Le 555 Timer IC peut être connecté soit en mode Monostable, produisant un temporisateur de précision d’une durée fixe, soit en mode Bistable pour produire une action de commutation de type flip-flop. Cependant, nous pouvons également connecter le 555 Timer IC en mode Astable pour créer un circuit oscillateur 555 très stable, générant des formes d’onde à fonctionnement libre très précises, dont la fréquence de sortie peut être ajustée par un circuit RC externe composé de deux résistances et d’un condensateur.

L’Oscillateur 555 est un autre type d’oscillateur de relaxation, destiné à générer des formes d’onde carrées stabilisées dont la fréquence peut atteindre jusqu’à 500 kHz, ou avec des cycles de service variant de 50 à 100 %. Dans le précédent tutoriel sur le Timer 555, nous avons vu que le circuit monostable produit une seule impulsion de sortie lorsqu’il est activé via son entrée de déclenchement sur la broche 2.

Alors que le circuit monostable 555 s’arrête après un temps prédéfini, attendant le prochain pulse de déclenchement pour redémarrer, il est nécessaire de re-déclencher continuellement le 555 IC après chaque cycle de chronométrage pour faire fonctionner l’oscillateur 555 comme un multivibrateur astable.

Ce re-déclenchement est essentiellement réalisé en connectant l’entrée de déclenchement (broche 2) et l’entrée de seuil (broche 6) ensemble, permettant ainsi à l’appareil d’agir comme un oscillateur astable. Ainsi, un oscillateur 555 n’a pas d’états stables, car il bascule en continu d’un état à l’autre. De plus, la seule résistance de chronométrage du précédent circuit de multivibrateur monostable a été scindée en deux résistances séparées, R1 et R2, dont le point de jonction est connecté à l’entrée de décharchage (broche 7) comme montré ci-dessous.

Circuit de base de l’oscillateur 555 en mode astable

Dans le circuit Oscillateur 555 ci-dessus, la broche 2 et la broche 6 sont connectées ensemble, permettant au circuit de se re-déclencher à chaque cycle et d’opérer en tant qu’oscillateur fonctionnant librement. Pendant chaque cycle, le condensateur, C, se charge à travers les résistances de chronométrage, R1 et R2, mais se décharge uniquement à travers la résistance R2, l’autre côté de R2 étant connecté à la broche de décharchage, la broche 7.

Le condensateur se charge jusqu’à 2/3Vcc (la limite supérieure du comparateur) à travers les résistances R1 et R2, ce qui est déterminé par la combinaison 0.693(R1 + R2)C. Il se décharge ensuite jusqu’à 1/3Vcc (la limite inférieure du comparateur) uniquement à travers la résistance R2, qui est déterminé par la combinaison 0.693(R2 * C).

Ce qui donne une forme d’onde de sortie dont le niveau de tension est approximativement égal à Vcc – 1.5V et dont les périodes de temps “ON” et “OFF” sont déterminées par les combinaisons du condensateur et des résistances. Les temps nécessaires pour compléter un cycle de charge et de décharge de la sortie sont donc donnés par :

Temps de Charge et de Décharge de l’Oscillateur 555 Astable

Où R est en Ohms et C en Farads.

Lorsque connecté comme un multivibrateur astable, la sortie de l’Oscillateur 555 continuera indéfiniment à se charger et à se décharger entre 2/3Vcc et 1/3Vcc jusqu’à ce que l’alimentation soit retirée. Comme pour le multivibrateur monostable, ces temps de charge et de décharge, et donc la fréquence, sont indépendants de la tension d’alimentation.

La durée d’un cycle de chronométrage complet est donc égale à la somme des deux temps individuels durant lesquels le condensateur charge et décharge et est donnée par :

Temps de Cycle de l’Oscillateur 555

La fréquence de sortie des oscillations peut être trouvée en inversant l’équation ci-dessus pour le temps de cycle total, donnant une équation finale pour la fréquence de sortie d’un Oscillateur 555 Astable comme :

Équation de Fréquence de l’Oscillateur 555

En modifiant la constante de temps d’une des combinaisons de RC, le Cyclage de service, mieux connu sous le nom de rapport “Marque-à-Espace” de la forme d’onde de sortie, peut être réglé avec précision et est donné comme le rapport de la résistance R2 à la résistance R1. Le cycle de service pour l’Oscillateur 555, qui est le rapport du temps “ON” divisé par le temps “OFF”, est donné par :

Cycle de Service de l’Oscillateur 555

Le cycle de service n’a pas d’unités car c’est un rapport mais peut être exprimé en pourcentage ( % ). Si les deux résistances de chronométrage, R1 et R2, sont égales en valeur, alors le cycle de service de sortie sera de 2:1, c’est-à-dire de 66% de temps “ON” et de 33% de temps “OFF” par rapport à la période.

Exemple d’Oscillateur 555 No1

Un Oscillateur 555 Astable est construit en utilisant les composants suivants : R1 = 1kΩ, R2 = 2kΩ et le condensateur C = 10uF. Calculez la fréquence de sortie de l’oscillateur 555 et le cycle de service de la forme d’onde de sortie.

t₁ – le temps de charge du condensateur “ON” est calculé comme suit :

t₂ – le temps de décharge du condensateur “OFF” est calculé comme suit :

Le temps périodique total (T) est donc calculé comme suit :

La fréquence de sortie, ƒ, est donc donnée par :

Ce qui donne une valeur de cycle de service de :

Comme le condensateur de chronométrage, C, se charge à travers les résistances R1 et R2 mais se décharge uniquement à travers la résistance R2, le cycle de service de sortie peut être varié entre 50 et 100 % en modifiant la valeur de la résistance R2.

En diminuant la valeur de R2, le cycle de service augmente vers 100 %, et en augmentant R2, le cycle de service diminue vers 50 %. Si la résistance R2 est très grande par rapport à la résistance R1, la fréquence de sortie du circuit astable 555 sera déterminée uniquement par R2 x C.

Le problème avec cette configuration de base de l’oscillateur 555 astable est que le cycle de service, le rapport “marque-espace”, ne descendra jamais en dessous de 50 %, car la présence de la résistance R2 empêche cela. En d’autres termes, nous ne pouvons pas rendre le temps “ON” des sorties plus court que le temps “OFF”, puisque (R1 + R2)C sera toujours supérieur à la valeur de R1 x C. Une manière de contourner ce problème est de connecter une diode de contournement de signal en parallèle avec la résistance R2, comme montré ci-dessous.

Amélioration du Cycle de Service de l’Oscillateur 555

En connectant cette diode, D1, entre l’entrée de déclenchement et l’entrée de décharchage, le condensateur de chronométrage se chargera maintenant directement à travers la résistance R1 uniquement, car la résistance R2 est effectivement court-circuitée par la diode. Le condensateur se décharge normalement à travers la résistance, R2.

Une diode supplémentaire, D2, peut être connectée en série avec la résistance de décharge, R2, si nécessaire, pour s’assurer que le condensateur de chronométrage ne se charge que via D1 et non pas à travers le chemin parallèle de R2. C’est parce que pendant le processus de charge, la diode D2 est connectée en inverse et bloque le flux de courant à travers elle-même.

Maintenant, le temps de charge précédent de t₁ = 0.693(R1 + R2)C est modifié pour tenir compte de ce nouveau circuit de charge et est donné par : 0.693(R1 x C). Le cycle de service est donc donné par D = R1/(R1 + R2). Pour générer un cycle de service de moins de 50 %, la résistance R1 doit être inférieure à la résistance R2.

Bien que le circuit précédent améliore le cycle de service de la forme d’onde de sortie en chargeant le condensateur de chronométrage, C, à travers la combinaison R1 + D1 et en le déchargeant à travers la combinaison D2 + R2, le problème avec cette disposition de circuit est que le circuit oscillateur 555 utilise des composants supplémentaires, c’est-à-dire deux diodes.

Nous pouvons améliorer cette idée et produire une forme d’onde carrée fixe avec un cycle de service exact de 50 % très facilement et sans besoin de diodes supplémentaires, en déplaçant simplement la position de la résistance de charge, R2, vers la sortie (broche 3), comme montré.

Oscillateur Astable avec Cycle de Service de 50%

L’oscillateur 555 produit maintenant un cycle de service de 50 % car le condensateur de chronométrage, C, charge et décharge maintenant à travers la même résistance, R2, plutôt que de se décharger à travers la broche de décharge du chronomètre 7 comme auparavant.

Lorsque la sortie de l’oscillateur 555 est HAUTE, le condensateur se charge à travers R2 et lorsqu’il est FAIBLE, il se décharge à travers R2. La résistance R1 est utilisée pour s’assurer que le condensateur se charge complètement à la même valeur que la tension d’alimentation.

Cependant, puisque le condensateur charge et décharge à travers la même résistance, l’équation ci-dessus pour la fréquence de sortie des oscillations doit être modifiée légèrement pour refléter ce changement de circuit. Alors la nouvelle équation pour l’oscillateur astable 555 à 50 % de cycle de service est :

Équation de Fréquence pour un Cycle de Service de 50%

Notez que la résistance R1 doit être suffisamment élevée pour s’assurer qu’elle n’interfère pas avec la charge du condensateur pour produire le cycle de service requis de 50 %. De plus, changer la valeur du condensateur de chronométrage, C, modifie la fréquence d’oscillation du circuit astable.

Applications de l’Oscillateur 555

Nous avons dit précédemment que le courant de sortie maximal pour soit absorber soit fournir le courant de charge via la broche 3 est d’environ 200 mA et cette valeur est largement suffisante pour piloter ou commuter d’autres logiques IC, quelques LED ou une petite lampe, etc., et qu’il nous faudrait utiliser un transistor bipolaire ou un MOSFET pour amplifier la sortie du 555 afin de conduire des charges plus importantes telles que des moteurs ou des relais.

Cependant, l’Oscillateur 555 peut également être utilisé dans une large gamme de circuits générateurs de formes d’onde et d’applications qui nécessitent très peu de courant de sortie, comme dans des équipements de test électroniques pour produire une large gamme de différentes fréquences de test.

Le 555 peut également être utilisé pour produire de très précises formes d’onde sinusoïdales, carrées et d’impulsions, ou en tant que clignoteurs de LED ou de lampes pour des circuits simples de bruit comme des métronomes, des générateurs d’effets sonores et même des jouets musicaux pour Noël.

Nous pourrions très facilement construire un simple circuit oscillateur 555 pour faire clignoter quelques LED “ALLUMÉ” et “ÉTEINT” comme celui montré, ou pour produire un bruit à haute fréquence à partir d’un haut-parleur. Mais un projet scientifique très simple et amusant utilisant un oscillateur 555 basé sur un astable est celui d’un Métronome Électronique.

Les métronomes sont des dispositifs utilisés pour marquer le temps dans des morceaux de musique en produisant un rythme musical régulier et récurrent ou un clic. Un simple métronome électronique peut être fabriqué en utilisant un oscillateur 555 comme principal dispositif de chronométrage, et en ajustant la fréquence de sortie de l’oscillateur, le tempo ou les “Battements par minute” peut être réglé.

Par exemple, un tempo de 60 battements par minute signifie qu’un battement se produira chaque seconde et en termes électroniques, cela équivaut à 1 Hz. Ainsi, en utilisant certaines définitions musicales très courantes, nous pouvons facilement construire un tableau des différentes fréquences requises pour notre circuit de métronome, comme montré ci-dessous.

Tableau de Fréquence du Métronome

La plage de fréquences de sortie du métronome a été simplement calculée comme le réciproque de 1 minute ou 60 secondes divisé par le nombre de battements par minute requis, par exemple (1/(60 secs / 90 bpm) = 1.5Hz) et 120 bpm équivaut à 2 Hz, et ainsi de suite. Donc, en utilisant notre équation familière ci-dessus pour calculer la fréquence de sortie d’un circuit astable de l’oscillateur 555, les valeurs individuelles de R1, R2 et C peuvent être trouvées.

Le temps de la forme d’onde de sortie pour un oscillateur 555 astable est donné par :

Pour notre circuit de métronome électronique, la valeur de la résistance de chronométrage R1 peut être trouvée en réarrangeant l’équation ci-dessus :

En supposant une valeur de résistance R2 = 1kΩ et un condensateur C = 10uF, la valeur de la résistance de chronométrage R1 pour notre plage de fréquence est donnée comme 142k3Ω à 60 battements par minute jusqu’à 46k1Ω à 180 battements par minute, de sorte qu’une résistance variable (potentiomètre) de 150kΩ serait plus que suffisante pour que le circuit de métronome produise toute la gamme de battements nécessaires et plus encore. Ensuite, le circuit final pour notre exemple de métronome électronique serait donné comme :

Métronome Électronique 555

Ce simple circuit de métronome démontre juste une seule manière simple d’utiliser un oscillateur 555 pour produire un son ou une note audible. Il utilise un potentiomètre de 150kΩ pour contrôler toute la gamme d’impulsions ou de battements de sortie, et comme il a une valeur de 150kΩ, il peut être facilement calibré pour donner une valeur en pourcentage équivalente correspondant à la position du potentiomètre. Par exemple, 60 battements par minute équivalent à 142.3kΩ ou 95% de rotation.

De même, 120 battements par minute équivalent à 70.1kΩ ou 47% de rotation, etc. Des résistances supplémentaires ou des trimmers peuvent être connectés en série avec le potentiomètre pour préréglez les limites supérieure et inférieure des sorties à des valeurs prédéfinies, mais ces composants supplémentaires devront être pris en compte lors du calcul de la fréquence de sortie ou de la période de temps.

Bien que le circuit ci-dessus soit un exemple très simple et amusant de génération de son, il est possible d’utiliser l’Oscillateur 555 comme un générateur de bruit/synthétiseur ou pour produire des sons musicaux, des tonalités et des alarmes en construisant un générateur d’ondes à fréquence variable et à rapport marque/espace variable.

Dans ce tutoriel, nous avons utilisé un seul circuit oscillateur 555 pour produire un son, mais en cascade de deux puces d’oscillateur 555 ou plus, divers circuits peuvent être construits pour produire toute une gamme d’effets musicaux et sonores. Un de ces circuits de nouveauté est la sirène de police “Dee-Dah” donnée dans l’exemple ci-dessous.

Sirène de Police “Dee-Dah” de l’Oscillateur 555

Le circuit simule un signal d’alarme à tonalité fluctuante qui imite le son d’une sirène de police. IC1 est connecté comme un multivibrateur astable asynchrone de 2 Hz, qui est utilisé pour moduler la fréquence de IC2 via la résistance de 10kΩ. La sortie de IC2 alterne symétriquement entre 300 Hz et 660 Hz, prenant 0,5 seconde pour compléter chaque cycle d’alternance.