอีกครั้งในสถานะนี้ รอให้ผู้ใช้กด SW1

ขั้นตอนที่ 4: โหมดออสซิลเลเตอร์หรือโหมดแอสเตเบิล

เราได้เห็นแล้วว่าไอซี 555 มีสถานะเอาต์พุตเสถียรเพียงสถานะเดียว (โหมดโมโนสเตเบิล) และสองสถานะ (โหมดไบสเตเบิล) ตัวเลือกสุดท้ายสำหรับไอซีตัวนี้คือไม่มีสถานะใดเสถียรเลย หรือโหมดอะสเตเบิล เอาต์พุตจะสลับไปมาระหว่างสองสถานะอย่างต่อเนื่องด้วยอัตราคงที่ ซึ่งก็คือออสซิลเลเตอร์หรือเครื่องกำเนิดความถี่ อัตรานี้สามารถปรับได้อย่างเต็มที่และมีความน่าเชื่อถือสูง มาดูกันว่ามันจะมีลักษณะอย่างไร

เป็นการยากที่จะบอกได้อย่างแน่ชัดว่า 555 จะเริ่มต้นในสถานะใด ระหว่างเอาต์พุตสูงหรือต่ำ แต่สมมติว่าตัวเก็บประจุเริ่มต้นด้วยการคายประจุและขาเอาต์พุต 3 เป็นสถานะสูง ขาทริกเกอร์ 2 ต่อโดยตรงกับขาเกณฑ์ 6 ดังนั้นเราจึงสามารถบอกได้ว่าฟลิปฟลอปภายในจะสลับไปมาตามแรงดันบนตัวเก็บประจุที่เพิ่มขึ้นและลดลง อัตราการสลับไปมานั้นถูกกำหนดโดย R1 และ R2

เราเริ่มต้นด้วยขา Threshold Pin 6 ที่ต่ำ ดังนั้นขา Output Pin 3 จึงสูง ในขณะที่ C2 ชาร์จผ่านทั้ง R1 และ R2 จนกระทั่งถึง 2/3 ของแรงดันแหล่งจ่าย ซึ่งจะกระตุ้นฟลิปฟลอปภายใน ทำให้ขา Output Pin 3 ต่ำ จากนั้นขา 3 จะต่ำ ในขณะที่ C2 คายประจุผ่าน R2 และคายประจุที่ขา 7 เมื่อ C2 ถึง 1/3 ของแรงดันแหล่งจ่าย ฟลิปฟลอปภายในจะทำให้ขา Output Pin 3 สูง และ C2 จะชาร์จผ่าน R1 และ R2 อีกครั้ง เริ่มต้นใหม่ทั้งหมด สถานะสูง/ต่ำที่เปลี่ยนแปลงตลอดเวลาบนขา Output Pin 3 นี้สามารถได้ยินเป็นเสียงโทนผ่านลำโพงขนาดเล็ก 8Ω คุณยังสามารถใช้เอาต์พุตเป็นสัญญาณแบบ Pulse Width Modulation (PWM) เพื่อขับมอเตอร์ขนาดเล็กด้วยการควบคุมความเร็วแบบแปรผันได้ อย่าลืมใช้ทรานซิสเตอร์ระหว่างขา Output Pin 3 กับโหลดหากโหลดต้องการกระแสที่มากขึ้น ไอซี 555 ค่อนข้างทนทาน แต่ LM555 จาก TI สามารถให้กระแสได้เพียง 200mA เท่านั้น ดังนั้นต้องแน่ใจว่าได้ป้องกันมันด้วย

การเปลี่ยนค่าของ R1 จะปรับเวลาในการชาร์จของ C2 แต่เวลาในการคายประจุจะเท่าเดิม ดังนั้นทั้งความกว้างและความถี่ของพัลส์จะได้รับผลกระทบ การเปลี่ยนค่าของ R2 จะส่งผลต่อทั้งการชาร์จและการคายประจุ ดังนั้นความถี่เท่านั้นที่จะเปลี่ยนแปลง ตัวต้านทานปรับค่าได้สองตัวทำงานได้ดีมากในกรณีนี้ การเปลี่ยนค่าของ C2 จะเปลี่ยนความถี่ด้วยเช่นกัน

ขั้นตอนที่ 5: แล้วต่อไปล่ะ?

มีวงจร 555 มากมายให้เลือกใช้ การค้นหาใน Google โดยไม่กรองข้อมูลใดๆ ก็สามารถให้ความสนุกสนานได้หลายชั่วโมง ฮันส์ คาเมนซินด์ กล่าวในการสัมภาษณ์ว่า แม้เวลาจะผ่านไป 40 ปีแล้ว เขาก็ยังคงประหลาดใจกับแอปพลิเคชันที่หลากหลายที่ผู้คนคิดค้นขึ้นมาเพื่อใช้ประโยชน์จาก 555

ถ้าคุณแค่อยากได้แหล่งอ้างอิงเว็บไซต์ดีๆ ลองเข้าไปดูเว็บไซต์ของ Colin Mitchell ที่ talkingelectronics.com ดู สิ เริ่มจากหน้านี้ ก่อน ก็ได้ ถ้าคุณต้องการคำอธิบายเพิ่มเติม (และอาจจะดีกว่าและละเอียดกว่า) เกี่ยวกับวิธีการทำงานของ 555 หรือถ้าไม่เช่นนั้นก็ไปที่นี่เพื่อดูรายการวงจรต่างๆ พูดตามตรง เว็บไซต์ทั้งหมดเป็นแหล่งความรู้ที่ยอดเยี่ยมและน่าทึ่งมาก อย่าลืมแวะขึ้นมากินอาหาร ดื่มน้ำ และ/หรือสูดอากาศบ้างเป็นครั้งคราวด้วยนะ

ใน หนังสือ Make: Electronicsของ Charles Platt มีตัวจับเวลาปฏิกิริยาที่ยอดเยี่ยมซึ่งใช้โหมด 555 ทั้งสามแบบ (หน้า 170) 555 ตัวแรกถูกตั้งค่าด้วยสวิตช์เริ่มต้นเป็นแบบ one-shot เพื่อให้เกิดการหน่วงเวลาในการเริ่มวงจร (เมื่อดูแผนผังวงจรแบบ one-shot อีกครั้ง R4 จะชาร์จ C2 ซึ่งเป็นสิ่งที่ทำให้เกิดการหน่วงเวลา การเปลี่ยน R4 ด้วยโพเทนชิโอมิเตอร์จะทำให้สามารถปรับการหน่วงเวลาได้) นั่นจะไปกระตุ้น 555 ตัวถัดไปซึ่งตั้งค่าเป็นฟลิปฟลอปให้ส่งสัญญาณออก ฟลิปฟลอปจะส่งสัญญาณสูง ทำให้จอแสดงผลตัวเลข 7 เซกเมนต์เริ่มแสดงค่าการนับ เมื่อผู้ใช้เห็นการนับเริ่มต้นแล้ว จะมีปุ่มหยุดเพื่อเปลี่ยนสัญญาณเอาต์พุตของ 555 ตัวที่สองกลับไปเป็นสัญญาณต่ำ ปิดการนับและให้ผู้ใช้เห็นตัวเลขที่ได้ 555 ตัวที่สามถูกตั้งค่าในโหมด astable เพื่อให้ตัวนับทำงานอย่างต่อเนื่อง ตัวนับนี้จะขับเคลื่อนจอแสดงผลตัวเลขและมีปุ่มรีเซ็ตเพื่อตั้งค่าจอแสดงผลเป็นศูนย์ ถ้าฟังดูซับซ้อน ก็ซับซ้อนจริงๆ นั่นแหละ แต่ถ้าพูดกันตามตรง มันก็ค่อนข้างยากที่จะอธิบายด้วยคำพูดเช่นกัน แต่ก็เป็นวงจรที่ยอดเยี่ยมที่ได้เห็นการทำงานของ 555 อย่างเต็มที่ และนี่ก็ไม่ใช่เพียงวงจรเดียวที่เขาใช้ 555 ในรูปแบบใดรูปแบบหนึ่ง

Forrest M. Mims III ใน หนังสือ แบบฝึกหัดอิเล็กทรอนิกส์พื้นฐาน 1 ของเขา มีวงจร 555 พื้นฐานที่ดีมาก ๆ เช่น เครื่องกำเนิดเสียงคีย์บอร์ดแบบง่าย ออสซิลเลเตอร์ควบคุมแรงดันไฟฟ้า เครื่องสังเคราะห์เสียงไซเรน และเครื่องวัดความถี่

สุดท้ายแล้ว ขีดจำกัดของไอซี 555 นั้นขึ้นอยู่กับจินตนาการของคุณเป็นหลัก แทบไม่มีวงจรใดเลยที่คุณไม่สามารถใช้ไอซี 555 ในการใช้งานบางประเภทได้

ขอบคุณที่อ่านครับ อย่าลังเลที่จะถามคำถามในช่องแสดงความคิดเห็นด้านล่างนะครับ คุณไม่มีทางรู้หรอกว่าจะมีคนอื่นถามคำถามเดียวกันหรือเปล่า และด้วยวิธีนี้เราจะได้เรียนรู้และช่วยเหลือซึ่งกันและกันให้ดียิ่งขึ้นไป ขอให้สนุกกับการสร้างสรรค์นะครับ!