Osilator IC 555 (Multivibrator Astabil)
IC 555 dapat digunakan untuk membuat osilator Astabil berjalan bebas (free-running) untuk terus menghasilkan pulsa gelombang persegi.
IC 555 Timer dapat dihubungkan baik dalam mode Monostabil nya sehingga menghasilkan timer presisi dari durasi waktu yang tetap, atau dalam mode Bistabil untuk menghasilkan sebuah Flip-flop tindakan jenis switching. Tetapi kita juga dapat menghubungkan IC 555 timer dalam mode Astabil untuk menghasilkan rangkaian IC 555 Osilator yang sangat stabil untuk menghasilkan bentuk gelombang free-running yang sangat akurat yang frekuensi outputnya dapat disesuaikan melalui rangkaian RC yang terhubung secara eksternal yang terdiri dari hanya dua Resistor dan sebuah Kapasitor.
IC 555 Osilator adalah jenis lain dari osilator relaksasi untuk menghasilkan bentuk gelombang persegi stabil gelombang output baik frekuensi tetap hingga 500kHz atau dari berbagai siklus kerja dari 50 hingga 100%. Dalam tutorial IC 555 Timer sebelumnya kita melihat bahwa rangkaian Monostabil menghasilkan pulsa one-shot output tunggal ketika dipicu pada input pemicu pin 2-nya.
Sedangkan rangkaian IC 555 Monostabil berhenti setelah waktu yang ditentukan menunggu pulsa pemicu berikutnya untuk memulai lagi, untuk menghasilkan Osilator IC 555 untuk beroperasi sebagai multivibrator astabil, perlu untuk terus-menerus memicu kembali IC 555 setelah setiap waktu siklus.
Pemicuan ulang ini pada dasarnya dicapai dengan menghubungkan input pemicu (pin 2) dan input ambang (pin 6) bersama-sama, sehingga memungkinkan perangkat untuk bertindak sebagai osilator astabil. Kemudian Osilator IC 555 tidak memiliki keadaan stabil karena terus-menerus beralih dari satu kondisi ke kondisi lainnya. Juga resistor timing tunggal dari rangkaian multivibrator Monostabil sebelumnya telah dipecah menjadi dua resistor terpisah, R1 dan R2 dengan sambungannya terhubung ke input pengosongan (pin 7) seperti yang ditunjukkan di bawah ini.
Dalam rangkaian Osilator IC 555 di atas, pin 2 dan pin 6 dihubungkan bersama-sama memungkinkan rangkaian untuk memicu kembali dirinya sendiri pada setiap siklus yang memungkinkannya untuk beroperasi sebagai osilator free-running. Selama setiap siklus kapasitor, C mengisi melalui kedua resistor waktu, R1 dan R2 tetapi melepaskan dirinya sendiri hanya melalui resistor, R2 karena sisi lain dari R2 terhubung ke terminal pelepasan, pin 7.
Kemudian kapasitor mengisi hingga 2/3Vcc (batas pembanding atas) yang ditentukan oleh kombinasi 0.693 (R1 + R2) C dan melepaskannya sendiri ke 1/3Vcc (batas pembanding yang lebih rendah) yang ditentukan oleh 0.693 (R2*C) kombinasi. Ini menghasilkan bentuk gelombang Output yang level voltasenya kira-kira sama dengan Vcc - 1.5V dan yang periode output "ON" dan "OFF" ditentukan oleh kombinasi kapasitor dan resistor. Oleh karena itu, waktu individual yang diperlukan untuk menyelesaikan satu siklus pengisian dan pengosongan output diberikan sebagai:
Di mana, R di Ω dan C di Farad.
Ketika terhubung sebagai Multivibrator Astabil, output dari IC 555 Osilator akan terus mengisi dan mengosongkan tanpa batas antara 2/3Vcc dan 1/3Vcc hingga catu daya dilepas. Seperti multivibrator Monostabil, waktu pengisian dan pengosongan ini dan karenanya frekuensinya tidak tergantung pada tegangan supply.
Oleh karena itu, durasi satu siklus waktu penuh sama dengan jumlah dari dua kali masing-masing kapasitor yang mengisi dan melepaskan kapasitor bersama-sama dan diberikan sebagai:
Frekuensi output dari osilasi dapat ditemukan dengan membalikkan persamaan di atas untuk total waktu siklus yang memberikan persamaan akhir untuk frekuensi output dari Osilator IC 555 Astabil sebagai:
Dengan mengubah konstanta waktu dari salah satu kombinasi RC, Siklus Kerja yang lebih dikenal sebagai "Mark-to-Space" rasio bentuk gelombang Output dapat diatur secara akurat dan diberikan sebagai rasio resistor R2 ke resistor R1. Siklus kerja untuk Osilator IC 555, yang merupakan rasio waktu "ON" dibagi dengan waktu "OFF" diberikan oleh:
Siklus kerja tidak memiliki unit karena merupakan rasio tetapi dapat dinyatakan sebagai persentase (%). Jika kedua resistor waktu, R1 dan R2 nilainya sama, maka siklus kerja Output akan menjadi 2:1 yaitu, 66% waktu ON dan 33% waktu OFF sehubungan dengan periode.
t1 - waktu pengisian kapasitor "ON" dihitung sebagai:
t1 = 0.693 (R1 + R2).C
t2 - waktu pengosongan kapasitor "OFF" dihitung sebagai:
t2 = 0.693 R2 .C
= 0.693 x 2000 x 10 x 10-6
= 0.014s = 14ms
Total waktu periodik (T) dihitung sebagai:
T = t1 + t2 = 21ms + 14ms = 35ms
Frekuensi output, ƒ karena itu diberikan sebagai:
Memberikan nilai siklus kerja:
Sebagai kapasitor timing, C mengisi melalui resistor R1 dan R2 tetapi hanya mengosongkan melalui resistor R2 siklus output dapat bervariasi antara 50 dan 100% dengan mengubah nilai resistor R2. Dengan mengurangi nilai R2 siklus kerja meningkat menuju 100% dan dengan meningkatkan R2 siklus kerja berkurang menuju 50%. Jika resistor, R2 sangat besar relatif terhadap resistor R1, frekuensi output dari rangkaian astabil IC 555 akan ditentukan oleh R2 x C saja.
Masalah dengan konfigurasi osilator IC 555 astabil dasar ini adalah bahwa siklus kerja, rasio "mark-to-space" tidak akan pernah turun di bawah 50% karena keberadaan resistor R2 mencegah hal ini. Dengan kata lain kita tidak bisa membuat output “ON” waktu yang lebih singkat daripada “OFF” waktu, karena (R1 + R2) C akan selalu lebih besar dari nilai R1 x C. Salah satu cara untuk mengatasi masalah ini adalah dengan menghubungkan dioda bypass sinyal secara paralel dengan resistor R2 seperti yang ditunjukkan di bawah ini.
Tetapi Osilator IC 555 juga dapat digunakan dalam berbagai rangkaian generator gelombang dan aplikasi yang membutuhkan sangat sedikit arus Output seperti pada peralatan uji elektronik untuk menghasilkan seluruh rentang frekuensi uji Output yang berbeda.
IC 555 Timer dapat dihubungkan baik dalam mode Monostabil nya sehingga menghasilkan timer presisi dari durasi waktu yang tetap, atau dalam mode Bistabil untuk menghasilkan sebuah Flip-flop tindakan jenis switching. Tetapi kita juga dapat menghubungkan IC 555 timer dalam mode Astabil untuk menghasilkan rangkaian IC 555 Osilator yang sangat stabil untuk menghasilkan bentuk gelombang free-running yang sangat akurat yang frekuensi outputnya dapat disesuaikan melalui rangkaian RC yang terhubung secara eksternal yang terdiri dari hanya dua Resistor dan sebuah Kapasitor.
IC 555 Osilator adalah jenis lain dari osilator relaksasi untuk menghasilkan bentuk gelombang persegi stabil gelombang output baik frekuensi tetap hingga 500kHz atau dari berbagai siklus kerja dari 50 hingga 100%. Dalam tutorial IC 555 Timer sebelumnya kita melihat bahwa rangkaian Monostabil menghasilkan pulsa one-shot output tunggal ketika dipicu pada input pemicu pin 2-nya.
Sedangkan rangkaian IC 555 Monostabil berhenti setelah waktu yang ditentukan menunggu pulsa pemicu berikutnya untuk memulai lagi, untuk menghasilkan Osilator IC 555 untuk beroperasi sebagai multivibrator astabil, perlu untuk terus-menerus memicu kembali IC 555 setelah setiap waktu siklus.
Pemicuan ulang ini pada dasarnya dicapai dengan menghubungkan input pemicu (pin 2) dan input ambang (pin 6) bersama-sama, sehingga memungkinkan perangkat untuk bertindak sebagai osilator astabil. Kemudian Osilator IC 555 tidak memiliki keadaan stabil karena terus-menerus beralih dari satu kondisi ke kondisi lainnya. Juga resistor timing tunggal dari rangkaian multivibrator Monostabil sebelumnya telah dipecah menjadi dua resistor terpisah, R1 dan R2 dengan sambungannya terhubung ke input pengosongan (pin 7) seperti yang ditunjukkan di bawah ini.
Rangkaian Dasar Osilator IC 555 Astabil
Dalam rangkaian Osilator IC 555 di atas, pin 2 dan pin 6 dihubungkan bersama-sama memungkinkan rangkaian untuk memicu kembali dirinya sendiri pada setiap siklus yang memungkinkannya untuk beroperasi sebagai osilator free-running. Selama setiap siklus kapasitor, C mengisi melalui kedua resistor waktu, R1 dan R2 tetapi melepaskan dirinya sendiri hanya melalui resistor, R2 karena sisi lain dari R2 terhubung ke terminal pelepasan, pin 7.
Kemudian kapasitor mengisi hingga 2/3Vcc (batas pembanding atas) yang ditentukan oleh kombinasi 0.693 (R1 + R2) C dan melepaskannya sendiri ke 1/3Vcc (batas pembanding yang lebih rendah) yang ditentukan oleh 0.693 (R2*C) kombinasi. Ini menghasilkan bentuk gelombang Output yang level voltasenya kira-kira sama dengan Vcc - 1.5V dan yang periode output "ON" dan "OFF" ditentukan oleh kombinasi kapasitor dan resistor. Oleh karena itu, waktu individual yang diperlukan untuk menyelesaikan satu siklus pengisian dan pengosongan output diberikan sebagai:
Waktu Pengisian dan Pengosongan Osilator IC 555 Astabil
t1 = 0.693 (R1 + R2).C
dan
t2 = 0.693 x R2 x C
Ketika terhubung sebagai Multivibrator Astabil, output dari IC 555 Osilator akan terus mengisi dan mengosongkan tanpa batas antara 2/3Vcc dan 1/3Vcc hingga catu daya dilepas. Seperti multivibrator Monostabil, waktu pengisian dan pengosongan ini dan karenanya frekuensinya tidak tergantung pada tegangan supply.
Oleh karena itu, durasi satu siklus waktu penuh sama dengan jumlah dari dua kali masing-masing kapasitor yang mengisi dan melepaskan kapasitor bersama-sama dan diberikan sebagai:
Siklus Waktu Osilator IC 555
T = t1 + t2 = 0.693(R1 +2R2).C
Persamaan Frekuensi Osilator IC 555
Dengan mengubah konstanta waktu dari salah satu kombinasi RC, Siklus Kerja yang lebih dikenal sebagai "Mark-to-Space" rasio bentuk gelombang Output dapat diatur secara akurat dan diberikan sebagai rasio resistor R2 ke resistor R1. Siklus kerja untuk Osilator IC 555, yang merupakan rasio waktu "ON" dibagi dengan waktu "OFF" diberikan oleh:
Siklus Kerja Osilator IC 555
Siklus kerja tidak memiliki unit karena merupakan rasio tetapi dapat dinyatakan sebagai persentase (%). Jika kedua resistor waktu, R1 dan R2 nilainya sama, maka siklus kerja Output akan menjadi 2:1 yaitu, 66% waktu ON dan 33% waktu OFF sehubungan dengan periode.
Contoh: Osilator IC 555 No.1
Sebuah Osilator IC 555 astabil dibangun menggunakan komponen-komponen berikut, R1 = 1kΩ, R2 = 2kΩ dan kapasitor C = 10uF. Hitung frekuensi output dari osilator IC 555 dan siklus kerja dari bentuk gelombang output.t1 - waktu pengisian kapasitor "ON" dihitung sebagai:
t1 = 0.693 (R1 + R2).C
= 0.693 (1000 + 2000) x 10 x 10-6
= 0.021s = 21ms
t2 = 0.693 R2 .C
= 0.693 x 2000 x 10 x 10-6
= 0.014s = 14ms
Total waktu periodik (T) dihitung sebagai:
T = t1 + t2 = 21ms + 14ms = 35ms
Frekuensi output, ƒ karena itu diberikan sebagai:
Memberikan nilai siklus kerja:
Sebagai kapasitor timing, C mengisi melalui resistor R1 dan R2 tetapi hanya mengosongkan melalui resistor R2 siklus output dapat bervariasi antara 50 dan 100% dengan mengubah nilai resistor R2. Dengan mengurangi nilai R2 siklus kerja meningkat menuju 100% dan dengan meningkatkan R2 siklus kerja berkurang menuju 50%. Jika resistor, R2 sangat besar relatif terhadap resistor R1, frekuensi output dari rangkaian astabil IC 555 akan ditentukan oleh R2 x C saja.
Masalah dengan konfigurasi osilator IC 555 astabil dasar ini adalah bahwa siklus kerja, rasio "mark-to-space" tidak akan pernah turun di bawah 50% karena keberadaan resistor R2 mencegah hal ini. Dengan kata lain kita tidak bisa membuat output “ON” waktu yang lebih singkat daripada “OFF” waktu, karena (R1 + R2) C akan selalu lebih besar dari nilai R1 x C. Salah satu cara untuk mengatasi masalah ini adalah dengan menghubungkan dioda bypass sinyal secara paralel dengan resistor R2 seperti yang ditunjukkan di bawah ini.
Siklus Kerja Osilator IC 555 (yang ditingkatkan)
Dengan menghubungkan dioda, D1 antara pemicu input dan debit input, kapasitor waktu akan sekarang mengisi langsung melalui resistor R1 saja, karena resistor R2 secara efektif korsleting oleh dioda. Kapasitor keluar seperti biasa melalui resistor, R2.
Dioda tambahan, D2 dapat dihubungkan secara seri dengan resistor pengosongan, R2 jika diperlukan untuk memastikan bahwa kapasitor timing hanya akan mengisi melalui D1 dan tidak melalui jalur paralel R2. Ini karena selama proses pengisian dioda D2 terhubung dalam reverse bias yang menghalangi aliran arus melalui dirinya sendiri.
Sekarang waktu pengisian sebelumnya t1 = 0.693 (R1 + R2) C dimodifikasi untuk memperhitungkan rangkaian pengisian baru ini dan diberikan sebagai: 0.693 (R1 x C). Siklus kerja karena itu diberikan sebagai D = R1/(R1 + R2). Kemudian untuk menghasilkan siklus kerja kurang dari 50%, resistor R1 harus lebih kecil dari resistor R2.
Meskipun rangkaian sebelumnya meningkatkan siklus kerja bentuk gelombang output dengan mengisi kapasitor timing, C1 melalui kombinasi R1 + D1 dan kemudian mengeluarkannya melalui kombinasi D2 + R2, masalah dengan pengaturan rangkaian ini adalah bahwa rangkaian osilator IC 555 menggunakan tambahan komponen, yaitu dua dioda.
Kami dapat meningkatkan ide ini dan menghasilkan bentuk gelombang output gelombang persegi tetap dengan siklus kerja 50% yang tepat dengan sangat mudah dan tanpa perlu tambahan dioda dengan hanya memindahkan posisi resistor pengisian daya, R2 ke output (pin 3) sebagai ditampilkan.
Siklus Kerja Osilator 50% Astabil
Osilator IC 555 sekarang menghasilkan siklus kerja 50% sebagai kapasitor timing, C1 sekarang mengisi dan melepaskan melalui resistor yang sama, R2 daripada pemakaian melalui pin debit timer 7 seperti sebelumnya. Ketika output dari osilator IC 555 adalah TINGGI, kapasitor mengisi melalui R2 dan ketika outputnya RENDAH, ia dikeluarkan melalui R2. Resistor R1 digunakan untuk memastikan bahwa kapasitor mengisi penuh hingga nilai yang sama dengan tegangan supply.
Namun, karena kapasitor mengisi dan mengosongkan melalui resistor yang sama, persamaan di atas untuk frekuensi output osilasi harus dimodifikasi sedikit untuk mencerminkan perubahan rangkaian ini. Maka persamaan baru untuk 50% Osilator IC 555 Astabil diberikan sebagai:
Persamaan Frekuensi Siklus Kerja 50%
Perhatikan bahwa resistor R1 harus cukup tinggi untuk memastikan tidak mengganggu pengisian kapasitor untuk menghasilkan siklus kerja 50% yang diperlukan. Juga mengubah nilai kapasitor timing, C1 mengubah frekuensi osilasi dari rangkaian Astabil.
Aplikasi Osilator IC 555
Seperti yang kami katakan sebelumnya bahwa output maksimum untuk sink atau source arus beban melalui pin 3 yaitu sekitar 200mA dan nilai ini lebih dari cukup untuk beralih atau mendorong IC logika lain, beberapa LED atau lampu kecil dll dan bahwa kita perlu menggunakan transistor bipolar atau MOSFET untuk memperkuat output IC 555 untuk mendorong beban arus yang lebih besar seperti Motor atau Relai.
IC 555 juga dapat digunakan untuk menghasilkan bentuk gelombang sinusoidal, kuadrat, dan pulsa yang sangat akurat atau sebagai LED atau lampu kilat dan dimmer ke rangkaian penghasil noise sederhana seperti metronom, generator nada dan efek suara dan bahkan mainan musik untuk Natal.
Kita dapat dengan mudah membangun rangkaian osilator IC 555 sederhana untuk mem-flash beberapa LED "ON" dan "OFF" yang mirip dengan yang ditunjukkan, atau untuk menghasilkan suara frekuensi tinggi dari speaker. Tetapi satu yang sangat bagus dan sederhana untuk membangun proyek sains menggunakan osilator IC 555 berbasis astabil adalah dari Metronom Elektronik.
Metronom adalah perangkat yang digunakan untuk menandai waktu dalam bentuk musik dengan menghasilkan irama atau klik musik yang teratur dan berulang. Metronom elektronik sederhana dapat dibuat menggunakan osilator IC 555 sebagai perangkat penghitung waktu utama dan dengan menyesuaikan frekuensi output osilator, tempo atau "Beats per Minute" dapat diatur.
Jadi misalnya, tempo 60 ketukan per menit berarti satu ketukan akan terjadi setiap detik dan dalam istilah elektronik yang setara dengan 1Hz. Jadi dengan menggunakan beberapa definisi musik yang sangat umum, kita dapat dengan mudah membuat tabel frekuensi berbeda yang diperlukan untuk rangkaian metronom kita seperti yang ditunjukkan di bawah ini.
Tabel Frekuensi Metronom
Definisi
Musik
|
Tingkat
|
Beats
per Minute
|
Siklus
Waktu (T)
|
Frekuensi
|
Larghetto
|
Very
Slow
|
60
|
1sec
|
1.0Hz
|
Andante
|
Slow
|
90
|
666ms
|
1.5Hz
|
Moderato
|
Medium
|
120
|
500ms
|
2.0Hz
|
Allegro
|
Fast
|
150
|
400ms
|
2.5Hz
|
Presto
|
Very
Fast
|
180
|
333ms
|
3.0Hz
|
Rentang frekuensi output metronom hanya dihitung sebagai kebalikan dari 1 menit atau 60 detik dibagi dengan jumlah pulsa per menit yang dibutuhkan, misalnya ( 1/(60 detik/90 bpm) = 1.5Hz ) dan 120bpm setara dengan 2Hz, dan sebagainya. Jadi dengan menggunakan persamaan yang sekarang kita kenal di atas untuk menghitung frekuensi output dari rangkaian osilator IC 555 astabil, nilai-nilai individual dari R1, R2 dan C dapat ditemukan.
Periode waktu bentuk gelombang output untuk osilator IC 555 astabil diberikan sebagai:
T = t1 + t2 = 0.0693 (R1 + 2R2).C
Untuk rangkaian metronom elektronik kami, nilai resistor waktu R1 dapat ditemukan dengan mengatur ulang persamaan di atas untuk memberikan:
Dengan asumsi nilai untuk resistor R2 = 1kΩ dan kapasitor C = 10uF nilai dari resistor waktu R1 untuk rentang frekuensi kami diberikan sebagai 142k3Ω pada 60 pulsa per menit hingga 46k1Ω pada 180 beats per menit, sehingga variabel resistor (potensiometer) 150kΩ akan lebih dari cukup untuk rangkaian metronom untuk menghasilkan berbagai ketukan yang dibutuhkan dan beberapa lainnya. Maka rangkaian terakhir untuk contoh metronom elektronik kami akan diberikan sebagai:
Rangkaian Metronom Elektronik IC 555
Rangkaian metronom sederhana ini menunjukkan hanya satu cara sederhana menggunakan osilator IC 555 untuk menghasilkan suara atau nada yang dapat didengar. Ini menggunakan potensiometer 150kΩ untuk mengontrol rentang penuh pulsa output atau beats, dan karena memiliki nilai 150kΩ, dapat dengan mudah dikalibrasi untuk memberikan nilai persentase yang setara sesuai dengan posisi potensiometer. Misalnya, 60 beats per menit sama dengan 142.3 kΩ atau rotasi 95%.
Demikian pula, 120 beats per menit sama dengan 70.1 kΩ atau rotasi 47%, dll. Resistor atau trimmer tambahan dapat dihubungkan secara seri dengan Potensiometer untuk mengatur output sebelumnya atas dan batas bawah ke nilai yang telah ditentukan, tetapi komponen tambahan ini harus diperhitungkan saat menghitung frekuensi output atau periode waktu.
Walaupun rangkaian di atas adalah contoh yang sangat sederhana dan lucu dari pembangkitan suara, dimungkinkan untuk menggunakan Osilator IC 555 sebagai penghasil noise/synthesizer atau membuat bunyi, nada, dan alarm musik dengan membangun frekuensi-variabel, tanda-variabel/ruang generator gelombang rasio.
Dalam tutorial ini kami hanya menggunakan rangkaian osilator IC 555 tunggal untuk menghasilkan suara tetapi dengan menyatukan dua atau lebih chip IC 555 osilator, berbagai rangkaian dapat dibangun untuk menghasilkan berbagai macam efek musik dan suara. Salah satu rangkaian baru seperti itu adalah sirene mobil polisi "nii nuuu" yang diberikan dalam contoh di bawah ini.
Osilator IC 555 Siren Polisi “Nii Nuuu”
Rangkaian ini mensimulasikan sinyal alarm nada-bunyi yang menyimulasikan suara sirene polisi. IC1 terhubung sebagai multivibrator astabil non-simetris 2Hz yang digunakan untuk memodulasi IC2 frekuensi melalui resistor 10kΩ. Output dari IC2 bergantian secara simetris antara 300Hz dan 660Hz membutuhkan waktu 0.5 detik untuk menyelesaikan setiap siklus bolak-balik.