Bei der Entwicklung elektronischer Geräte ist es häufig erforderlich, Impulse mit einer bestimmten Länge oder ein Rechtecksignal mit einer bestimmten Frequenz und einem bestimmten Verhältnis von Länge zu Pause zu erzeugen. Ein erfahrener Designer sollte keine Schwierigkeiten haben, ein solches Gerät aus einzelnen digitalen Elementen zu entwerfen, aber es ist bequemer, einen speziellen Chip für diesen Zweck zu verwenden.
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Was der NE555 ist und wo er eingesetzt werden kann
Der NE555 wurde in den 1970er Jahren entwickelt und ist bei Profis und Amateuren immer noch sehr beliebt. Es handelt sich um einen Timer-Baustein in einem 8-Pin-Gehäuse. Er ist als DIP- oder SMD-Version (Surface Mount) erhältlich.
Der Mikroschaltkreis enthält zwei Komparatoren, einen oberen und einen unteren Komparator. An ihren Eingängen wird eine Referenzspannung gebildet, die 2/3 und 1/3 der Versorgungsspannung entspricht. Der Teiler wird durch Widerstände gebildet 5 kΩ-Widerstand. Die Komparatoren steuern den RS-Trigger. An seinem Ausgang sind ein Pufferverstärker und ein Transistorschalter angeschlossen. Jeder Komparator hat einen freien Eingang und wird für externe Steuersignale verwendet. Der obere Komparator löst aus, wenn ein hoher Pegel auftritt, und setzt den Ausgang des Chips auf einen niedrigen Pegel. Der untere Komparator "überwacht" das Absinken der Spannung unter 1/3 VCC und setzt den Timerausgang auf logisch 1.
Die wichtigsten Merkmale des Chips NE555
Die Eigenschaften von Zeitschaltuhren können von Hersteller zu Hersteller leicht variieren, aber kein Hersteller weist grundlegende Unterschiede auf (außer bei Chips unbekannter Herkunft, von denen man alles erwarten kann):
- Die Versorgungsspannung ist standardmäßig mit +5V bis +15V spezifiziert, obwohl in den Datenblättern ein Bereich von 4,5...18V angegeben ist.
- Der Ausgangsstrom beträgt 200 mA.
- Die Ausgangsspannung beträgt maximal VCC minus 1,6 V, jedoch nicht weniger als 2 V bei einer Versorgungsspannung von 5 V.
- Stromaufnahme bei 5 V max. 5 mA, bei 15 V max. 13 mA.
- Impulsbreitenbildungsfehler - nicht mehr als 2,25%.
- Die maximale Betriebsfrequenz beträgt 500 kHz.
Alle Parameter sind für eine Umgebungstemperatur von +25°C angegeben.
Anschlussbelegung und Anordnung
Unabhängig von der Ausführung des Gehäuses sind die Ausgänge der Zeitschaltuhr standardmäßig von 1 bis 8 in aufsteigender Reihenfolge gegen den Uhrzeigersinn angeordnet (von oben gesehen). Jedem Pin ist eine andere Funktion zugeordnet:
- GND - ist die gemeinsame Stromversorgungsleitung des Geräts.
- TRIG - Wenn ein niedriger Pegel anliegt, wird der zweite (untere im Diagramm) Komparator ausgelöst, dessen Ausgang eine logische Eins ist, wodurch der interne RS-Trigger auf 0 gesetzt wird. Daran ist eine externe RC-Zeitkette angeschlossen. Sie hat Vorrang vor THR.
- OUT - Ausgabe. Der hohe Signalpegel liegt knapp unter der Versorgungsspannung, der niedrige Signalpegel beträgt 0,25 V.
- RESET - zurücksetzen. Unabhängig von den Signalen an den anderen Eingängen setzt ein Low-Signal den Ausgang auf 0 zurück und sperrt den Timerbetrieb.
- CTRL - Kontrolle. Es liegt immer ein Pegel von 2/3 der Versorgungsspannung vor. Hier kann ein externes Signal angelegt werden, mit dem der Ausgang moduliert werden kann.
- THR - Bei Erreichen eines hohen Pegels (mehr als 2/3 der Versorgungsspannung) wird der erste (obere) Trigger auf 1 gesetzt und der interne RS-Auslöser 1. der interne RS-Trigger geht auf logisch 1 zurück.
- DIS - Entladung des Zeitkondensators. Wenn der Trigger-Ausgang High ist, öffnet sich der interne Transistor und es erfolgt eine schnelle Entladung. Der Timer ist bereit für den nächsten Arbeitszyklus.
- VCC - Stromversorgungsausgang. Er kann mit einer Spannung von 5 bis 15 V beaufschlagt werden.
Beschreibung der Betriebsarten des NE555
Obwohl die Zeitgeberarchitektur eine Vielzahl von Betriebsarten zulässt, gibt es drei typische Betriebsarten für den NE555.
Einzelvibrator (Standby-Multivibrator)
Ausgangsposition:
- Am Eingang 2 ist der logische Pegel hoch;
- Die Triggereingänge R und S sind Nullen;
- Trigger-Ausgang - 1;
- Der Entladeschaltungstransistor ist offen, der Kondensator C ist überbrückt;
- am Ausgang 3 - Stufe 0.
Wenn am Eingang 2 ein Nullpegel erscheint, schaltet der untere Komparator auf 1 und setzt den Trigger auf 0 zurück. Am Ausgang des Chips erscheint ein High-Pegel. Gleichzeitig wird der Transistor geschlossen und der Kondensator nicht mehr überbrückt. Die Aufladung erfolgt über den Widerstand R. Sobald die Spannung an ihm 2/3 von VCC erreicht, löst der obere Komparator aus, setzt den Trigger zurück auf 1 und den Timer-Ausgang auf 0. Der Transistor öffnet und entlädt den Kondensator. Dadurch wird am Ausgang ein positiver Impuls erzeugt, dessen Beginn durch das externe Signal am Eingang 2 bestimmt wird und dessen Ende von der Ladezeit des Kondensators abhängt, die nach der Formel t=1,1⋅R⋅C berechnet wird.
Multivibrator
Beim Anlegen der Versorgungsspannung wird der Kondensator entladen, Eingang 2 (und 6) ist logisch 0, der Timer-Ausgang ist 1 (dieser Vorgang ist im vorherigen Abschnitt beschrieben). Sobald der Kondensator über R1 und R2 auf 2/3 VCC aufgeladen ist, setzt der hohe Pegel an Eingang 6 den Ausgang 3 auf Null zurück und der Entladetransistor öffnet. Der Kondensator wird jedoch nicht direkt entladen, sondern über R2. Schließlich kehrt der Kreislauf in seine ursprüngliche Position zurück und der Zyklus wiederholt sich immer wieder. Aus der Beschreibung des Prozesses geht hervor, dass die Ladezeit durch die Summe der Widerstände R1, R2 und der Kondensatorkapazität bestimmt wird, während die Entladezeit durch R1 und C festgelegt wird. Anstelle von R1 und R2 können variable Widerstände eingesetzt werden, mit denen die Frequenz und die Impulsrate gesteuert werden können. Die Formeln zur Berechnung lauten wie folgt:
- Impulsdauer t1=0,693⋅(R1+R2)⋅C;
- Pausendauer t2=0,693⋅R2⋅C;
- Impulswiederholfrequenz f=1/(0,693(R1+2⋅R2)⋅C.
Die Pausenzeit kann nicht länger sein als die Impulszeit. Um diese Einschränkung zu überwinden, werden der Entlade- und der Ladestromkreis durch den Einbau einer Diode (Kathode an Pin 6, Anode an Pin 7) in den Stromkreis getrennt.
Schmitt-Trigger
Sie können einen Schmitt-Trigger auf einem 555-Chip aufbauen. Er wandelt ein sich langsam änderndes Signal (Sinus, Wellenform usw.) in eine Rechteckwelle um. Hier werden keine Zeitschaltungen verwendet, das Signal wird an die miteinander verbundenen Eingänge 2 und 6 angelegt. Beim Erreichen der 2/3-VCC-Schwelle springt die Ausgangsspannung auf 1, beim Absinken auf 1/3 springt sie ebenfalls auf Null. Die Ambiguitätszone beträgt 1/3 der Versorgungsspannung.
Vorteile und Nachteile
Der Hauptvorteil des NE555-Chips ist seine einfache Handhabung - ein kleines, gut berechnetes Gehäuse ist alles, was zum Aufbau der Schaltung erforderlich ist. Gleichzeitig sind die Kosten des Geräts gering.
Der Hauptnachteil des Zeitgebers ist eine starke Abhängigkeit der Impulsdauer von der Versorgungsspannung. Das liegt daran, dass der Kondensator in einem Flip-Flop oder einer Flip-Flop-Schaltung über einen (oder zwei) Widerstände aufgeladen wird und der oberste Widerstandsstift mit der Versorgungsschiene verbunden ist. Der Strom durch den Widerstand wird durch die VCC-Spannung erzeugt - je höher die Spannung, desto höher der Strom, desto schneller wird der Kondensator aufgeladen, desto früher löst der Komparator aus und desto kürzer ist das erzeugte Zeitintervall. Aus unerfindlichen Gründen fehlt dieser Punkt in der technischen Dokumentation, ist aber den Entwicklern bekannt.
Ein weiterer Nachteil des Timers ist, dass die Schwellenspannungen der Komparatoren durch interne Teiler gebildet werden und nicht einstellbar sind. Dies schränkt die Anwendungsmöglichkeiten des NE555 ein.
Es gibt noch eine weitere unangenehme Eigenschaft. Aufgrund des Push-Pull-Designs der Endstufe wird im Moment des Schaltens (wenn der vorgelagerte Transistor geöffnet und der nachgelagerte noch nicht geschlossen ist oder umgekehrt.) gibt es einen Stromimpuls. Ihre Dauer ist gering, aber sie führt zu einer zusätzlichen Erwärmung des Mikroschaltkreises und bildet Störungen im Versorgungsstromkreis.
Was sind die Analoga
Seit dem Bestehen des Timers wurde eine große Anzahl von Klonen entwickelt und veröffentlicht. Sie werden von verschiedenen Firmen hergestellt, enthalten aber alle die Nummer 555. Unter den Fabriken, die Analoge herstellen, befinden sich sowohl bekannte Hersteller elektronischer Bauteile als auch unbekannte Hersteller aus Südostasien. Während erstere in der Lage sind, die beworbenen Leistungen zu erbringen, können letztere nicht für irgendwelche Garantien verantwortlich gemacht werden. Die Abweichungen von den angegebenen Merkmalen können groß sein.
Die UdSSR hat den analogen KR1006VI1 entwickelt. Seine Funktionalität ist identisch mit der des Originals, mit einer Ausnahme: Pin 2 hat Vorrang vor Pin 6 (und nicht andersherum wie beim NE555). Dies sollte beim Entwurf von Schaltungen berücksichtigt werden. Und noch etwas: Die Bezeichnung KR bedeutet, dass der Chip nur in einem DIP8-Gehäuse erhältlich ist.
Beispiele für praktische Anwendungen
Der Bereich der praktischen Anwendung ist breit gefächert, und wir können in der vorliegenden Übersicht nicht das gesamte Thema behandeln. Aber es lohnt sich, die gängigsten Beispiele zu analysieren.
Im Einzeloszillatormodus kann ein Codeschloss mit zeitlich begrenzter Wahl auf mehreren Mikrochips aufgebaut werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, ihn in Verbindung mit verschiedenen Sensoren als Schwellenwertalarm zu verwenden (Licht, Füllstand usw.).
Im Multivibrator-Modus (astabiler Modus) hat der Timer den größten Anwendungsbereich. Ein verketteter Schalter mit separater Steuerung der Blinkfrequenz, der Einschaltzeit und der Pausenzeit kann auf mehreren Zeitschaltuhren aufgebaut werden. Sie können den NE555 als Basis für ein Zeitrelais verwenden und die Einschaltdauer von Verbrauchern von 1 bis 25 Sekunden gestalten. Es ist möglich, ein Metronom für einen Musiker zu bauen. Dies ist der am häufigsten verwendete Modus des Chips und es ist unmöglich, alle Verwendungsmöglichkeiten zu beschreiben.
Als Schmitt-Trigger wird der Timer nicht oft verwendet. Im bistabilen Modus ohne Frequenztreiber wird der NE555 jedoch als Kontaktprellschutz oder als Zwei-Tasten-Schalter im Start/Stopp-Modus verwendet. Tatsächlich wird nur der integrierte RS-Trigger verwendet. Es ist auch bekannt, dass man einen PWM-Controller auf der Basis des Timers bauen kann.
Es gibt Bücher über Schaltungen, in denen verschiedene Verwendungsmöglichkeiten des NE555 Timers beschrieben werden. Es gibt Tausende von Möglichkeiten, den Chip zu verwenden. Aber selbst das reicht dem wissbegierigen Konstrukteur nicht aus, und er wird eine zusätzliche, noch nicht beschriebene Verwendung für die Zeitschaltuhr finden. Die Möglichkeiten der Chipdesigner lassen dies zu.
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