آی سی تایمر ۵۵۵: افسانه‌ای که دنیای الکترونیک را متحول کرد

به عنوان یک مهندس الکترونیک، اگر بخواهم یک قطعه‌ی الکترونیکی را معرفی کنم که تقریباً در هر پروژه‌ای — از ساده‌ترین مدارهای دانشجویی تا پیچیده‌ترین سیستم‌های صنعتی — حضوری پررنگ داشته باشد، بی‌تردید نام تایمر ۵۵۵ در صدر فهرست قرار می‌گیرد. این مدار مجتمع کوچک، که بیش از پنج دهه از عمر آن می‌گذرد، نه تنها یکی از پرفروش‌ترین ICهای تاریخ است، بلکه نمادی از سادگی، انعطاف‌پذیری و قدرت طراحی هوشمندانه به شمار می‌رود. در این مقاله، به کالبدشکافی این افسانه‌ی الکترونیک می‌پردازیم و بررسی می‌کنیم که چرا این قطعه‌ی کوچک همچنان در مرکز توجه طراحان و مهندسان سراسر جهان قرار دارد.

تولد یک افسانه: تاریخچه تایمر ۵۵۵

داستان تایمر ۵۵۵ در سال ۱۹۷۱ و در بحبوحه‌ی رکود اقتصادی آغاز شد. هانس کامنزیند، مهندس سوئیسی، تحت قرارداد با شرکت Signetics، بر روی توسعه‌ی یک مدار قفل شده فاز (PLL) کار می‌کرد. او در طراحی نوسان‌ساز این PLL به راه‌حلی دست یافته بود که فرکانس خروجی آن به ولتاژ تغذیه و دما وابسته نبود. با اوج‌گیری رکود ۱۹۷۰، Signetics نیمی از کارکنان خود را تعدیل کرد و پروژه‌ی PLL متوقف شد.

کامنزیند، که کاهش حقوقش را پیش‌بینی می‌کرد، ایده‌ی جسورانه‌ای مطرح کرد: طراحی یک مدار جهانی بر پایه‌ی آن نوسان‌ساز، به صورت مستقل و با استفاده از تجهیزات شرکت. اگرچه این ایده در ابتدا توسط سایر مهندسان رد شد — با این استدلال که چنین مداری را می‌توان از قطعات موجود ساخت — اما مدیر بازاریابی، “آرت فوری”، پتانسیل عظیم آن را دید و طرح را تأیید کرد. گفته می‌شود نام “۵۵۵” نیز توسط فوری و به صورت کاملاً تصادفی انتخاب شد، برخلاف افسانه‌ی رایج که آن را به سه مقاومت ۵ کیلواهم داخلی مرتبط می‌کند.

اولین نمونه‌های آزمایشی در اکتبر ۱۹۷۱ به نام‌های NE555V (بسته‌بندی پلاستیکی DIP) و SE555T (بسته‌بندی فلزی TO-5) عرضه شدند. این قطعه به سرعت توسط ۱۲ شرکت مختلف در سال ۱۹۷۲ تولید شد و به محصولی پرفروش تبدیل گردید. جالب اینجاست که کامنزیند در سال ۱۹۹۷ اعتراف کرد: “نه از هر ده کاربرد این تایمر، در زمینه‌ها و روش‌هایی استفاده شده بود که من هرگز به آن‌ها فکر نکرده بودم. برای ماه‌ها با تماس‌های تلفنی مهندسانی inundate شده بودم که ایده‌های جدیدی برای استفاده از این قطعه داشتند.”

امروزه و پس از گذشت بیش از ۵۰ سال، برآوردها حاکی از تولید سالانه بیش از یک میلیارد عدد تایمر ۵۵۵ است، رقمی که آن را به “احتمالاً محبوب‌ترین مدار مجتمع ساخته‌شده در تاریخ” بدل کرده است.

 طراحی داخلی تایمر ۵۵۵

برای درک قدرت تایمر ۵۵۵، باید نگاهی به درون آن بیندازیم. نسخه‌ی استاندارد دوقطبی (Bipolar) این IC معادل ۲۵ ترانزیستور، ۲ دیود و ۱۵ مقاومت را در یک تراشه‌ی سیلیکونی جای داده که در یک بسته‌ی ۸ پایه‌ی DIP قرار می‌گیرد. طراحی آن مبتنی بر چند بلوک کلیدی است:

1. مقسم ولتاژ: سه مقاومت یکسان (معمولاً ۵ کیلواهم در نسخه‌های دوقطبی) که بین VCC و GND قرار گرفته‌اند، دو ولتاژ مرجع ‌۲⁄۳ VCC و ‌۱⁄۳ VCC را ایجاد می‌کنند. پایه‌ی CONTROL به نقطه‌ی بین دو مقاومت بالایی متصل است و امکان اعمال ولتاژ مرجع خارجی را فراهم می‌کند.
2. مقایسه‌گر آستانه (Threshold Comparator): ورودی منفی آن به ولتاژ مرجع بالایی (‌۲⁄۳ VCC) و ورودی مثبت آن به پایه‌ی THRESHOLD متصل است.
3. مقایسه‌گر تریگر (Trigger Comparator): ورودی مثبت آن به ولتاژ مرجع پایینی (‌۱⁄۳ VCC) و ورودی منفی آن به پایه‌ی TRIGGER متصل است.
4. لچ (Latch): یک لچ Set-Reset وضعیت تایمر را ذخیره می‌کند و توسط خروجی دو مقایسه‌گر کنترل می‌شود. پایه‌ی RESET می‌تواند به صورت لحظه‌ای وضعیت لچ را بازنشانی (Reset) کند.
5. خروجی (Output): یک مرحله‌ی خروجی Push-Pull که می‌تواند تا ۲۰۰ میلی‌آمپر (در نسخه‌های دوقطبی) جریان تأمین یا دریافت کند.
6. تخلیه (Discharge): یک ترانزیستور که مانند یک کلید عمل کرده و پایه‌ی DISCHARGE را به هنگام لزوم به زمین متصل می‌کند تا خازن Timing تخلیه شود.

این معماری ساده اما هوشمندانه، پایه‌ای برای چهار حالت عملیاتی اصلی تایمر ۵۵۵ فراهم می‌آورد.

 

انعطاف‌پذیری تایمر ۵۵۵ در توانایی آن برای کار در چندین حالت مختلف نهفته است:

۱. حالت آستابل (Astable Mode)

در این حالت، تایمر ۵۵۵ به یک نوسان‌ساز الکترونیکی تبدیل می‌شود و جریانی پیوسته از پالس‌های مستطیلی تولید می‌کند. این پرکاربردترین حالت تایمر ۵۵۵ است.

مدار: این پیکربندی تنها با دو مقاومت (R1 و R2) و یک خازن (C) پیاده‌سازی می‌شود. پایه‌های THRESHOLD و TRIGGER هر دو به خازن متصل هستند.

عملکرد:

• خازن از طریق R1 و R2 شارژ می‌شود تا به ‌۲⁄۳ VCC برسد. در این لحظه، مقایسه‌گر آستانه فعال شده و خروجی پایین رفته و ترانزیستور تخلیه فعال می‌شود.
• سپس خازن از طریق R2 شروع به تخلیه می‌کند تا به ‌۱⁄۳ VCC برسد. در این لحظه، مقایسه‌گر تریگر فعال شده و خروجی بالا رفته و ترانزیستور تخلیه غیرفعال می‌شود.
• این چرخه به طور مداوم تکرار می‌شود.

محاسبات:

• زمان HIGH بودن پالس (t_high) = ln(2) * (R1 + R2) * C ≈ 0.693 * (R1 + R2) * C
• زمان LOW بودن پالس (t_low) = ln(2) * R2 * C ≈ 0.693 * R2 * C
• فرکانس (f) = 1 / (t_high + t_low) = 1.44 / ((R1 + 2*R2) * C)
• دیوتی سایکل (D) = (t_high / (t_high + t_low)) * 100% = ((R1 + R2) / (R1 + 2*R2)) * 100%

نکته‌ی مهم این است که دیوتی سایکل همیشه بزرگ‌تر از ۵۰٪ خواهد بود. برای دستیابی به دیوتی سایکلی کمتر از ۵۰٪، می‌توان یک دیود سریع (مانند 1N4148) را به صورت موازی با R2 و با کاتد به سمت خازن قرار داد. این دیود، R2 را در هنگام شارژ خازن (حالت HIGH) بایپاس می‌کند.

کاربردها: چشمک‌زن‌های LED، تولید پالس، ساعت‌های منطقی، مدولاسیون عرض پالس (PWM)، تولید Tone و حسگر دما (با استفاده از ترمیستور به جای R1).

۲. حالت مونوستابل (Monostable Mode)

در این حالت، تایمر ۵۵۵ به یک تک‌شات (One-Shot) تبدیل می‌شود. با دریافت یک پالس تریگر (Trigger)، یک پالس خروجی با طول زمانی مشخص تولید می‌کند.

مدار: این پیکربندی تنها با یک مقاومت (R) و یک خازن (C) پیاده‌سازی می‌شود. خازن بین پایه‌های DISCHARGE و THRESHOLD به زمین متصل است و مقاومت بین VCC و این دو پایه قرار می‌گیرد.

عملکرد:

• در حالت عادی، خروجی LOW است و ترانزیستور تخلیه، خازن را تخلیه نگه می‌دارد.
• با اعرض یک پالس منفی به پایه‌ی TRIGGER (زیر ‌۱⁄۳ VCC)، لچ Set شده و خروجی HIGH می‌رود و ترانزیستور تخلیه قطع می‌شود.
• خازن از طریق R شروع به شارژ می‌کند.
• هنگامی که ولتاژ خازن به ‌۲⁄۳ VCC می‌رسد، مقایسه‌گر آستانه فعال شده و خروجی را به حالت LOW بازمی‌گرداند و خازن مجدداً به سرعت تخلیه می‌شود.

محاسبه زمان پالس:
زمان پالس خروجی (t) = ln(3) * R * C ≈ 1.1 * R * C
این زمان تقریباً مستقل از ولتاژ تغذیه است، که یک مزیت بزرگ محسوب می‌شود.

کاربردها: تایمرهای delay، تشخیص پالس مفقوده، سوئیچ‌های ضدگرفتن (Debounce)، تقسیم‌کننده‌ی فرکانس و مبدل مقاومت/خازن به زمان.

۳. حالت بایستابل (Bistable Mode) یا لچ SR

در این حالت، تایمر ۵۵۵ به یک لچ Set-Reset ساده تبدیل می‌شود. در این پیکربندی از خازن استفاده نمی‌شود.

مدار: پایه‌ی TRIGGER به عنوان ورودی Set (فعال LOW) و پایه‌ی RESET به عنوان ورودی Reset (فعال LOW) عمل می‌کند. پایه‌ی THRESHOLD به زمین متصل می‌شود.

عملکرد:

• یک پالس لحظه‌ای LOW به TRIGGER، خروجی را HIGH می‌کند (Set).
• یک پالس لحظه‌ای LOW به RESET، خروجی را LOW می‌کند (Reset).

کاربرد اصلی: حذف نویز از سوئیچ‌های مکانیکی (Debouncing).

۴. حالت اشمیت تریگر  (Schmitt Trigger) یا اینورتر

در این حالت، تایمر ۵۵۵ به یک اینورتر اشمیت تریگر  تبدیل می‌شود که یک سیگنال ورودی نویزی را به یک سیگنال خروجی دیجیتال تمیز تبدیل می‌کند.

مدار: سیگنال ورودی از طریق یک خازن کوچک (Coupling) به مدار وارد شده و توسط دو مقاومت یکسان به مرکز ولتاژ تغذیه بایاس می‌شود. این نقطه به هر دو پایه‌ی TRIGGER و THRESHOLD متصل می‌شود.

عملکرد: به دلیل وجود دو ولتاژ مرجع داخلی (‌۱⁄۳ VCC و ‌۲⁄۳ VCC)، مدار دارای هیسترزیس است. یعنی سطح ولتازی که باعث تغییر حالت از LOW به HIGH می‌شود (≈ ‌۲⁄۳ VCC) با سطح ولتازی که باعث تغییر حالت از HIGH به LOW می‌شود (≈ ‌۱⁄۳ VCC) تفاوت دارد. این ویژگی باعث ایمنی در برابر نویز می‌شود.

خانواده‌ی ۵۵۵: انواع و مشتقات

طی پنج دهه، شرکت‌های متعددی اقدام به تولید تایمر ۵۵۵ کرده‌اند که هر کدام بهبودهایی را ارائه داده‌اند:

• نسخه‌های دوقطبی (Bipolar) اصلی (مانند NE555): قدیمی‌ترین نوع، با مصرف جریان نسبتاً بالا (۳-۱۵ میلی‌آمپر) اما توانایی تأمین جریان خروجی بالا (تا ۲۰۰ میلی‌آمپر).
• نسخه‌های CMOS (مانند ICM7555, LMC555): مصرف جریان بسیار پایین (میکروآمپر)، محدوده‌ی ولتاژ تغذیه‌ی وسیع‌تر (حتی تا ۱ ولت) و سرعت بالاتر. اما جریان خروجی کمتری دارند.
• تایمر دوگانه ۵۵۶ (556): شامل دو تایمر ۵۵۵ کامل در یک بسته‌ی ۱۴ پایه (DIP-14) که تنها پایه‌های تغذیه بین آن‌ها مشترک است.
• تایمر چهارتایی ۵۵۸ (558): شامل چهار تایمر با قابلیت‌های کاهش‌یافته (عمدتاً برای مونوستابل) در یک بسته‌ی ۱۶ پایه. این نسخه تفاوت‌های داخلی قابل توجهی با ۵۵۵ دارد، از جمله خروجی‌های Open-Collector و تریگر حساس به لبه.

امروزه این تایمرها در بسته‌بندی‌های متنوعی از جمله DIP (برای بردبورد)، SOIC, TSSOP (برای SMD) و حتی BGA (با پایه‌های بسیار ریز) تولید می‌شوند.

دو نمونه مدار برای کاربردهای خلاقانه با IC تایمر 555

1- سنسور تشخیص روشنایی با 555

قطعات مورد نیاز:

ردیف	قطعات	تعداد
1	LDR (مقاومت نوری)	1 عدد
2	خازن (0.05µF، 4.7µF)	هرکدام 1 عدد
3	پتانسیومتر 10 کیلواهم	1 عدد
4	بازر	1 عدد
5	مقاومت‌ 1kΩ، 1.2kΩ، 47kΩ	هرکدام 1 عدد
6	آی‌سی تایمر 555	1 عدد
7	باتری 9 ولت	1 عدد

شماتیک مدار

---

توضیح عملکرد

وقتی نور به سطح LDR (مقاومت نوری) می‌تابد، مدار فعال شده و از طریق آی‌سی 555 تایمر یک آلارم صوتی تولید می‌شود. در این مدار، آی‌سی 555 به‌صورت چندویبراتور آستابل تنظیم شده و نقش اصلی در ایجاد صدا را بر عهده دارد.

از LDR به‌عنوان سنسور تاریکی استفاده می‌شود. یک مقاومت متغیر 10 کیلواهم وظیفه کنترل مدار را برعهده دارد و آلارم را در سطح مشخصی از تاریکی فعال می‌کند.

یک بلندگو با امپدانس 8 اهم به کمک یک خازن 4.7 میکروفاراد متصل شده و صدا را به‌عنوان خروجی تولید می‌کند. همچنین، فرکانس صدا با تغییر مقدار یک خازن 0.05 میکروفاراد قابل تنظیم است.

مدار در بازه ولتاژ 9 تا 12 ولت DC کار می‌کند.

2- کنترلر سرعت موتور DC

قطعات مورد نیاز:

ردیف	قطعات	تعداد
1	آی‌سی تایمر 555	2 عدد
2	ترانزیستور IRF540	1 عدد
3	موتور DC	1 عدد
4	دیود 1N4007	1 عدد
5	پتانسیومتر 100 کیلواهم	1 عدد
6	خازن 1000 میکروفاراد و خازن سرامیکی 0.47 میکروفاراد	هرکدام 1 عدد
7	مقاومت‌های 10kΩ، 47kΩ، 560Ω	هرکدام 1 عدد
8	باتری 12 ولت	1 عدد

شماتیک کنترل سرعت موتور DC با IC تایمر 555

---

توضیح عملکرد

در این مدار کنترل سرعت موتور DC با استفاده از آی‌سی 555، وقتی تغذیه 12 ولت به مدار داده می‌شود، آی‌سی 555 پالس‌هایی را در پایه خروجی (پین 3) تولید می‌کند.

میزان این پالس‌ها به وضعیت پتانسیومتر متصل به مدار بستگی دارد. خروجی پالس تولیدشده، به گیت ترانزیستور MOSFET (IRF540) داده می‌شود. MOSFET به موتور متصل است و با کنترل این پالس‌ها، سرعت موتور تغییر می‌کند.

در نتیجه، با تغییر مقدار پتانسیومتر، می‌توان سرعت موتور را تنظیم یا کنترل کرد.

جمع‌بندی: چرا تایمر ۵۵۵ جاودانه شد؟

تایمر ۵۵۵ یک شاهکار مهندسی است که ترکیبی بی‌نظیر از ویژگی‌ها را ارائه می‌دهد:

1. سادگی: درک و استفاده از آن بسیار آسان است.
2. انعطاف‌پذیری: با چند قطعه‌ی خارجی ارزان‌قیمت می‌تواند عملکردهای کاملاً متفاوتی را انجام دهد.
3. قابلیت اطمینان: طراحی قدرتمند و tested by time.
4. قیمت فوق‌العاده پایین.
5. در دسترس بودن گسترده.

این تایمر کوچک، پلی بین دنیای آنالوگ و دیجیتال ایجاد کرده و مفاهیم پایه‌ای الکترونیک مانند زمان‌بندی، نوسان و تولید پالس را برای میلیون‌ها دانشجو و علاقه‌مند قابل لمس کرده است. حتی در عصر میکروکنترلرهای فوق‌پیشرفته، هنوز هم برای بسیاری از کاربردهای ساده، استفاده از یک تایمر ۵۵۵ بسیار مقرون‌به‌صرفه‌تر و کارآمدتر از برنامه‌نویسی یک MCU کامل است.

به عنوان یک مهندس الکترونیک، می‌توانم بگویم که تسلط بر تایمر ۵۵۵ مانند یادگیری الفبای الکترونیک است. این قطعه نه تنها یک ابزار کاربردی، بلکه یک نماد فرهنگی در جامعه‌ی مهندسی است که یادآور می‌کند که گاهی بهترین راه‌حل‌ها، ساده‌ترین آن‌ها هستند. تایمر ۵۵۵ قطعاً سزاوار عنوان “افسانه‌ای جاودان” در دنیای الکترونیک است.