Site Loader
Posted on 28.02.2023

Интегральный таймер NE555 и его применение


Когда в 1972 году началось производство микросхемы интегрального таймера NE555, никто не предполагал, что и через пятьдесят лет она не утратит популярности, а к названию таймера будут добавлять слово «легендарный».

В данной публикации мы разберём основные применения легендарного таймера 555 и аккуратно заглянем ему «под капот».
Приведённые в качестве примера схемы и временные диаграммы работы этих схем созданы с помощью SPICE-симулятора TINA TI V9 (версия 9.3.150.328). Модель интегрального таймера NE555 взята из стандартной библиотеки симулятора.

Важная информация: параметры генератора, применённого в примерах с триггером Шмитта и ждущим мультивибратором, задавались через свойства генератора и вызванный оттуда «Редактор сигнала». Анализатор переходных процессов запускался с выбранной опцией «Нулевые начальные условия».

Применение таймера 555 в качестве RS-триггера


Наиболее простым применением интегрального таймера 555 является использование его в качестве RS-триггера. «Классический» RS-триггер имеет два устойчивых состояния, переход между которыми осуществляется подачей управляющих сигналов на входы сброса и установки. Схема включения таймера 555 в качестве RS-триггера приведена ниже:


В качестве входа S (Set, установка) используется вход «TRIG»: при нажатии на кнопку «TRIG» вход микросхемы подключается к общему проводу, а на выходе — устанавливается высокий логический уровень.

В качестве входа R (Reset, сброс) используется вход «THRES»: при нажатии на кнопку «THRES» на вход микросхемы подаётся напряжение питания, а выход микросхемы переходит в сброшенное состояние.

Важным элементом схемы является «подтягивающий» резистор R2. Без него на выходе микросхемы сразу после включения устанавливается высокий логический уровень, и устройство на нажатие кнопок не реагирует. Переходные процессы при включении RS-триггера без «подтягивающего» резистора R2 представлены на графике справа:


При наличии «подтягивающего» резистора на входе «TRIG» на выходе микросхемы при включении устанавливается низкий логический уровень (состояние сброса), а устройство изменяет состояние в зависимости от состояния входов. График переходных процессов при включении RS-триггера с «подтягивающим» резистором представлен ниже:

Структурная схема таймера 555


Чтобы разобраться с не совсем характерным для «классического» RS-триггера поведением микросхемы, изучим её структурную схему. Для примера возьмём интегральный таймер NE555 производства TI. Выглядит структурная схема достаточно любопытно:


В центре композиции находится асинхронный RS-триггер, к инверсному выходу которого подключён инвертирующий выходной буфер и транзисторный ключ с открытым коллектором. Сброс триггера производится или сигналом низкого логического уровня на входе 4 «RESET», или сигналом высокого логического уровня на выходе верхнего по схеме компаратора. Установка триггера производится сигналом высокого логического уровня на выходе нижнего по схеме компаратора.

Пороги срабатывания компараторов установлены делителем напряжения из трёх резисторов. Напряжение верхнего порога срабатывания подаётся на вывод 5 «CONT».

Установка RS-триггера происходит при подаче на вход 2 «TRIG» напряжения ниже нижнего порога срабатывания при условии, что на входе «RESET» присутствует напряжение высокого уровня.

Сброс RS-триггера происходит при подаче на вход 6 «THRES» напряжения выше верхнего порога срабатывания при условии, что на входе «RESET» присутствует напряжение высокого уровня, и напряжение на входе «TRIG» — выше нижнего порога срабатывания.

Таким образом, наивысший приоритет имеет вход «RESET», а вход «TRIG» имеет приоритет выше, чем у входа «THRES». При включении NE555 по схеме RS-триггера без «подтяжки» по входу «TRIG» на входе «TRIG» всегда будет присутствовать напряжение ниже нижнего порога срабатывания, а выход будет переходить в состояние сброса только на время подачи сигнала низкого уровня на вход «RESET».

Сразу хочу сделать акцент и заострить внимание: в большинстве источников пороги срабатывания компараторов обозначены как 2/3 Ucc и ⅓ Ucc, а вывод «CONT» используется как выход, зашунтированный конденсатором ёмкостью 0,01 мкФ, или же никуда не подключённый, но с выводом 5 «CONT» не всё так просто.

В datasheet от TI «xx555 Precision Timers. SLFS022I — September 1973 — Revised September 2014» вывод 5 обозначен как I/O, а пороги срабатывания обозначены как «CONT» и »½ CONT». Это означает, что уровни порогов срабатывания компараторов не «прибиты намертво» к напряжению питания таймера, а могут варьироваться в широких пределах подачей на вход «CONT» управляющего напряжения. Если управляющее напряжение на вывод 5 не подаётся, он используется как выход «CONT» с подключённым к нему шунтирующим конденсатором 0,01 мкФ, а верхний порог срабатывания в этом случае CONT = 2/3 Ucc.

Применение шунтирующего конденсатора повышает устойчивость работы микросхемы и её помехозащищённость. Также не стоит забывать про подключение к цепям питания микросхемы блокировочных конденсаторов.

Диапазон напряжения питания большинства моделей таймеров 555 серии от 4,5 до 16 В (до 18 В для некоторых моделей), потребляемый ток варьируется от долей до единиц миллиампера (в зависимости от модели), выходной каскад большинства моделей способен выдерживать ток до 200 мА.

Применение таймера 555 в качестве триггера Шмитта


Триггер Шмитта применяется для преобразования входного сигнала непрямоугольной формы в выходной сигнал прямоугольной формы. Характерной особенностью работы триггера Шмитта является наличие гистерезиса, который определяется шириной «окна» между уровнями срабатывания триггера.

Использование таймера 555 в качестве триггера Шмитта является ещё одним из применений этой микросхемы. Для этого надо подать входной сигнал на соединённые вместе входы «TRIG» и «THRES» таймера. Амплитуда и смещение входного сигнала должны быть такими, чтобы сигнал перекрывал «окно», образованное порогами срабатывания компараторов.

На рисунке ниже на вход триггера Шмитта подаётся сигнал треугольной формы с амплитудой 2 В и смещением Uoffset = 2,5 В, равным половине напряжения питания Ucc. Частота сигнала 1000 Гц. При этом верхний порог срабатывания компаратора Ucont = 2/3 Ucc = 3,33 В, а нижний порог срабатывания компаратора ½ Ucont = ⅓ Ucc = 1,67 В.


На графике мы видим преобразование входного периодического сигнала треугольной формы в классический меандр с DC = 50%, где DC — аббревиатура от «duty cycle» (коэффициент заполнения). Входной сигнал может быть любой формы, «треугольник» в качестве входного сигнала был выбран из соображений наглядности.

Попробуем применить вывод 5 «CONT» в качестве входа и подать на него напряжение 4 В от внешнего источника. Изменения выходного сигнала представлены на рисунке ниже:


Мы видим, что при том же периоде выходного сигнала его коэффициент заполнения увеличился. Это связано с тем, что «окно» компаратора сдвинулось вверх и расширилось.

Теперь подадим на вход «CONT» напряжение 2 В:


Коэффициент заполнения уменьшился за счёт того, что «окно» сдвинулось вниз и сузилось.

Вышеприведённые примеры иллюстрируют возможность широтно-импульсной модуляции (ШИМ) входного периодического сигнала напряжением на входе «CONT».

Применение вывода 5 «CONT» в качестве входа также даёт возможность сужения «окна» компаратора для преобразования сигналов с небольшим значением амплитуды. Важно чтобы входной сигнал при этом имел смещение, при котором он оставался бы в рамках напряжения питания таймера.

Применение таймера 555 в качестве мультивибратора


Мультивибратором называют релаксационный генератор с выходным сигналом прямоугольной формы. Релаксационным он является в силу того, что элементы мультивибратора не обладают резонансными свойствами.

Схема мультивибратора на таймере 555 и диаграмма его работы приведены на рисунке ниже:


В момент включения на выходе микросхемы устанавливается высокий логический уровень, транзисторный ключ закрывается, сопротивление выхода «DISC» высокое. Конденсатор C2 заряжается через включённые последовательно резисторы R1 и R2 до напряжения Ucont, на выходе микросхемы устанавливается низкий логический уровень, транзисторный ключ открывается и подключает точку соединения резисторов R1 и R2 к общему проводу. Конденсатор C2 разряжается через резистор R2, пока напряжение на нём не достигнет уровня ½ Ucont, на выходе таймера не установится высокий логический уровень, транзисторный ключ не закроется, и конденсатор снова не начнёт заряжаться через включённые последовательно резисторы R1 и R2.

В режиме автогенерации длительность высокого уровня выходного сигнала мультивибратора на таймере 555 равна:

При этом, длительность низкого уровня сигнала:
а период равен:
Из формул видно, что временные характеристики мультивибратора на таймере 555 определяются номиналами элементов R1, R2, C2 и не зависят от напряжения питания микросхемы.

Подадим на вход «CONT» напряжение 4 В от внешнего источника:


Период выходного сигнала и его коэффициент заполнения увеличились.

При подаче на вход «CONT» напряжения 2 В период выходного сигнала и его коэффициент заполнения уменьшаются:


Можно сделать вывод, что изменение напряжения на входе «CONT» приводит к частотно-импульсной модуляции (ЧИМ) выходного сигнала мультивибратора.

Применение таймера 555 в качестве ждущего мультивибратора


Ждущий мультивибратор (одновибратор) предназначен для формирования импульса определённой длительности по внешнему событию.

Обычно в качестве внешнего события используется замыкание входа «TRIG» на общий провод нажатием кнопки, но мы вместо кнопки в эмуляторе будем использовать генератор сигналов, настроенный на одиночный импульс низкого уровня длительностью 10 мс:


Как видно из временной диаграммы работы ждущего мультивибратора на таймере 555, по получению импульса схема формирует на выходе сигнал длительностью около 2,2 с. Длительность сигнала определяется по формуле:
Хотелось бы заострить внимание на том, что длительность выходного сигнала ждущего мультивибратора на таймере 555 тоже не зависит от напряжения питания.

▍ От автора


В публикации проведён краткий обзор интегрального таймера 555 и его основных применений. Большинство приведённых в публикации устройств может быть реализовано на микроконтроллерах, но аналоги NE555 по-прежнему выпускаются промышленностью по причине дешевизны и надёжности.

Важной особенностью схем на таймере 555 является то, что временные характеристики этих схем не зависят от напряжения питания, а расчёт этих характеристик производится по простым формулам или диаграммам.

Заслуженной популярностью таймер 555 пользуется у начинающих радиолюбителей: он недорогой, корпус DIP-8 легко устанавливается в беспаечную плату, требуется минимум «обвязки». И что очень важно для мотивации начинающих: схемы на таймере 555 начинают работать сразу после правильной сборки.

Вот пример простейшего генератора на NE555:


А такое реле времени по схеме из раздела про ждущий мультивибратор 12-летний подросток собирает за полчаса:


…и всё это началось пятьдесят лет назад, и, надеюсь, закончится нескоро.

© Habrahabr.ru

Таймер 555. Главные свойства и характеристики данного таймера

Микросхема таймер 555 и 556

Не смотря на то, что большинство читателей хотят получить «качественный» продукт, используя светодиоды, с наименьшими затратами, нам так или иначе приходится публиковать статьи, где схемы на светодиодах используют микросхемы. И это не наша прихоть. Это дань технологиям. Ни один уважающий в настоящее время себя радиоэлектроник не  гнушается ( а постоянно ) пользуется микросхемами.

При производстве разнообразной светодиодной продукции огромное место занимает таймер 555.

Что из себя представляет данный таймер 555 и как он работает – главная задача этой статьи.

Таймер 555 – простое в использовании устройство, о множеством возможных применений. Он широко используется во всевозможных схемах, и это только усиливает его популярность и соответственно повышает спрос на продукцию, а это удешевляет сам таймер 555, что радует радиомастеров. Отметим, что таймер 555 также выпускается в «двойном» формате. И называется таймер 556. Он включает два независимых IC 555 в одном корпусе.[szapisi]

На рисунке предоставлена Вашему вниманию микросхема таймера 555 ( 8-контактов ) и таймер 556 ( 14-контактов ).

Микросхема таймер 555 и 556

В разнообразных схемах таймер 555 изображается следующим образом. Обращайте внимание, что на фото внизу вывода немного отличаются от фактически расположенных на чипе. Это делается для того, что таким образом легко распознается каждый вывод, его функция и легко рисуется сама схема.

На схемах изображение

Позиционирование таймера 555 основывается на аналоговых и цифровых электронных технологиях. Если его рассматривать на выход, то его рассматривают как цифровое устройство. Выход может быть в двух состояниях – низкое состояние ( 0 В ) и высокое состояние ( от 4,5 до 15 В ), в зависимости от блока питания может быть 18 В.

Моностабильный режим – этот режим таймера 555 функционирует как «одноразовый-односторонний». Такой режим может включать таймеры, переключатели, сенсорные переключатели, делители частоты и т.д.

Нестабильный – автономная функция работы таймера 555. Такая функция позволяет работать в режиме генератора. Используют ее во включении светодиодные лампы, логической части часов и т.п.

И последний – бистабильный режим. Или триггер Шмитта. Понятно, что в таком случае таймер 555 работает как триггер, если нет конденсатора.

Рассмотрим вывода ( контакты ) таймера 555.

При составлении схемы, таймер 555 всегда изображают в таком виде, как Вы можете видеть на рисунке. Со всеми выводами ( pin ), расположенными на данном таймере.

Ниже мы расшифруем назначение каждого из выводов.

Вывод 1. ( Контакт. Pin )

Земля.

Данный вывод подсоединяется к минусу питания ( общему проводу схемы ).

Вывод 2. ( Триггер )

Данный вывод дает возможность устанавливать высокое напряжение на время ( в зависимости от резистора и конденсатора. Это есть моностабильность. У вывода 2 есть контроль над 6 пином. Если напряжение 2 вывода и 6 контакта низкое, то напряжение на выходе высокое. В противном случае если пин 6 «высокий». А 2 низкий, то и выход на таймере 555 будет низким. Этот вывод имеет низкое высокое сопротивление.

Вывод 3. ( Выход )

Выходы 3 и 7 находятся в фазе. Подавая высокое ( около 2 В ) и низкое около 0,5 В будет выходить до 200 мА.

Выход 4. ( Сброс )

Подача на этот вывод напряжения низкого уровня сбрасывается выход в низкий уровень, не смотря на то, какой режим занял таймер 555. Дабы оградить себя от случайных сбросов, стоит подключать данный пин к плюсу питания, если Вы его не собираетесь использовать.

Вывод 5 ( Контроль ).

Этот пин позволяет нам иметь доступ к напряжению компаратора №1. Это вывод не нашел особого применения в современном российском электронном мире. Но при его задействовании можно получить расширенные возможности управления таймером 555.

Вывод 6 ( Останов. )

Это один из пинов компаратора №1. И является своим родом «противопоставленником» вывода 2. Его применяют для останова таймера 555 и получая состояние низкого напряжения. Этот вывод принимает ак синусоидальные, так и прямоугольные импульсы.

Вывод 7 ( Разряд. )

Данный пин подсоединен к коллектору транзистора Т6, а эмиттер последнего присоединен к земле. Откры транзистор, конденсатор разряжается, до момента закрытия транзистора.

Вывод 8 ( Плюс питания )

Данный вывод понятно для чего используется. Питание от 4,5 до 18 В.

Что представляет из себя таймер 555 внутри?

Ниже Вы можете увидеть внутренности таймера 555. Или того, что заставляет этот «агрегат» выполнять свою работу. Каждый из выводов таймера 555 подключается к цепи, в которой присутствует не менее 20 транзисторов, 2 диодов и 15 резисторов.

Блок схема таймера 555

На блок схеме таймера, можно увидеть 3 резистора. Они имеют сопротивление 5кОм. Откуда и было взято название для данного таймера 555.

Режимы работы таймера 555

Таймер 555 имеет три основных режима работы – нестабильный, моностабильный и бистабильный. Каждый из режимов «собирает» свою схему. Рассмотрим более подробно каждый из режимов.

Нестабильный режим работы таймера 555.

Нестабильный режим работы таймера 555 График нестабильного режима

Данная схема не имеет стабильного состояния – отсюда и «нестабильность». Выход постоянно «гуляет» высокое и низкое, используя при этом пользователем так называемом «квадрата» волны. Данная схема может использоваться при необходимости подавать механизму прерывистые толчки при кратковременном включении и выключении таймера. Отлично подходит при использовании для светодиодных ламп и импульсных ламп.

 

Моностабильный режим.

Моностабильный режим таймера 555 График моностабильного режима

Схема в моностабильном режиме приведена ниже. В время такой работы происходит импульс заданной длины в ответ на вход триггера, при нажатии кнопки. Выход находится в низком состоянии, до того пока триггер не включится. Отсюда и название – ждущий ( моностабильный ) режим работы таймера 555. Такой принцип подходит для множества применений: в частности на выставках механизм стоит без действия. Пока посетитель не подойдет и не активирует его путем нажатия кнопки.

 

Бистабильный режим ( триггер Шмитта )

Бистабильный режим работы График бистабильной работы

Бистабильный режим работы таймера 55 ( триггер Шмитта ) имеет два устойчивых состояния. Высокое и низкое. Низкое триггера преобразуется в высокое. При сбросе низкого вся система стремится к низкому состоянию. Данная схема часто используется в железнодорожном «строительстве».

Использование ( Output ) выхода 3 таймера 555.

Выход 3 таймера 555 ( Output ) может находиться в двух состояниях. Цифровой выход. Он или подключается непосредственно ко входу другого цифрового драйвера ( микросхемы ) или управляет другими устройствами при помощи нескольких дополнительных компонентов. Первое состояние – это состояние низкое ( напряжение источника питания 0В ), Вторым состоянием принято считать высокое состояние с напряжением Vcc на источнике питания.

Возможности таймера 555

Понижение и источники.

При понижении Output ток текет через устройство и включает его. Это есть ни что иное, как «понижение», так как ток проходящий получается из Vs и идет через устройство и таймер 555 до 0.

Когда Output растет, ток течет через устройство и включает его, этот процесс можно назвать как, источник текущих. Ток в этом случае получается из таймера 555 и идет через устройство до 0.

Понижение и источник могут работать и вместе. Таким образом два устройства будут включаться и выключаться попеременно. Устройство можно применять любое, все, что можно включать и выключать. Это и светодиодные лампы, светодиоды, реле. Двигатели и электромагниты. Единственным недостатком можно отметить то, что устройства стоит подключать к Output пину по разному. Т.к. вывод 3 таймера 555 может быть как поглотителем, так и источником тока до 200 мА. Нужно понимать, что применяемый блок питания должен обеспечивать достаточный ток для двух устройств и

таймера 555.

 

Знакомство с таймером 555

Безусловно, одной из самых известных и любимых ИС всех времен являются таймеры 555, изобретенные Гансом Камензиндом из Signetics в 1968 году. Таймер 555 очень стабилен и прост в использовании, что, вероятно, почему он так популярен.

Таймер 555 может выполнять множество функций, но в основном используется в качестве моностабильных, бистабильных и нестабильных генераторов. В этой статье мы подробно рассмотрим каждый из этих осцилляторов, объяснив, для чего они используются и как их построить..

Что внутри

Вот блок-схема внутренней схемы таймера 555:

Внутренняя блок-схема

К счастью, для его успешного использования не обязательно понимать внутреннюю работу. Есть два компаратора, настроенные на 2/3 Vcc и 1/3 Vcc, за которыми следует сбрасываемый триггер, за которым следует драйвер выходного уровня. Таймер 555 получил свое название от трех резисторов 5k в цепочке порогового делителя от контакта 8 до контакта 1.

Контакты

PIN Описание Функция
1 GND Отрицательный пин -штифт. Когда это напряжение падает ниже 1/3 В пост. тока, на выходе устанавливается высокий уровень, и начинается отсчет времени. Пока он низкий, выход будет оставаться высоким.
3 Выход Выход. Двухтактный выход, высокий или низкий, способный управлять током до 200 мА
4 Сброс Сброс. Сбрасывает временной интервал при заземлении. Если он не используется, его следует подключить к Vcc.
5 Прод. Контроль. Применив V к 2/3 Vcc, синхронизацию можно изменить. В нестабильном режиме он может модулировать частоту на выходе. Если он не используется, его следует подключить к GND с помощью конденсатора 10 нФ.
6 Порог Порог. Когда это напряжение на выводе > 2/3 В пост. тока, время Out high заканчивается, и на выходе появляется низкий уровень.
7 Disch Открытый коллектор может использоваться для разрядки присоединенной крышки; в фазе с выходом, в бистабильном режиме и режиме Шмитта он не используется и может действовать как второй выход.
8 Vcc Положительный контакт питания от 4,5 до 16 В

Моностабильный режим

Моностабильная схема любит принудительно переключаться в противоположное состояние, но может оставаться в одном состоянии (высокий или низкий) период, контролируемый цепью резисторного конденсатора (RC).

Это схема для использования таймера 555 в моностабильном режиме:

Моностабильный

Вывод 2 таймера 555 удерживается ВЫСОКИМ с помощью резистора R2, но в тот момент, когда он становится НИЗКИМ, начинается период синхронизации, и выход на выводе 3 отключается. ВЫСОКИЙ в течение периода, определяемого потенциометром R1 и конденсатором C3. Чтобы рассчитать время, в течение которого контакт 3 будет ВЫСОКИМ, используйте следующее уравнение:

t = 1,1 * R1 * C3

Когда этот период закончится, контакт 3 снова станет НИЗКИМ. Это верно только для входных импульсов длиннее t. Когда контакт 3 становится ВЫСОКИМ, мгновенный контакт 2 становится НИЗКИМ, и если контакт 2 остается НИЗКИМ дольше, чем t, контакт 3 будет оставаться ВЫСОКИМ, пока контакт 2 снова не станет ВЫСОКИМ.

Моностабильные схемы очень полезны для очистки импульса ненадежной длины, чтобы сделать его известной длины, например, расширитель импульса в датчике вибрации охранной сигнализации или схема мгновенного нажатия кнопки.

Для более подробного ознакомления с использованием таймера 555 в моностабильном режиме см. нашу статью 555 Основы таймера — моностабильный режим.

Бистабильный режим

Бистабильная схема может находиться в одном из двух состояний — включенном или выключенном. Бистабильные схемы обычно используются в ячейках памяти, триггерных схемах и устройствах подавления дребезга переключателей.

Это схема для настройки таймера 555 в бистабильном режиме:

Бистабильный с триггером переключателя

Нет времязадающих конденсаторов, так как он только включен или выключен. Тумблер S1 отправит НИЗКИЙ сигнал на контакт 2 или 4, что приведет к изменению состояния выхода. Стоит отметить, что контакт 3 будет ВЫСОКИМ при загрузке, если контакт 2 НИЗКИЙ.

Мы также можем заменить тумблер двумя отдельными кнопками для достижения того же результата:

Бистабильный с кнопочным триггером

Для получения дополнительной информации и примеров проектов, использующих таймер 555 в бистабильном режиме, см. нашу статью 555 Основы таймера — бистабильный режим.

Нестабильный режим

В нестабильном режиме таймер 555 действует как генератор прямоугольных импульсов. Им можно управлять в широком диапазоне частот с помощью одного конденсатора и переменного резистора. Мало того, рабочий цикл можно регулировать.

Вот схема подключения таймера 555 в нестабильном режиме:

Нестабильный

В этой схеме резисторы R1, R2 и C3 управляют временем включения и выключения. И два периода вместе устанавливают частоту выходного прямоугольного сигнала.

Например, взгляните на эту диаграмму:

Поскольку t1=8 мс и t2=13 мс, период (T) равен 8+13 = 21 мс. А так как частота 1/T = 1/21mS = 47,6Гц.

В приведенной выше нестабильной схеме мы можем установить каждую ширину независимо, используя два следующих уравнения:

  • Период (T) = 0,7 * (R1+2R2) * C3
  • Частота = 1/T повлияет на частоту импульсов, а также на рабочий цикл.

    Для более подробного обсуждения таймера 555 в нестабильном режиме см. нашу статью Основы таймера 555 — нестабильный режим.

    В целом, таймер 555 будет существовать еще долго из-за его высокой производительности, простоты использования и надежности. Это тот вид IC, который вы должны всегда держать под рукой.

    Надеюсь, вам понравилось знакомство с таймером 555. Оставьте комментарий ниже, если у вас есть какие-либо вопросы.


    Правильное время | Аналоговые устройства

    к Фредерик Досталь