Κατά τη σχεδίαση ηλεκτρονικών συσκευών είναι συχνά απαραίτητο να παράγονται παλμοί συγκεκριμένου μήκους ή να παράγεται ορθογώνιο σήμα με συγκεκριμένη συχνότητα και συγκεκριμένο λόγο μήκους προς παύση. Ένας έμπειρος σχεδιαστής δεν θα δυσκολευτεί να σχεδιάσει μια τέτοια συσκευή από μεμονωμένα ψηφιακά στοιχεία, αλλά είναι πιο βολικό να χρησιμοποιηθεί ένα εξειδικευμένο τσιπ για το σκοπό αυτό.
Περιεχόμενα
Τι είναι ο NE555 και πού μπορεί να χρησιμοποιηθεί
Το NE555 αναπτύχθηκε τη δεκαετία του 1970 και εξακολουθεί να είναι πολύ δημοφιλές μεταξύ επαγγελματιών και ερασιτεχνών. Πρόκειται για μια συσκευή χρονοδιακόπτη σε συσκευασία 8 ακίδων. Διατίθεται σε εκδόσεις DIP ή επιφανειακής τοποθέτησης (SMD).
Το μικροκύκλωμα περιέχει δύο συγκριτές, έναν ανώτερο και έναν κατώτερο συγκριτή. Στις εισόδους τους σχηματίζεται μια τάση αναφοράς ίση με τα 2/3 και το 1/3 της τάσης τροφοδοσίας. Ο διαιρέτης σχηματίζεται από αντιστάσεις Αντίσταση 5 kΩ. Οι συγκριτές ελέγχουν τη σκανδάλη RS. Ένας ρυθμιστικός ενισχυτής και ένας διακόπτης τρανζίστορ συνδέονται στην έξοδό του. Κάθε συγκριτής έχει μία ελεύθερη είσοδο και χρησιμοποιείται για εξωτερικά σήματα ελέγχου. Ο ανώτερος συγκριτής ενεργοποιείται όταν εμφανιστεί υψηλή στάθμη και θέτει την έξοδο του chip σε χαμηλή στάθμη. Ο κάτω συγκριτής "παρακολουθεί" τη μείωση της τάσης κάτω από το 1/3 VCC και θέτει την έξοδο του χρονοδιακόπτη σε λογικό 1.
Τα κύρια χαρακτηριστικά του τσιπ NE555
Τα χαρακτηριστικά του χρονοδιακόπτη μπορεί να διαφέρουν ελαφρώς από κατασκευαστή σε κατασκευαστή, αλλά κανένας κατασκευαστής δεν έχει θεμελιώδεις διαφορές (εκτός από τα τσιπ άγνωστης προέλευσης, από τα οποία μπορείτε να περιμένετε οτιδήποτε):
- Η τάση τροφοδοσίας καθορίζεται ως +5V έως +15V ως πρότυπο, αν και τα φύλλα δεδομένων προσδιορίζουν ένα εύρος 4,5...18V.
- Το ρεύμα εξόδου είναι 200 mA.
- Η τάση εξόδου είναι μέγιστη VCC μείον 1,6V, αλλά όχι μικρότερη από 2V σε τάση τροφοδοσίας 5V.
- Κατανάλωση ρεύματος στα 5 V max 5 mA, στα 15 V max 13 mA.
- Σφάλμα σχηματισμού πλάτους παλμού - όχι περισσότερο από 2,25%.
- Η μέγιστη συχνότητα λειτουργίας είναι 500 kHz.
Όλες οι παράμετροι προσδιορίζονται για θερμοκρασία περιβάλλοντος +25°C.
Ανάθεση και διάταξη ακροδεκτών
Ανεξάρτητα από τη σχεδίαση του περιβλήματος, οι έξοδοι του χρονοδιακόπτη είναι τοποθετημένες με τυποποιημένο τρόπο, από το 1 έως το 8, με αύξουσα αριστερόστροφη σειρά (όταν εξετάζεται από πάνω). Σε κάθε ακροδέκτη ανατίθεται διαφορετική λειτουργία:
- GND - είναι το κοινό καλώδιο τροφοδοσίας της συσκευής.
- TRIG - Όταν εφαρμόζεται χαμηλή στάθμη, ενεργοποιείται ο δεύτερος (χαμηλότερος στο διάγραμμα) συγκριτής, η έξοδός του είναι ένα λογικό ένα, το οποίο θέτει την εσωτερική σκανδάλη RS στο 0. Μια εξωτερική αλυσίδα χρόνου RC συνδέεται σε αυτήν. Έχει προτεραιότητα έναντι του THR.
- OUT - παραγωγή. Το υψηλό επίπεδο σήματος είναι ακριβώς κάτω από την τάση τροφοδοσίας, το χαμηλό επίπεδο σήματος είναι 0,25V.
- RESET - επαναφορά. Ανεξάρτητα από τα σήματα στις άλλες εισόδους, αν είναι χαμηλό, επαναφέρει την έξοδο στο 0 και αναστέλλει τη λειτουργία του χρονοδιακόπτη.
- CTRL - έλεγχος. Έχει πάντα ένα επίπεδο 2/3 της τάσης του διαύλου τροφοδοσίας. Ένα εξωτερικό σήμα μπορεί να εφαρμοστεί εδώ και η έξοδος μπορεί να διαμορφωθεί με αυτό.
- THR - Όταν επιτευχθεί μια υψηλή στάθμη (πάνω από τα 2/3 της τάσης τροφοδοσίας), ο πρώτος σκανδαλιστής (κορυφή κυκλώματος) τίθεται σε 1 και το εσωτερικό Σκανδάλη RS 1. Η εσωτερική σκανδάλη RS επανέρχεται στο λογικό 1.
- DIS - Εκφόρτιση του πυκνωτή χρόνου. Όταν η έξοδος σκανδαλισμού είναι υψηλή, το εσωτερικό τρανζίστορ ανοίγει και λαμβάνει χώρα μια γρήγορη εκφόρτιση. Ο χρονοδιακόπτης είναι έτοιμος για τον επόμενο κύκλο λειτουργίας.
- VCC - Έξοδος τροφοδοσίας. Σε αυτό μπορεί να εφαρμοστεί τάση 5 έως 15 V.
Περιγραφή των τρόπων λειτουργίας του NE555
Αν και η αρχιτεκτονική του χρονοδιακόπτη επιτρέπει τη χρήση του σε μια ποικιλία τρόπων λειτουργίας, υπάρχουν τρεις τυπικοί τρόποι λειτουργίας του NE555.
Μονός δονητής (πολυδονητής αναμονής)
Αρχική θέση:
- Στην είσοδο 2, η λογική στάθμη είναι υψηλή,
- Οι είσοδοι σκανδαλισμού R και S είναι μηδενικές,
- Έξοδος σκανδαλισμού - 1,
- το τρανζίστορ του κυκλώματος εκφόρτισης είναι ανοικτό, ο πυκνωτής C είναι γεφυρωμένος,
- στην έξοδο 3 - επίπεδο 0.
Όταν εμφανιστεί μηδενική στάθμη στην είσοδο 2, ο κάτω συγκριτής μεταβαίνει στο 1, επαναφέροντας τη σκανδάλη στο 0. Στην έξοδο του chip εμφανίζεται υψηλή στάθμη. Ταυτόχρονα, το τρανζίστορ κλείνει, χωρίς πλέον να παρακάμπτει τον πυκνωτή. Ξεκινά τη φόρτιση μέσω της αντίστασης R. Μόλις η τάση αυτή φθάσει τα 2/3 της VCC, ενεργοποιείται ο άνω συγκριτής, θέτοντας τη σκανδάλη πίσω στο 1 και την έξοδο του χρονοδιακόπτη στο 0. Το τρανζίστορ ανοίγει και εκφορτίζει τον πυκνωτή. Αυτό δημιουργεί έναν θετικό παλμό στην έξοδο, η έναρξη του οποίου καθορίζεται από το εξωτερικό σήμα στην είσοδο 2 και το τέλος του οποίου εξαρτάται από το χρόνο φόρτισης του πυκνωτή, ο οποίος υπολογίζεται σύμφωνα με τον τύπο t=1.1⋅R⋅C.
Πολυδονητής
Όταν εφαρμόζεται η τροφοδοσία ρεύματος, ο πυκνωτής εκφορτίζεται, η είσοδος 2 (και 6) είναι λογικό 0, η έξοδος του χρονοδιακόπτη είναι 1 (η διαδικασία αυτή περιγράφεται στην προηγούμενη ενότητα). Μόλις ο πυκνωτής φορτιστεί μέσω των R1 και R2 στα 2/3 VCC, η υψηλή στάθμη στην είσοδο 6 θα μηδενίσει την έξοδο 3 και το τρανζίστορ εκφόρτισης θα ανοίξει. Όμως ο πυκνωτής δεν θα εκφορτιστεί άμεσα, αλλά μέσω του R2. Τελικά το κύκλωμα θα επιστρέψει στην αρχική του θέση και ο κύκλος θα επαναληφθεί ξανά και ξανά. Από την περιγραφή της διαδικασίας προκύπτει ότι ο χρόνος φόρτισης καθορίζεται από το άθροισμα των αντιστάσεων R1, R2 και τη χωρητικότητα του πυκνωτή, ενώ ο χρόνος εκφόρτισης καθορίζεται από τα R1 και C. Αντί των R1 και R2, μπορούν να τροφοδοτηθούν μεταβλητές αντιστάσεις και η συχνότητα και ο ρυθμός παλμού μπορούν να ελεγχθούν λειτουργικά. Οι τύποι υπολογισμού έχουν ως εξής:
- διάρκεια παλμού t1=0,693⋅(R1+R2)⋅C,
- διάρκεια παύσης t2=0,693⋅R2⋅C,
- συχνότητα επανάληψης παλμών f=1/(0,693(R1+2⋅R2)⋅C.
Ο χρόνος παύσης δεν μπορεί να υπερβαίνει το χρόνο παλμού. Για να ξεπεραστεί αυτός ο περιορισμός, τα κυκλώματα εκφόρτισης και φόρτισης διαχωρίζονται με την προσθήκη μιας διόδου (κάθοδος στον ακροδέκτη 6, άνοδος στον ακροδέκτη 7) στο κύκλωμα.
Σκανδάλη Schmitt
Μπορείτε να κατασκευάσετε μια σκανδάλη Schmitt σε ένα τσιπ 555. Θα μετατρέψει ένα αργά μεταβαλλόμενο σήμα (ημίτονο, κυματομορφή κ.λπ.) σε τετραγωνικό κύμα. Εδώ δεν χρησιμοποιούνται κυκλώματα χρονισμού, το σήμα εφαρμόζεται στις εισόδους 2 και 6 συνδεδεμένες μαζί. Με την επίτευξη του ορίου των 2/3 VCC η τάση εξόδου μεταπηδά στο 1, ενώ με την πτώση στο 1/3 μεταπηδά επίσης στο μηδέν. Η ζώνη ασάφειας είναι το 1/3 της τάσης τροφοδοσίας.
Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα
Το κύριο πλεονέκτημα του τσιπ NE555 είναι η ευκολία χρήσης του - μια μικρή, καλά υπολογισμένη συσκευασία είναι το μόνο που απαιτείται για την κατασκευή του κυκλώματος. Ταυτόχρονα, το κόστος της συσκευής είναι χαμηλό.
Το κύριο μειονέκτημα του χρονοδιακόπτη είναι η έντονη εξάρτηση της διάρκειας του παλμού από την τάση τροφοδοσίας. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι ο πυκνωτής σε ένα κύκλωμα flip-flop ή flip-flop φορτίζεται μέσω μιας αντίστασης (ή δύο) και ο ακροδέκτης της άνω αντίστασης είναι συνδεδεμένος με τη ράγα τροφοδοσίας. Το ρεύμα μέσω της αντίστασης παράγεται από την τάση VCC - όσο υψηλότερη είναι η τάση, τόσο υψηλότερο είναι το ρεύμα, τόσο πιο γρήγορα θα φορτίσει ο πυκνωτής, τόσο νωρίτερα θα ενεργοποιηθεί ο συγκριτής και τόσο μικρότερο θα είναι το παραγόμενο χρονικό διάστημα. Για κάποιο άγνωστο λόγο, αυτό το σημείο λείπει από την τεχνική τεκμηρίωση, αλλά είναι γνωστό στους προγραμματιστές.
Ένα άλλο μειονέκτημα του χρονοδιακόπτη είναι ότι οι τάσεις κατωφλίου των συγκριτών σχηματίζονται από εσωτερικούς διαιρέτες και δεν μπορούν να ρυθμιστούν. Αυτό περιορίζει τις επιλογές εφαρμογής του NE555.
Υπάρχει επίσης ένα άλλο δυσάρεστο χαρακτηριστικό. Λόγω του push-pull σχεδιασμού του σταδίου εξόδου, τη στιγμή της μεταγωγής (όταν το ανάντη τρανζίστορ είναι ανοικτό και το κατάντη δεν είναι ακόμη κλειστό, ή το αντίστροφο.) υπάρχει παλμός ρεύματος. Η διάρκειά του είναι μικρή, αλλά οδηγεί σε πρόσθετη θέρμανση του μικροκυκλώματος και δημιουργεί παρεμβολές στο κύκλωμα τροφοδοσίας.
Ποια είναι τα ανάλογα
Από την ύπαρξη του χρονοδιακόπτη, αναπτύχθηκε και κυκλοφόρησε ένας μεγάλος αριθμός κλώνων. Παράγονται από διαφορετικές εταιρείες, αλλά όλες περιέχουν τον αριθμό 555 στην ονομασία τους. Μεταξύ των εργοστασίων που παράγουν ανάλογα, υπάρχουν τόσο δημοφιλείς κατασκευαστές ηλεκτρονικών εξαρτημάτων όσο και άγνωστοι κατασκευαστές από τη Νοτιοανατολική Ασία. Ενώ οι πρώτοι είναι σε θέση να προσφέρουν τις διαφημιζόμενες επιδόσεις, οι δεύτεροι δεν μπορούν να θεωρηθούν υπεύθυνοι για οποιεσδήποτε εγγυήσεις. Οι αποκλίσεις από τα δηλωθέντα χαρακτηριστικά μπορεί να είναι μεγάλες.
Η ΕΣΣΔ ανέπτυξε το ανάλογο KR1006VI1. Η λειτουργικότητά του είναι πανομοιότυπη με το αρχικό με μία εξαίρεση: ο ακροδέκτης 2 έχει προτεραιότητα έναντι του ακροδέκτη 6 (και όχι αντίστροφα όπως στο NE555). Αυτό πρέπει να λαμβάνεται υπόψη κατά το σχεδιασμό κυκλωμάτων. Και κάτι ακόμη: η ονομασία KR σημαίνει ότι το τσιπ διατίθεται μόνο σε συσκευασία DIP8.
Παραδείγματα πρακτικών εφαρμογών
Ο τομέας της πρακτικής εφαρμογής είναι ευρύς και δεν μπορούμε να καλύψουμε όλο το θέμα στην παρούσα ανασκόπηση. Αξίζει όμως να αναλύσουμε τα πιο συνηθισμένα παραδείγματα.
Στη λειτουργία ενός ταλαντωτή, μια κλειδαριά κωδικών με χρονικά περιορισμένη κλήση μπορεί να κατασκευαστεί σε πολλά μικροτσίπ. Ένας άλλος τρόπος είναι να το χρησιμοποιήσετε σε συνδυασμό με διάφορους αισθητήρες ως συναγερμό επιπέδου κατωφλίου (φως, επίπεδο χωρητικότητας κ.λπ.).
Στη λειτουργία πολυδιονητή (astable mode), ο χρονοδιακόπτης έχει το ευρύτερο φάσμα εφαρμογών. Ένας αλυσιδωτός διακόπτης με ξεχωριστό έλεγχο της συχνότητας αναβόσβησης, του χρόνου ενεργοποίησης και του χρόνου παύσης μπορεί να κατασκευαστεί σε διάφορους χρονοδιακόπτες. Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε το NE555 ως βάση για ένα ρελέ χρόνου και να διαμορφώσετε το χρόνο ενεργοποίησης των καταναλωτών από 1 έως 25 δευτερόλεπτα. Είναι δυνατόν να κατασκευάσετε έναν μετρονόμο για έναν μουσικό. Αυτή είναι η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη λειτουργία του τσιπ και είναι αδύνατο να περιγραφούν όλες οι χρήσεις.
Ως σκανδάλη Schmitt ο χρονοδιακόπτης δεν χρησιμοποιείται συχνά. Όμως, στη λειτουργία bistable, χωρίς οδηγούς συχνότητας, ο NE555 χρησιμοποιείται ως καταστολέας αναπήδησης επαφής ή ως διακόπτης δύο κουμπιών σε λειτουργία έναρξης/διακοπής. Στην πραγματικότητα, χρησιμοποιείται μόνο η ενσωματωμένη σκανδάλη RS. Είναι επίσης γνωστή η κατασκευή ενός ελεγκτή PWM με βάση το χρονοδιακόπτη.
Υπάρχουν βιβλία κυκλωμάτων που περιγράφουν διάφορες χρήσεις του χρονοδιακόπτη NE555. Υπάρχουν χιλιάδες τρόποι χρήσης του τσιπ. Αλλά ακόμη και αυτό δεν είναι αρκετό για το περίεργο μυαλό του σχεδιαστή, και θα βρει μια πρόσθετη, μη περιγραφόμενη ακόμη, χρήση για το χρονόμετρο. Οι δυνατότητες των σχεδιαστών τσιπ το επιτρέπουν αυτό.
Σχετικά άρθρα:
