Při konstrukci elektronických zařízení je často nutné generovat impulsy dané délky nebo generovat obdélníkový signál s danou frekvencí a určitým poměrem délky a pauzy. Zkušený konstruktér by neměl mít potíže s návrhem takového zařízení z jednotlivých digitálních prvků, ale výhodnější je použít pro tento účel specializovaný čip.
Obsah
Co je NE555 a kde ho lze použít
Model NE555 byl vyvinut v 70. letech a je stále velmi oblíbený mezi profesionály i amatéry. Jedná se o časovač umístěný v 8kolíkovém pouzdře. Je k dispozici ve verzích DIP nebo SMD (povrchová montáž).
Mikroobvod obsahuje dva komparátory, horní a dolní komparátor. Na jejich vstupech je vytvořeno referenční napětí rovné 2/3 a 1/3 napájecího napětí. Dělič je tvořen rezistory rezistor 5 kΩ. Komparátory řídí spouštění RS. K jeho výstupu je připojen vyrovnávací zesilovač a tranzistorový spínač. Každý komparátor má jeden volný vstup a používá se pro externí řídicí signály. Horní komparátor se spustí, když se objeví vysoká úroveň, a nastaví výstup čipu na nízkou úroveň. Dolní komparátor "hlídá" pokles napětí pod 1/3 VCC a nastaví výstup časovače na logickou 1.
Hlavní vlastnosti čipu NE555
Vlastnosti časovačů se mohou u jednotlivých výrobců mírně lišit, ale žádný výrobce nemá zásadní rozdíly (kromě čipů neznámého původu od nich můžete očekávat cokoli):
- Napájecí napětí je standardně specifikováno jako +5 V až +15 V, ačkoli datové listy uvádějí rozsah 4,5...18 V.
- Výstupní proud je 200 mA.
- Výstupní napětí je maximálně VCC minus 1,6 V, ale ne méně než 2 V při napájecím napětí 5 V.
- Spotřeba proudu při 5 V max. 5 mA, při 15 V max. 13 mA.
- Chyba tvorby šířky impulzu - nejvýše 2,25 %.
- Maximální pracovní frekvence je 500 kHz.
Všechny parametry jsou uvedeny pro okolní teplotu +25 °C.
Přiřazení a uspořádání pinů
Bez ohledu na provedení pouzdra jsou výstupy časovače uspořádány standardním způsobem, od 1 do 8, vzestupně proti směru hodinových ručiček (při pohledu shora). Každému pinu je přiřazena jiná funkce:
- GND - je společný napájecí vodič zařízení.
- TRIG - Když je přivedena nízká úroveň, spustí se druhý (ve schématu nižší) komparátor, jehož výstupem je logická jednička, která nastaví vnitřní spouštěč RS na 0. Je k němu připojen externí RC časový řetězec. Má přednost před THR.
- OUT - výstup. Vysoká úroveň signálu je těsně pod napájecím napětím, nízká úroveň signálu je 0,25 V.
- RESET - resetovat. Nezávisle na signálech na ostatních vstupech, pokud je nízký, resetuje výstup na 0 a zablokuje činnost časovače.
- CTRL - ovládání. Vždy je na něm přítomna úroveň 2/3 napětí napájecí sběrnice. Zde lze přivést externí signál a modulovat jím výstup.
- THR - Při dosažení vysoké úrovně (více než 2/3 napájecího napětí) se první (horní) spoušť obvodu nastaví na 1 a interní spoušť se zapne. Spouštěč RS 1. Vnitřní spouštěč RS se vrátí na logickou 1.
- DIS - Vybití časového kondenzátoru. Když je výstup triggeru vysoký, vnitřní tranzistor se otevře a dojde k rychlému vybití. Časovač je připraven na další pracovní cyklus.
- VCC - Napájecí výstup. Lze na něj přivést napětí 5 až 15 V.
Popis provozních režimů NE555
Přestože architektura časovače umožňuje jeho použití v různých režimech, existují tři typické režimy provozu NE555.
Jeden vibrátor (pohotovostní multivibrátor)
Výchozí pozice:
- Na vstupu 2 je logická úroveň vysoká;
- Spouštěcí vstupy R a S jsou nulové;
- Spouštěcí výstup - 1;
- vybíjecí tranzistor je otevřený, kondenzátor C je přemostěn;
- na výstupu 3 - úroveň 0.
Když se na vstupu 2 objeví nulová úroveň, spodní komparátor se přepne na 1, čímž se spoušť vynuluje. Na výstupu čipu se objeví vysoká úroveň. Současně se tranzistor uzavře a přestane bočit na kondenzátor. Začne se nabíjet přes rezistor R. Jakmile napětí na něm dosáhne 2/3 VCC, horní komparátor sepne, nastaví spoušť zpět na 1 a výstup časovače na 0. Tranzistor se otevře a vybije kondenzátor. Tím se na výstupu generuje kladný impuls, jehož začátek je určen vnějším signálem na vstupu 2 a konec závisí na době nabíjení kondenzátoru, která se vypočítá podle vzorce t=1,1⋅R⋅C.
Multivibrátor
Po připojení napájení se kondenzátor vybije, vstup 2 (a 6) je logická 0, výstup časovače je 1 (tento proces je popsán v předchozí části). Jakmile se kondenzátor nabije přes R1 a R2 na 2/3 VCC, vysoká úroveň na vstupu 6 vynuluje výstup 3 a vybíjecí tranzistor se otevře. Kondenzátor se však nevybíjí přímo, ale prostřednictvím R2. Nakonec se obvod vrátí do původní polohy a cyklus se bude opakovat stále dokola. Z popisu procesu vyplývá, že doba nabíjení je určena součtem odporů R1, R2 a kapacity kondenzátoru a doba vybíjení je dána R1 a C. Místo R1 a R2 lze dodat proměnné rezistory a operativně řídit frekvenci a rychlost pulzů. Vzorce pro výpočet jsou následující:
- doba trvání impulsu t1=0,693⋅(R1+R2)⋅C;
- doba trvání pauzy t2=0,693⋅R2⋅C;
- opakovací frekvence impulsů f=1/(0,693(R1+2⋅R2)⋅C.
Doba pauzy nesmí překročit dobu impulzu. K překonání tohoto omezení jsou vybíjecí a nabíjecí obvody odděleny zapojením diody (katoda na vývod 6, anoda na vývod 7).
Schmittova spoušť
Schmittovu spoušť můžete postavit na čipu 555. Převádí pomalu se měnící signál (sinusový, vlnový atd.) na čtvercovou vlnu. Zde se nepoužívají žádné časovací obvody, signál se přivádí na vstupy 2 a 6 spojené dohromady. Při dosažení prahové hodnoty 2/3 VCC vyskočí výstupní napětí na 1, při poklesu na 1/3 vyskočí rovněž na nulu. Oblast nejednoznačnosti je 1/3 napájecího napětí.
Výhody a nevýhody
Hlavní výhodou čipu NE555 je jeho snadné použití - k sestavení obvodu stačí malý, dobře propočítaný obal. Současně jsou náklady na zařízení nízké.
Hlavní nevýhodou časovače je výrazná závislost délky impulsu na napájecím napětí. Je to proto, že kondenzátor v klopném nebo klopném obvodu se nabíjí přes rezistor (nebo dva) a horní vývod rezistoru je připojen k napájecí liště. Proud rezistorem je generován napětím VCC - čím vyšší je napětí, tím vyšší je proud, tím rychleji se kondenzátor nabíjí, tím dříve komparátor sepne a tím kratší je generovaný časový interval. Z neznámého důvodu tento bod v technické dokumentaci chybí, ale vývojáři ho znají.
Další nevýhodou časovače je, že prahová napětí komparátorů jsou tvořena vnitřními děličkami a nelze je nastavit. Tím se zužují možnosti použití modelu NE555.
Je tu také další nepříjemná vlastnost. Vzhledem k push-pull konstrukci koncového stupně je v okamžiku přepnutí (když je předřazený tranzistor otevřený a následný ještě není uzavřený, nebo naopak.) dochází k proudovému impulsu. Jeho trvání je malé, ale vede k dodatečnému zahřívání mikroobvodu a vytváří rušení v napájecím obvodu.
Jaké jsou analogy
Od doby existence časovače vyvinula a vydala velké množství klonů. Vyrábějí je různé firmy, ale všechny obsahují v názvu čísla 555. Mezi továrnami vyrábějícími analogy jsou jak populární výrobci elektronických součástek, tak neznámí výrobci z jihovýchodní Asie. Zatímco první z nich je schopen nabídnout inzerovaný výkon, druhý nemůže nést odpovědnost za žádné záruky. Odchylky od deklarovaných charakteristik mohou být velké.
SSSR vyvinul analogický model KR1006VI1. Jeho funkce je stejná jako u originálu s jednou výjimkou: pin 2 má přednost před pinem 6 (a ne naopak jako u modelu NE555.). To je třeba zohlednit při návrhu obvodů. Ještě jedna věc: označení KR znamená, že čip je k dispozici pouze v pouzdře DIP8.
Příklady praktických aplikací
Oblast praktického využití je široká a v tomto přehledu nemůžeme obsáhnout celé téma. Stojí však za to rozebrat nejčastější příklady.
V režimu jednoho oscilátoru lze kódový zámek s časově omezenou volbou sestavit na několika mikročipech. Dalším způsobem je použití ve spojení s různými senzory jako alarm prahové úrovně (světlo, úroveň kapacity atd.).
Vrežimu multivibrátoru (astabilní režim) má časovač nejširší možnosti použití. Řetězový spínač se samostatným ovládáním frekvence blikání, doby zapnutí a doby pauzy lze sestavit na několika časovačích. Přístroj NE555 můžete použít jako základ pro časové relé a nastavit dobu sepnutí spotřebičů od 1 do 25 sekund. Je možné sestavit metronom pro hudebníka. Jedná se o nejpoužívanější režim čipu a není možné popsat všechna jeho použití.
Jako Schmittova spoušť se časovač nepoužívá často. V bistabilním režimu, bez frekvenčních ovladačů, se NE555 používá jako odrušovač kontaktů nebo jako dvoutlačítkový spínač v režimu start/stop. Ve skutečnosti se používá pouze integrovaná spoušť RS. Je také známo, že na základě časovače lze sestavit PWM regulátor.
Existují knihy o obvodech, které popisují různá použití časovače NE555. Čip lze použít tisíci způsoby. Ani to však zvídavé mysli konstruktéra nestačí a pro časovač najde další, dosud nepopsané využití. Možnosti konstruktérů čipů to umožňují.
Související články:
