Daily I Did : 비안정 멀티바이브레이터 회로(with NE555IC) (2022/07/02)

2022/07/02 기말고사도 끝나고, 회로나 가지고 놀고 싶지만 곧 중요한 시험이 또 있어서 간단한 회로만 하나 제작하고, 그 원리와 주기, duty cycle 등을 유도해 보았다.

실제 제작

이번에 제작한 회로는 NE555IC를 이용한 비안정 멀티바이브레이터 회로이다.
디지털 논리회로 설계 및 실험, 4장, 87페이지를 보고 제작했다.

아래는 구현한 회로이다.

555IC 구조

555IC는 다음과 같이 생겼다. NOTCH부터 반시계 방향으로 1~8번 핀이 매겨진다.

핀맵은 다음과 같다.

내부 구조(원리 파악용)

내부 구조(각 소자의 실제 구현, 같은 색으로 칠해진 놈은 같은 회로를 나타낸다.)

2개의 비교기, RS 플립플롭 등으로 이루어져 있다. 각 소자의 자세한 구현은 다음에 알아보고, 비교기와 RS 플립플롭의 동작만 살펴보자.

비교기

비교기는 두 전압을 입력으로 받아, 두 단자 중 어느 쪽의 전압이 더 큰지를 출력하는 놈이다. 위 그림처럼 삼각형에 한쪽 입력에 동그라미를 넣는 경우도 있고, 저 아래 그림처럼 +/-를 새겨넣는 경우도 있는데 출력은 다음과 같이 결정된다.
동그라미가 없는쪽/+가 새겨진 쪽의 전압이 더 클때 High
동그라미가 있는쪽/-가 새겨진 쪽의 전압이 더 클 때 Low

RS 플립플롭

RS 플립플롭은 일시적인 상태를 저장하는 플립플롭으로, R(Reset), S(Set)의 입력과 Q, Qbar의 출력을 가진다. 기초 상태는 R,S가 모두 Low에서 출력 불변, R이 High가 되면 Q는 Low, S가 High면 Q가 High가 된다고 생각하면 된다. 진리표는 다음과 같다.

R	S	Q	Qbar
L	L	불변	불변
L	H	H	L
H	L	L	H
H	H	금지	금지

위 내용을 통해 동작을 설명해보자.

555 IC 비안정 멀티바이프레이터 동작 설명

위 그림은 555 타이머 IC를 비안정 바이브레이터로 사용할 때 내부 구조까지 상세히 표시한 회로도이다. 8번 핀에서 Vcc입력을 받고, 1번핀에서 GND 입력을 받는다. 8번핀과 1번핀 사이에 R,R,R이 보일텐데, 이를 통해 2/3Vcc = 6V, 1/3Vcc = 3V 기준을 세운다.
이후, 비교기를 통해서 (6번핀, 2/3Vcc = 6V), (1/3Vcc = 3V, 2번핀)을 비교해 RS 플립플롭의 입력으로 제공한다. 6번핀, 2번핀 모두 C1의 전압을 통해 제어되므로(C1의 전압 = 6,2번핀의 전압) C1의 전압에 따른 RS 플립플롭의 입력과 출력은 다음과 같다.

(       ~ 1/3Vcc) : R = Low	S = High	->	Q = High	Qbar = Low
(1/3Vcc ~ 2/3Vcc) : R = Low	S = Low		->	Q와 Qbar : 불변
(2/3Vcc ~       ) : R = High	S = Low 	->	Q = Low		Qbar = High

출력 3번 핀은 Qbar에 inverse를 취한 값이므로, 결국 Q를 출력한다고 생각해도 좋다.

실제로 C1의 전압은 다음과 같이 변한다.

위 그래프에서 C1의 전압이 충전되다 방전되다 충전되다를 반복하는 것을 볼 수 있다.
또, C1이 충전될 때는 출력이 VCC, 방전될 때는 출력이 0임을 볼 수 있다.
왜 C1 전압이 저렇게 나오는가는 조금 이따 보고, 위 전압의 변화에 따른 출력부터 살펴보자.

위 그래프를 해석해 보면 다음과 같다.

처음에 0~Vcc로 변할 때 -> 위 결과에서 Q=High, 3번핀 전압 = Vcc
1/3Vcc ~ 2/3Vcc로 변할 때 -> 불변, 즉 3번핀 전압 = Vcc

2/3Vcc peak를 찍는 그 순간 -> Q = Low, 3번핀 전압 = 0
2/3Vcc ~ 1/3Vcc -> 불변, 즉 3번핀 전압 = 0

1/3Vcc peak를 찍는 그 순간 -> Q = High, 3번핀 전압 = Vcc
...

위와 같은 사이클이 반복된다. 이를 통해 클럭 펄스를 만들 수 있다.

그렇다면,

왜 C1의 전압은 위와 같이 변할까? 한번 뜯어보자.
C1과 관련된 소자만 나타내면 다음과 같다.

처음에는 Q = Low이므로 Q1(트랜지스터)는 OFF상태이다. 즉, C1은 R1,R2와 연결된 RC회로를 구성하여 충전된다.

서서히 충전되다가, C1에 걸리는 전압이 2/3Vcc를 넘게 된다면, Q가 Vcc로 바뀌게 됨으로써 Q1이 ON상태가 된다. 즉, GND-C1-R2-GND가 연결되므로, C1이 방전이 시작된다.

이런 원리로 축전기의 전압이 진동함을 알 수 있다. 이때의 주기와 (+)시간, (-)시간을 구해보자.

직류 직렬 RC회로의 전압 관계식은 다음과 같다.

충전시에는 식을 다음과 같이 적을 수 있고,

풀면 다음과 같다.

방전시에는 다음과 같이 식을 적을 수 있고,

풀면 다음과 같다.

C1이 충전되는 동안 3번핀의 출력은 Vcc, 방전되는 동안 출력은 0이므로,
Vcc가 지속되는 시간 T_on = T_charge이고, 0이 지속되는 시간 T_off = T_discharge이다.

즉, 비안정 멀티바이브레이터 회로의 주기와 duty cycle은 다음과 같다.

끝!

참고로 위 경우는 Duty cycle이 항상 50%보다 크다. 더 낮게 하기 위해서는 R2의 양단에 Vcc쪽이 (+)인 다이오드를 달아주면 된다. 그렇게 하면 충전시에는 R1만 거치고, 방전시에는 R2만 거치므로 Duty cycle은 R1 / (R1+R2) * 100% 로 원하는 대로 조정할 수 있다.