IC định thời 555 & Mạch tạo xung điều rộng (PWM)

Trong thế giới linh kiện bán dẫn, có những con chip đã tồn tại hơn nửa thế kỷ nhưng vẫn được sử dụng rộng rãi nhờ sự đơn giản, rẻ tiền và hiệu quả cực cao. Một trong những huyền thoại đó là IC định thời 555 (555 Timer IC), được thiết kế bởi Hans R. Camenzind vào năm 1971.

Nhờ cấu trúc thông minh kết hợp cả mạch tương tự (Analog) và mạch số (Digital), IC 555 có thể tạo ra các khoảng thời gian trễ cực kỳ chính xác hoặc dao động tạo xung vuông với tần số từ dưới $1\text{ Hz}$ lên tới hàng trăm $\text{kHz}$. Bài học này sẽ phân tích chi tiết cấu tạo nội bộ, nguyên lý nạp xả và cách ứng dụng IC 555 để tạo xung điều rộng (PWM) điều khiển công suất tải lớn.

1. Cấu tạo bên trong và sơ đồ chân IC 555

1.1 Sơ đồ khối chức năng nội bộ

Tên gọi 555 bắt nguồn từ thiết kế ban đầu sử dụng ba điện trở $5\text{ k}\Omega$ mắc nối tiếp nối từ nguồn $V_{CC}$ xuống GND. Cầu chia điện áp này tạo ra hai mức điện áp ngưỡng cố định:

• Ngưỡng trên (Upper Threshold) $= \frac{2}{3} V_{CC}$: Đưa vào ngõ vào đảo ($-$) của bộ so sánh 1 (Threshold Comparator).
• Ngưỡng dưới (Lower Trigger) $= \frac{1}{3} V_{CC}$: Đưa vào ngõ vào không đảo ($+$) của bộ so sánh 2 (Trigger Comparator).

Cơ chế khóa chốt và xả dòng (Discharge):

• Khi điện áp chân 2 (Trigger) tụt xuống dưới $\frac{1}{3}V_{CC}$, bộ so sánh 2 kích tín hiệu Set ($S=1$) vào chốt. Chốt lật trạng thái khiến ngõ ra lật lên HIGH ($1$), đồng thời ngắt transistor xả (Discharge Transistor tắt).
• Khi điện áp chân 6 (Threshold) vượt lên trên $\frac{2}{3}V_{CC}$, bộ so sánh 1 kích tín hiệu Reset ($R=1$) vào chốt. Chốt lật trạng thái khiến ngõ ra tụt xuống LOW ($0$), đồng thời kích dẫn bão hòa transistor xả (Discharge Transistor mở, nối thông chân 7 xuống đất GND).

1.2 Chức năng của 8 chân cắm

IC 555 thường có vỏ đóng gói chuẩn DIP-8 với thứ tự chân như sau:

Linh kiện thực tế: Phiên bản lưỡng cực kinh điển nhất là chip NE555 có dòng tiêu thụ tĩnh tương đối cao. Ngày nay, phiên bản CMOS tiết kiệm điện như LMC555 hoạt động ở áp thấp hơn điện áp nguồn cực thấp ($1.5\text{ V}$) được dùng phổ biến trong các mạch pin. Tra cứu thông số vận hành chi tiết tại Datasheet NE555 (Texas Instruments).

2. Chế độ đơn ổn (Monostable Mode - One-Shot)

Trong chế độ đơn ổn, IC 555 hoạt động như một bộ tạo trễ thời gian. Bình thường ngõ ra giữ ở mức LOW. Khi có một xung kích âm (tụt xuống dưới $\frac{1}{3}V_{CC}$) tác động vào chân 2 (Trigger), ngõ ra lập tức lật lên mức HIGH và giữ trạng thái này trong một khoảng thời gian trễ $t$ cố định trước khi tự động lật trở lại mức LOW.

Công thức tính độ rộng xung (Pulse Width - $t$):

Khoảng thời gian trễ đầu ra giữ ở mức cao được quyết định bởi hằng số thời gian nạp điện của tụ điện $C$ qua điện trở $R$ từ $0\text{V}$ lên ngưỡng $\frac{2}{3}V_{CC}$:

$$t = -\ln\left(1 - \frac{2}{3}\right) \cdot R \cdot C = \ln(3) \cdot R \cdot C \approx 1.1 \cdot R \cdot C$$

Trong đó: $t$ tính bằng giây ($\text{s}$), $R$ tính bằng ohm ($\Omega$), $C$ tính bằng farad ($\text{F}$).

3. Chế độ dao động tự kích (Astable Mode - Free Running)

Trong chế độ dao động tự do, chân 2 (Trigger) và chân 6 (Threshold) được nối chung với nhau và nối trực tiếp vào tụ điện $C$. Tụ điện sẽ được nạp điện liên tục qua hai điện trở $R_1, R_2$ hướng lên $V_{CC}$ và xả điện chỉ qua điện trở $R_2$ hướng xuống chân 7 (Discharge).

Sự nạp xả luân phiên làm điện áp trên tụ dao động tuần hoàn dạng hình răng cưa giữa hai ngưỡng giới hạn $\frac{1}{3}V_{CC}$ và $\frac{2}{3}V_{CC}$, đồng thời ngõ ra lật trạng thái liên tiếp tạo thành chuỗi xung vuông liên tục mà không cần xung kích bên ngoài.

Công thức tính toán dao động Astable:

• Thời gian ngõ ra ở mức cao (High Time - $t_{high}$): Tụ nạp điện từ $\frac{1}{3}V_{CC}$ lên $\frac{2}{3}V_{CC}$ qua đường dẫn dòng chứa cả $(R_1 + R_2)$:

  $$t_{high} = \ln(2) \cdot (R_1 + R_2) \cdot C \approx 0.693 \cdot (R_1 + R_2) \cdot C$$

• Thời gian ngõ ra ở mức thấp (Low Time - $t_{low}$): Tụ xả điện từ $\frac{2}{3}V_{CC}$ xuống $\frac{1}{3}V_{CC}$ chỉ qua điện trở $R_2$ trực tiếp xuống cực thu transistor xả (chân 7):

  $$t_{low} = \ln(2) \cdot R_2 \cdot C \approx 0.693 \cdot R_2 \cdot C$$

• Chu kỳ dao động ($T$): Tổng thời gian một lần nạp và một lần xả:

  $$T = t_{high} + t_{low} = 0.693 \cdot (R_1 + 2R_2) \cdot C$$

• Tần số dao động ($f$): Số chu kỳ thực hiện được trong 1 giây:

  $$f = \frac{1}{T} = \frac{1.44}{(R_1 + 2R_2) \cdot C}$$

• Hệ số chu kỳ (Duty Cycle - $D$): Tỉ lệ phần trăm thời gian ngõ ra ở mức cao so với tổng chu kỳ:

  $$D = \frac{t_{high}}{T} \times 100\% = \frac{R_1 + R_2}{R_1 + 2R_2} \times 100\%$$

Chú ý: Trong mạch Astable chuẩn, hệ số chu kỳ $D$ luôn lớn hơn $50\%$ vì $t_{high}$ (nạp qua $R_1+R_2$) luôn dài hơn $t_{low}$ (xả chỉ qua $R_2$). Muốn có $D \le 50\%$, ta bắt buộc phải sử dụng mạch sửa đổi phân cực bằng đi-ốt (sẽ nghiên cứu ở Phần 4).

4. Mạch tạo xung điều rộng (PWM) và điều khiển công suất

4.1 Nguyên lý điều khiển công suất bằng phương pháp PWM

Để điều chỉnh công suất của các tải tiêu thụ DC lớn như độ sáng bóng đèn LED công suất hoặc tốc độ quay của động cơ DC, thay vì thay đổi biên độ điện áp một cách tuyến tính (gây tổn hao nhiệt cực lớn trên transistor tuyến tính), ta sử dụng phương pháp Điều rộng xung (Pulse Width Modulation - PWM).

Bằng cách bật tắt nguồn cấp cực kỳ nhanh (tần số cao để mắt người hoặc quán tính động cơ không cảm nhận được sự nhấp nháy), điện áp trung bình cấp cho tải ($V_{avg}$) sẽ phụ thuộc tuyến tính vào chu kỳ làm việc (Duty Cycle - $D$):

$$V_{avg} = D \times V_{CC}$$

Công suất hao hao phí trên khóa điện tử lý thuyết bằng 0 vì khi ngắt ($I=0 \Rightarrow P=0$) và khi dẫn bão hòa hoàn toàn ($V_{drop} \approx 0 \Rightarrow P \approx 0$). Do đó mạch hoạt động cực kỳ mát và hiệu suất năng lượng đạt tới $\approx 95\% - 98\%$.

4.2 Mạch tạo xung PWM điều chỉnh từ 0% đến 100% dùng NE555

Để thay đổi Duty Cycle từ $0\%$ đến $100\%$ mà không làm thay đổi tần số dao động (giúp động cơ không bị kêu rú ở các tần số âm thanh khác nhau), ta sử dụng hai đi-ốt chuyển mạch nhanh 1N4148 để rẽ nhánh dòng điện nạp và xả riêng biệt qua biến trở:

• Đường nạp (Tụ $C$ nạp): Dòng điện từ $V_{CC}$ chạy qua $R_1$, qua đi-ốt $D_1$, qua phần bên trái của biến trở $R_{pot}$ nạp vào tụ $C$.
• Đường xả (Tụ $C$ xả): Điện tích từ tụ $C$ chỉ có thể chạy qua phần bên phải của biến trở $R_{pot}$, qua đi-ốt $D_2$ chạy thẳng về chân 7 (Discharge) xuống đất.

Linh kiện thực tế: Transistor chuyển mạch công suất lớn ở ngõ ra thường chọn N-Channel MOSFET IRF540N chịu dòng $33\text{ A}$ và áp $100\text{ V}$. Diode dập xung ngược bảo vệ MOSFET tránh hỏng do sức điện động cảm ứng của động cơ sinh ra lúc ngắt nguồn chọn 1N4007 (chịu dòng $1\text{ A}$, áp $1000\text{ V}$). Tra cứu thêm thông số MOSFET tại Datasheet IRF540N (Infineon) và đi-ốt dập xung tại Datasheet 1N4007 (Vishay).

5. NE555 & PWM Lab: Bộ thử nghiệm dao động & điều xung

Sử dụng bảng điều khiển bên dưới để thay đổi trị số điện trở nạp xả và tụ điện, trực quan hóa đường nạp xả tụ điện răng cưa và xung vuông ngõ ra tương ứng theo thời gian thực.