Driftstilstande, egenskaber og pin-belegning af NE555-chippen

Ved konstruktion af elektronisk udstyr er det ofte nødvendigt at generere impulser af en given længde eller at generere et rektangulært signal med en given frekvens og et bestemt længde/pause-forhold. En erfaren designer bør ikke have problemer med at designe en sådan enhed ud fra enkelte digitale elementer, men det er mere praktisk at bruge en specialiseret chip til dette formål.

Hvad NE555 er, og hvor den kan bruges

NE555 blev udviklet i 1970'erne og er stadig meget populær blandt professionelle og amatører. Det er en timer-enhed i en 8-pin-pakke. Den fås i DIP- eller SMD-versioner (Surface Mount).

Mikrokredsløbet indeholder to komparatorer, en øvre og en nedre komparator. Der dannes en referencespænding svarende til 2/3 og 1/3 af forsyningsspændingen på deres indgange. Deleren er dannet af modstande 5 kΩ-modstand. Komparatorerne styrer RS-triggeren. En bufferforstærker og en transistorafbryder er forbundet til dens udgang. Hver komparator har én fri indgang og bruges til eksterne styresignaler. Den øverste komparator udløses, når der opstår et højt niveau, og sætter chipens udgang til et lavt niveau. Den nederste komparator "overvåger" reduktionen af spændingen under 1/3 VCC og sætter timerudgangen til logisk 1.

De vigtigste egenskaber ved chippen NE555

Timerkarakteristika kan variere en smule fra producent til producent, men ingen producent har grundlæggende forskelle (bortset fra chips af ukendt oprindelse kan du forvente alt fra dem):

• Forsyningsspændingen er angivet som standard som +5V til +15V, selv om datablade angiver et interval på 4,5...18V.
• Udgangsstrømmen er 200 mA.
• Udgangsspændingen er højst VCC minus 1,6 V, men ikke mindre end 2 V ved 5 V forsyningsspænding.
• Strømforbrug ved 5 V maks. 5 mA, ved 15 V maks. 13 mA.
• Fejl ved dannelse af pulsbredde - ikke mere end 2,25 %.
• Den maksimale driftsfrekvens er 500 kHz.

Alle parametre er angivet for en omgivelsestemperatur på +25 °C.

Pin-belægning og placering

Uanset kabinettets udformning er timerens udgange arrangeret på en standardmåde, fra 1 til 8, i stigende rækkefølge mod uret (set oppefra). Hver pin er tildelt en anden funktion:

1. GND - er enhedens fælles strømforsyningsledning.
2. TRIG - Når der anvendes et lavt niveau, udløses den anden komparator (nederst i diagrammet), og dens output er et logisk et, hvilket sætter den interne RS-trigger til 0. En ekstern RC-tidskæde er tilsluttet den. Den har forrang frem for THR.
3. OUT - output. Det høje signalniveau er lige under forsyningsspændingen, det lave signalniveau er 0,25 V.
4. RESET - nulstilles. Uafhængigt af signalerne på de andre indgange, hvis den er lav, nulstiller den udgangen til 0 og hæmmer timerdriften.
5. CTRL - kontrol. Den har altid et niveau på 2/3 af forsyningsbusspændingen. Et eksternt signal kan påføres her, og udgangen kan moduleres med det.
6. THR - Når et højt niveau er nået (mere end 2/3 af forsyningsspændingen), sættes den første trigger (kredsløbets øverste) til 1, og den interne RS-udløser 1. Den interne RS-trigger går tilbage til logik 1.
7. DIS - Afladning af tidskondensatoren. Når triggerudgangen er høj, åbner den interne transistor, og der sker en hurtig udladning. Timeren er klar til den næste arbejdscyklus.
8. VCC - strømforsyningsudgang. Der kan påføres en spænding på 5 til 15 V på den.

Beskrivelse af NE555's driftstilstande

Selv om timerarkitekturen gør det muligt at bruge den i en række forskellige tilstande, er der tre typiske driftsformer for NE555.

Enkelt vibrator (standby-multivibrator)

Udgangsstilling:

• Ved indgang 2 er det logiske niveau højt;
• Triggerindgangene R og S er nuller;
• Triggerudgang - 1;
• udladningskredsløbstransistoren er åben, kondensator C er overbrudt;
• ved udgang 3 - niveau 0.

Når der vises et nulniveau på indgang 2, skifter den nederste komparator til 1, hvilket nulstiller udløseren til 0. Der vises et højt niveau på chipens udgang. Samtidig lukker transistoren, så kondensatoren ikke længere shuntes. Den begynder at oplade via modstand R. Så snart spændingen over den når 2/3 af VCC, udløses den øverste komparator, hvilket sætter udløseren tilbage til 1 og timerudgangen til 0. Transistoren åbner og aflaster kondensatoren. Dette genererer en positiv impuls på udgangen, hvis start bestemmes af det eksterne signal ved indgang 2, og hvis afslutning afhænger af kondensatorens opladningstid, som beregnes efter formlen t=1,1⋅R⋅C.

Multivibrator

Når strømforsyningen tilkobles, aflades kondensatoren, indgang 2 (og 6) er logisk 0, og timerudgangen er 1 (denne proces er beskrevet i det foregående afsnit). Når kondensatoren er opladet via R1 og R2 til 2/3 VCC, vil det høje niveau ved indgang 6 nulstille udgang 3 til nul, og udladetransistoren vil åbne. Men kondensatoren vil ikke blive afladet direkte, men gennem R2. Til sidst vil kredsløbet vende tilbage til sin oprindelige position, og cyklussen vil gentage sig igen. Af beskrivelsen af processen fremgår det, at opladningstiden bestemmes af summen af modstande R1, R2 og kapaciteten af kondensatoren, og at udladningstiden bestemmes af R1 og C. I stedet for R1 og R2 kan der leveres variable modstande, og frekvensen og pulsfrekvensen kan styres operationelt. Beregningsformlerne er som følger:

• impulsvarighed t1=0,693⋅(R1+R2)⋅C;
• pausens varighed t2=0,693⋅R2⋅C;
• pulsrepetitionsfrekvens f=1/(0,693(R1+2⋅R2)⋅C.

Pausetiden kan ikke overstige pulstiden. For at overvinde denne begrænsning er udladnings- og opladningskredsløbet adskilt ved at inkludere en diode (katode til pin 6, anode til pin 7) i kredsløbet.

Schmitt-trigger

Du kan bygge en Schmitt-trigger på en 555-chip. Den konverterer et langsomt skiftende signal (sinus, bølgeform osv.) til en firkantet bølge. Der anvendes ingen timingkredsløb her, signalet anvendes til indgang 2 og 6, der er forbundet sammen. Når tærsklen på 2/3 VCC nås, hopper udgangsspændingen til 1, og når den falder til 1/3, hopper den også ned til nul. Tvetydighedszonen er 1/3 af forsyningsspændingen.

Fordele og ulemper

Den største fordel ved NE555-chippen er dens brugervenlighed - en lille, velberegnet pakke er alt, hvad der er nødvendigt for at bygge kredsløbet. Samtidig er prisen på enheden lav.

Den største ulempe ved timeren er en udtalt afhængighed af pulsvarigheden af forsyningsspændingen. Dette skyldes, at kondensatoren i et flip-flop eller flip-flop-kredsløb oplades via en modstand (eller to), og den øverste modstandsstift er forbundet til forsyningsskinnen. Strømmen gennem modstanden genereres af VCC-spændingen - jo højere spænding, jo højere strøm, jo hurtigere oplades kondensatoren, jo tidligere udløses komparatoren, og jo kortere bliver det genererede tidsinterval. Af en eller anden ukendt grund mangler dette punkt i den tekniske dokumentation, men er velkendt for udviklerne.

En anden ulempe ved timeren er, at komparatorernes tærskelspændinger dannes af interne delere og ikke kan justeres. Dette begrænser anvendelsesmulighederne for NE555.

Der er også et andet ubehageligt træk. På grund af udgangstrinets push-pull-design er der i det øjeblik, hvor der skiftes (når transistoren opstrøms er åben og transistoren nedstrøms endnu ikke er lukket, eller omvendt.) er der en strømimpuls. Den er af kort varighed, men den fører til yderligere opvarmning af mikrokredsløbet og skaber forstyrrelser i forsyningskredsløbet.

Hvad er analogerne?

Siden eksistensen af timeren, udviklet og frigivet et stort antal kloner. De fremstilles af forskellige firmaer, men alle indeholder nummeret 555 i deres navne. Blandt de fabrikker, der producerer analoger, er der både populære producenter af elektroniske komponenter og ukendte producenter fra Sydøstasien. Mens førstnævnte er i stand til at tilbyde den annoncerede ydelse, kan sidstnævnte ikke holdes ansvarlige for nogen garantier. Der kan være store afvigelser fra de angivne kendetegn.

Sovjetunionen har udviklet den tilsvarende KR1006VI1. Dens funktionalitet er identisk med den originale med én undtagelse: pin 2 har prioritet over pin 6 (og ikke omvendt som i NE555). Dette bør tages i betragtning ved udformningen af kredsløb. En ting mere: betegnelsen KR betyder, at chippen kun fås i en DIP8-pakning.

Eksempler på praktiske anvendelser

Området for praktisk anvendelse er bredt, og vi kan ikke dække hele emnet i denne gennemgang. Men det er værd at analysere de mest almindelige eksempler.

I single-oscillatortilstand kan en kodelås med tidsbegrænset opkaldsfunktion opbygges på flere mikrochips. En anden måde er at bruge den i forbindelse med forskellige sensorer som en tærskelalarm (lys, kapacitetsniveau osv.).

I multivibratortilstand (astable-tilstand) har timeren det bredeste anvendelsesområde. En daisy chained switch med separat styring af blinkefrekvens, tændtid og pausetid kan bygges på flere timere. Du kan bruge NE555 som grundlag for et tidsrelæ og danne tændingstiden for forbrugerne fra 1 til 25 sekunder. Det er muligt at bygge en metronom til en musiker. Dette er den mest anvendte tilstand for chippen, og det er umuligt at beskrive alle anvendelsesmulighederne.

Som Schmitt-trigger bruges timeren ikke ofte. Men i bistabil tilstand, uden frekvensdrivere, bruges NE555 som en kontaktspringningsundertrykker eller som en to-knapsafbryder i start/stop-tilstand. Det er faktisk kun den integrerede RS-udløser, der anvendes. Det er også kendt at bygge en PWM-controller baseret på timeren.

Der findes kredsløbsbøger, der beskriver forskellige anvendelser af NE555-timeren. Der er tusindvis af måder at bruge chippen på. Men selv dette er ikke nok for den nysgerrige designer, og han vil finde en yderligere, endnu ubeskrevet anvendelse for timeren. Chipdesignernes muligheder giver mulighed for dette.

Relaterede artikler: