РадіоКот :: Теорія і практика застосування таймера 555. Частина перша.

>>

Теорія і практика застосування таймера 555. Частина перша.

Напевно немає такого радіоаматора (Мяу, і його кота! - Тут і далі прим. Кота), який не використав би в своїй практиці цю чудову мікросхему. Ну а вже чули про неї так точно все.

Її історія почалася в 1971 році, коли компанія Signetics Corporation випустила мікросхему SE555 / NE555 під назвою "Інтегральний таймер" (The IC Time Machine).
На той момент це була єдина "таймерна" мікросхема доступна масовому споживачеві. Відразу після надходження в продаж мікросхема завоювала шалену популярність і серед любителів і серед професіоналів. З'явилася купа статей, описів, схем, які використовують цей девайс.
За минулі 35 років практично кожен поважаючий себе виробник напівпровідників вважав свої боргом випустити свою версію цієї мікросхеми, в тому числі і по більш сучасним техпроцесами. Наприклад, компанія Motorola випускає CMOS версію MC1455. Але при всьому при цьому у функціональності і розташуванні висновків ніяких відмінностей у всіх цих версій немає. Всі вони повні аналоги один одного.
Наші вітчизняні виробники теж не залишилися осторонь і випускають цю мікросхему під назвою КР1006ВІ1.

А ось список заморських виробників, які випускають таймер 555 і їх комерційні позначення:

Виробник

Назва мікросхеми

ECG Philips

ECG955M

Exar

XR-555

Fairchild

NE555

Harris

HA555

Intersil

SE555 / NE555

Lithic Systems

LC555

Maxim

ICM7555

Motorola

MC1455 / MC1555

National

LM1455 / LM555C

NTE Silvania

NTE955M

Raytheon

RM555 / RC555

RCA

CA555 / CA555C

Sanyo

LC7555

Texas Instruments

SN52555 / SN72555

У деяких випадках зазначено дві назви. Це означає, що випускається дві версії мікросхеми - громадянська, для комерційного застосування і військова. Військова версія відрізняється більшою точністю, широким діапазоном робочих температур і випускається в металевому або керамічному корпусі. Ну і дорожче, зрозуміло.

Почнемо з корпусу і висновків.

Мікросхема випускається в двох типах корпусів - пластиковому DIP і круглому металевому. Правда, в металевому корпусі вона все ж випускалася - зараз залишилися тільки DIP-корпусу. Але на випадок, якщо вам раптом дістанеться таке щастя, привожу обидва малюнка корпусу. Призначення висновків однакові в обох корпусах. Крім стандартних, випускається ще два різновиди мікросхем - 556 і 558. 556 - це здвоєна версія таймера, 558 - зчетверена.

Функціональна схема таймера показана на малюнку прямо над цією пропозицією.
Мікросхема містить близько 20 транзисторів, 15 резисторів, 2 діода. Склад і кількість компонентів можуть несуттєво змінюватися в залежності від виробника. Вихідний струм може досягати 200 мА, споживаний - на 3 6 мА більше. Напруга харчування може змінюватися від 4,5 до 18 вольт. При цьому точність таймера практично не залежить від зміни напруги живлення і становить 1% від розрахункового. Дрейф становить 0,1% / вольт, а температурний дрейф - 0,005% / С.

Тепер ми подивимося на принципову схему таймера і перемиємо йому кістки, вірніше ноги - який висновок для чого потрібен і що все це означає.

Отже, висновки (Мяу! Це він про ноги ...):

1. Земля. Особливо коментувати тут нічого - висновок, який підключається до мінуса харчування і до загального проводу схеми.

2. Запуск. Вхід компаратора №2. При подачі на цей вхід імпульсу низького рівня (не більше 1/3 Vпіт) таймер запускається і на виході встановлюється напруга високого рівня на час, який визначається зовнішнім опором R (Ra + Rb, см. Функціональну схему) і конденсатором С - це так званий режим моностабільний мультивибратора. Вхідний імпульс може бути як прямокутним, так і синусоїдальним. Головне, щоб за тривалістю він був коротший, ніж час заряду конденсатора С. Якщо ж вхідний імпульс по тривалості все-таки перевищить цей час, то вихід мікросхеми буде залишатися в стані високого рівня до тих пір, поки на вході не встановиться знову високий рівень. Струм, споживаний входом, не перевищує 500нА.

3. Вихід. Вихідна напруга змінюється разом з напругою живлення і так само Vпіт-1,7В (високий рівень на виході). При низькому рівні вихідна напруга дорівнює приблизно 0,25В (при напрузі живлення + 5в). Перемикання між станами низький - високий рівень відбувається приблизно за 100 нс.

4. Скидання. При подачі на цей висновок напруги низького рівня (не більше 0,7 В) відбувається скидання виходу в стан низького рівня не залежно від того, в якому режимі знаходиться таймер на даний момент і чим він займається. Reset, знаєте, він і в Африці reset. Вхідна напруга не залежить від величини напруги живлення - це TTL-сумісний вхід. Для запобігання випадкових скидів цей висновок настійно рекомендується підключити до плюса харчування, поки в ньому немає необхідності.

5. Контроль. Цей висновок дозволяє отримати доступ до опорної напруги компаратора №1, що дорівнює 2 / 3Vпіт. Зазвичай, цей висновок не використовується. Однак його використання може вельми істотно розширити можливості управління таймером. Вся справа в тому, що подачею напруги на цей висновок можна управляти тривалістю вихідних імпульсів таймера і таким чином, забити на RC времязадающей ланцюжок. Подається напруга на цей вхід в режимі моностабільний мультивибратора може становити від 45% до 90% напруги харчування. А в режимі мультивібратора від 1,7В до напруги харчування. При цьому ми отримуємо ЧС (FM) модульований сигнал на виході. Якщо ж цей висновок таки не використовується, то його рекомендується підключити до загального проведення через конденсатор 0,01мкФ (10нФ) для зменшення рівня перешкод і всяких інших неприємностей.

6. Зупинка. Цей висновок є одним з входів компаратора №1. Він використовується як такий собі антипод виведення 2. Тобто використовується для зупинки таймера і приведення виходу в стан (Мяу! Тихій паніки ?!) низького рівня. При подачі імпульсу високого рівня (не менше 2/3 напруги живлення), таймер зупиняється, і вихід скидається в стан низького рівня. Так само як і на висновок 2, на цей висновок можна подавати як прямокутні імпульси, так і синусоїдальні.

7. Розряд. Цей висновок приєднаний до колектора транзистора Т6, емітер якого з'єднаний з землею. Таким чином, при відкритому транзисторі конденсатор С розряджається через перехід колектор-емітер і залишається в розрядженому стані поки не закриється транзистор. Транзистор відкритий, коли на виході мікросхеми низький рівень і закритий, коли вихід активний, тобто на ньому високий рівень. Цей висновок може також застосовуватися як допоміжний вихід. Здатність навантаження його приблизно така ж, як і у звичайного виходу таймера.

8. Плюс харчування. Як і у випадку з висновком 1 особливо нічого не скажеш. Напруга живлення таймера може перебувати в межах 4,5-16 вольт. У військових версій мікросхеми верхній діапазон знаходиться на рівні 18 вольт.

Ввібрали? Їдемо далі.
Більшість таймерів потребують времязадающей ланцюжку, зазвичай складається з резистора і конденсатора. Таймер 555 не виняток. Давайте подивимося на діаграму роботи мікросхеми.

Отже, припустимо, що ми подали харчування на мікросхему. Вхід знаходиться в стані високого рівня, на виході - низький рівень, конденсатор С розряджений. Все спокійно, все сплять. І тут БАХ - ми подаємо серію прямокутних імпульсів на вхід таймера. Що відбувається?
Перший же імпульс низького рівня перемикає вихід таймера в стан високого рівня. Транзистор Т6 закривається і конденсатор починає заряджатися через резистор R. Весь той час поки конденсатор заряджається, вихід таймера залишається у включеному стані - на ньому зберігається високий рівень напруги. Як тільки конденсатор зарядиться до 2/3 напруги живлення, вихід мікросхеми вимикається і на ньому з'являється низький рівень. Транзистор T6 відкривається і конденсатор С розряджається.
Однак є два нюанси, які показані на графіку пунктирними лініями.
Перший - якщо після закінчення заряду конденсатора на вході зберігається низький рівень напруги - в такому випадку вихід залишається активним - на ньому зберігається високий рівень до тих пір, поки на вході не з'явиться високий рівень. Другий - якщо ми активуємо вхід Скидання напругою низького рівня. У цьому випадку вихід відразу ж вимикається, не дивлячись на те, що конденсатор все ще заряджається.
Так, ліричну частину закінчили - перейдемо до суворих цифрам і розрахунками. Як же нам визначити час, на яке буде включатися таймер і номінали RC ланцюжка, необхідні для завдання цього часу? Час, за яке конденсатор заряджається до 63,2% (2/3) напруги живлення називається тимчасової константою, позначимо її буквою t. Обчислюється цей час приголомшливою за своєю складністю формулою. Ось вона: t = R * C, де R - опір резистора в мега-ах, С - ємність конденсатора в мікрофарадах-ах. Час виходить в секундах.

До формули ми ще повернемося, коли будемо детально розглядати режими роботи таймера. А зараз поки подивимося на простенький тестер для цієї мікросхеми, який запросто скаже вам - працює ваш екземпляр таймера чи ні.

Якщо після включення живлення блимають обидва світлодіода - значить все добре і мікросхема в цілком робочому стані. Якщо ж хоча б один з діодів не горить або навпаки - горить постійно, значить таку мікросхеми можна спустити в унітаз з чистою совістю або повернути назад продавцеві, якщо ви її тільки що купили. Напруга харчування - 9 вольт. Наприклад, від батареї "Крона".

Тепер розглянемо режими роботи цієї мікросхеми.
Власне кажучи, режимів у неї дві штуки. Перший - моностабільний мультивибратор. Моностабільний - тому що стабільний стан у такого мультивібратора одне - вимкнений. А у включений стан ми його перекладаємо тимчасово, подавши на вхід таймера будь-якої сигнал. Як вже зазначалося вище, час, на яке мультивибратор переходить в активний стан, визначається RC ланцюжком. Ці властивості можуть бути використані в найрізноманітніших схемах. Для запуску чогось на певний час або навпаки - для формування паузи на заданий час.

Другий режим - це генератор імпульсів. Мікросхема може видавати послідовність прямокутних імпульсів, параметри яких визначаються все тієї ж RC ланцюжком. (Мяу! Хочу ланцюжок. На хвіст. Ну або браслетик. Антистатический.)
Все-таки Кот у нас - зануда.
Почнемо спочатку, тобто з першого режиму.

Схема включення мікросхеми показана на малюнку. RC ланцюжок включена між плюсом і мінусом харчування. До з'єднанню резистора і конденсатора підключений вивід 6 - Зупинка. Це вхід компаратора №1. Сюди ж підключений висновок 7 - Розряд. Вхідний імпульс подається на висновок 2 - Запуск. Це вхід компаратора №2. Абсолютно простацька схема - один резистор і один конденсатор - куди вже простіше? Для підвищення завадостійкості можна підключити висновок 5 на загальний провід через конденсатор ємністю 10нФ.
Отже, в початковому стані, на виході таймера низький рівень - близько нуля вольт, конденсатор розряджений і заряджатися не хоче, оскільки відкритий транзистор Т6. Це стан стабільний, воно може тривати невизначено довгий час. При надходженні на вхід імпульсу низького рівня, спрацьовує компаратор №2 і перемикає внутрішній тригер таймера. В результаті на виході встановлюється високий рівень напруги. Транзистор Т6 закривається і починає заряджатися конденсатор С через резистор R. Весь той час, поки він заряджається, на виході таймера зберігається високий рівень. Таймер не реагує ні на які зовнішні подразники, якщо вони надходять на висновок 2. Тобто, після спрацьовування таймера від першого імпульсу подальші імпульси не роблять ніякого впливу на стан таймера - це дуже важливо. Так, що там у нас відбувається те? А, так - заряджається конденсатор. Коли він зарядиться до напруги 2 / 3Vпіт, спрацює компаратор №1 і в свою чергу переключить внутрішній тригер. В результаті на виході встановиться низький рівень напруги, і схема повернеться в своє початкове, стабільний стан. Транзистор Т6 відкриється і розрядить конденсатор С.

Час, на яке таймер, так би мовити "виходить з себе", може бути від однієї мілісекунди до сотень секунд.
Вважається воно так: T = 1.1 * R * C
Теоретично, меж по тривалості імпульсів немає - як по мінімальній тривалості, так і за максимальною. Однак, є деякі практичні обмеження, які обійти можна, але спочатку варто задуматися - чи потрібно це робити і чи не простіше вибрати інше схемне рішення.
Так, мінімальні значення, встановлені практичним чином для R становить 10кОм, а для С - 95пФ. Чи можна менше? В принципі так. Але при цьому, якщо ще зменшити опір резистора - схема почне тріскати занадто багато електрики. Якщо зменшити ємність С, то всякі паразитні ємності і перешкоди можуть істотно вплинути на роботу схеми.
З іншого боку, максимальне значення резистора приблизно дорівнює 15Мом. Тут обмеження накладає струм, споживаний входом Зупинка (близько 120нА) і струм витоку конденсатора С. Таким чином, при занадто великому значенні резистора таймер просто ніколи не вимкнеться, якщо сума струмів витоку конденсатора і струму входу перевищить 120 нА.
Ну а що стосується максимальної місткості конденсатора, то справа не стільки в самій ємності, скільки в струмі витоку. Зрозуміло, що чим більше ємність, тим більше струм витоку і тим гірше буде точність таймера. Тому, якщо таймер буде використовуватися для великих часових інтервалів, то краще користуватися конденсаторами з малими струмами витоку - наприклад, танталовими.

Перейдемо до другого режиму.

У цю схему доданий ще один резистор. Входи обох компараторів з'єднані і підключені до з'єднання резистора R2 і конденсатора. Висновок 7 включений між резисторами. Конденсатор заряджається через резистори R1 і R2.
Тепер подивимося, що ж станеться, коли ми подамо харчування на схему. У початковому стані конденсатор розряджений і на входах обох компараторів низький рівень напруги, близький до нуля. Компаратор №2 перемикає внутрішній тригер і встановлює на виході таймера високий рівень. Транзистор Т6 закривається і конденсатор починає заряджатися через резистори R1 і R2.

Коли напруга на конденсаторі досягає 2/3 напруги живлення, компаратор №1 в свою чергу перемикає тригер і вимикає вихід таймер - напруга на виході стає близьким до нуля. Транзистор Т6 відкривається і конденсатор починає розряджатися через резистор R2. Як тільки напруга на конденсаторі опуститься до 1/3 напруги живлення, компаратор №2 знову перемкне тригер і на виході мікросхеми знову з'явиться високий рівень. Транзистор Т6 закриється і конденсатор знову почне заряджатися ... фууу, чет у мене голова закрутилася вже.
Коротше кажучи, в результаті всього цього шаманства, на виході ми отримуємо послідовність прямокутних імпульсів. Частота імпульсів, як ви ймовірно вже здогадалися, залежить від величин C, R1 і R2. Визначається вона за формулою:

Значення R1 і R2 підставляються в Омах, C - у Фарада, частота виходить в Герцах.
Час між початком кожного наступного імпульсу називається періодом і позначається літерою t. Воно складається з тривалості самого імпульсу - t1 і проміжком між імпульсами - t2. t = t1 + t2.
Частота і період - поняття зворотні один одному і залежність між ними така:
f = 1 / t.
t1 і t2 зрозуміло теж можна і потрібно порахувати. Ось так:
t1 = 0.693 (R1 + R2) C;
t2 = 0.693R2C;
Ну, з теоретичною частиною начебто покінчили. В наступній частині розглянемо конкретні приклади включення таймера 555 в різних схемах і для найрізноманітнішого використання.
Якщо у вас ще залишилися питання - їх можна задати тут .

Ці статті вам теж можуть стати в нагоді: