Elektronisia laitteita suunniteltaessa on usein tarpeen tuottaa tietyn pituisia pulsseja tai suorakulmaista signaalia tietyllä taajuudella ja tietyllä pituuden ja tauon suhteella. Kokeneella suunnittelijalla ei pitäisi olla vaikeuksia suunnitella tällaista laitetta yksittäisistä digitaalisista elementeistä, mutta on kätevämpää käyttää tähän tarkoitukseen erikoistunutta sirua.
Sisältö
Mikä NE555 on ja missä sitä voidaan käyttää?
NE555 kehitettiin 1970-luvulla, ja se on edelleen erittäin suosittu sekä ammattilaisten että harrastajien keskuudessa. Se on ajastinlaite, joka on sijoitettu 8-napaiseen pakkaukseen. Se on saatavana DIP- tai pinta-asennettavana (SMD) versiona.
Mikropiirissä on kaksi komparaattoria, ylempi ja alempi komparaattori. Niiden sisääntuloihin muodostetaan viitejännite, joka on 2/3 ja 1/3 syöttöjännitteestä. Jakaja muodostuu vastuksista 5 kΩ vastus. Komparaattorit ohjaavat RS-liipaisinta. Sen lähtöön on kytketty puskurivahvistin ja transistorikytkin. Kussakin komparaattorissa on yksi vapaa tulo, ja sitä käytetään ulkoisille ohjaussignaaleille. Ylempi komparaattori laukeaa, kun korkea taso ilmestyy, ja asettaa piirin ulostulon matalalle tasolle. Alempi komparaattori "valvoo" jännitteen alenemista alle 1/3 VCC:n ja asettaa ajastimen ulostulon loogiseen 1:een.
Piirin NE555 tärkeimmät ominaisuudet
Ajastimen ominaisuudet voivat vaihdella hieman valmistajasta toiseen, mutta millään valmistajalla ei ole perustavanlaatuisia eroja (lukuun ottamatta tuntematonta alkuperää olevia siruja, joista voi odottaa mitä tahansa):
- Syöttöjännite on vakiona +5V - +15V, vaikka tietolehdissä ilmoitetaan 4,5...18V:n alue.
- Lähtövirta on 200 mA.
- Lähtöjännite on enintään VCC miinus 1,6 V, mutta vähintään 2 V 5 V:n syöttöjännitteellä.
- Virrankulutus 5 V:n jännitteellä enintään 5 mA, 15 V:n jännitteellä enintään 13 mA.
- Pulssin leveyden muodostumisvirhe - enintään 2,25 %.
- Suurin toimintataajuus on 500 kHz.
Kaikki parametrit on määritelty ympäristön lämpötilan ollessa +25 °C.
Nastojen osoittaminen ja järjestely
Kotelorakenteesta riippumatta ajastimen lähdöt on järjestetty tavalliseen tapaan, 1:stä 8:aan, vastapäivään nousevaan järjestykseen (ylhäältä katsottuna). Jokaiselle nastalle on määritetty eri toiminto:
- GND - on laitteen yhteinen virtalähdejohto.
- TRIG - Kun matala taso kytketään, laukaisee toinen (kaaviossa alempi) komparaattori, sen lähtö on looginen yksi, joka asettaa sisäisen RS-liipaisimen arvoon 0. Siihen on kytketty ulkoinen RC-aikaketju. Se on ensisijainen THR:ään nähden.
- OUT - tuotos. Korkea signaalitaso on juuri syöttöjännitteen alapuolella, matala signaalitaso on 0,25 V.
- RESET - nollaus. Riippumatta muiden sisääntulojen signaaleista, jos se on matala, nollaa lähdön arvoon 0 ja estää ajastimen toiminnan.
- CTRL - valvonta. Sen taso on aina 2/3 syöttävästä väyläjännitteestä. Tähän voidaan syöttää ulkoinen signaali, ja ulostuloa voidaan moduloida sen avulla.
- THR - Kun korkea taso saavutetaan (yli 2/3 syöttöjännitteestä), ensimmäinen (piirin ylin) liipaisu asetetaan arvoon 1 ja sisäinen RS-liipaisu asetetaan arvoon 1. Sisäinen RS-kytkin kytketään arvoon 1.
- DIS - Aikakondensaattorin purkautuminen. Kun laukaisulähtö on korkea, sisäinen transistori avautuu ja tapahtuu nopea purkaus. Ajastin on valmis seuraavaa työjaksoa varten.
- VCC - Virtalähteen lähtö. Siihen voidaan syöttää 5-15 V:n jännite.
NE555:n toimintatilojen kuvaus
Vaikka ajastinarkkitehtuuri mahdollistaa sen käytön useissa eri tiloissa, NE555:llä on kolme tyypillistä toimintatilaa.
Yksittäinen värähtelijä (valmiustilassa oleva monivibraattori)
Alkuperäinen asema:
- Tulossa 2 looginen taso on korkea;
- Laukaisutulot R ja S ovat nollia;
- Laukaisulähtö - 1;
- purkauspiirin transistori on auki, kondensaattori C on silloitettu;
- lähtöön 3 - taso 0.
Kun tuloon 2 tulee nollataso, alempi komparaattori kytkeytyy arvoon 1, jolloin liipaisu palautuu arvoon 0. Sirun ulostuloon tulee korkea taso. Samalla transistori sulkeutuu, jolloin kondensaattori ei enää shunttaa. Se alkaa latautua vastuksen R kautta. Heti kun tämä jännite saavuttaa 2/3 VCC:stä, ylempi komparaattori laukeaa, jolloin laukaisu palautuu arvoon 1 ja ajastimen lähtö arvoon 0. Transistori avautuu ja purkaa kondensaattorin. Tämä synnyttää ulostuloon positiivisen pulssin, jonka alku määräytyy tulon 2 ulkoisen signaalin mukaan ja jonka loppu riippuu kondensaattorin latausajasta, joka lasketaan kaavalla t=1.1⋅R⋅C.
Multivibraattori
Kun virtalähde kytketään, kondensaattori purkautuu, tulo 2 (ja 6) on looginen 0, ajastimen lähtö on 1 (tämä prosessi on kuvattu edellisessä osassa). Kun kondensaattori ladataan R1:n ja R2:n kautta 2/3 VCC:hen, tulon 6 korkea taso nollaa lähdön 3 ja purkaustransistori avautuu. Kondensaattori ei kuitenkaan purkaudu suoraan, vaan R2:n kautta. Lopulta piiri palaa alkuperäiseen asentoonsa ja sykli toistuu yhä uudelleen. Prosessin kuvauksesta käy ilmi, että latausaika määräytyy vastusten R1, R2 ja kondensaattorin kapasiteetin summan perusteella ja purkausaika R1 ja C perusteella. R1:n ja R2:n sijasta voidaan syöttää muuttuvia vastuksia, ja taajuutta ja pulssinopeutta voidaan ohjata toiminnallisesti. Laskentakaavat ovat seuraavat:
- pulssin kesto t1=0,693⋅(R1+R2)⋅C;
- tauon kesto t2=0,693⋅R2⋅C;
- pulssin toistotaajuus f=1/(0,693(R1+2⋅R2)⋅C.
Taukoaika ei voi ylittää pulssiaikaa. Tämän rajoituksen poistamiseksi purkaus- ja latauspiirit erotetaan toisistaan sisällyttämällä piiriin diodi (katodi nastalle 6 ja anodi nastalle 7).
Schmittin liipaisu
Voit rakentaa Schmitt-liipaisimen 555-sirulle. Se muuntaa hitaasti muuttuvan signaalin (sini, aaltomuoto jne.) neliöaalloksi. Tässä ei käytetä ajoituspiirejä, vaan signaali syötetään tuloihin 2 ja 6, jotka on kytketty yhteen. Saavutettaessa 2/3 VCC-kynnysarvo lähtöjännite hyppää arvoon 1, ja pudotessa arvoon 1/3 se hyppää myös nollaan. Epäselvyysalue on 1/3 syöttöjännitteestä.
Edut ja haitat
NE555-sirun tärkein etu on sen helppokäyttöisyys - piirin rakentamiseen tarvitaan vain pieni, hyvin laskettu paketti. Samalla laitteen hinta on alhainen.
Ajastimen suurin haittapuoli on pulssin keston voimakas riippuvuus syöttöjännitteestä. Tämä johtuu siitä, että flip-flopin tai flip-flop-piirin kondensaattori ladataan vastuksen (tai kahden) kautta, ja ylimmän vastuksen nasta on kytketty syöttökiskoon. Vastuksen läpi kulkeva virta syntyy VCC-jännitteen mukaan - mitä suurempi jännite, sitä suurempi virta, sitä nopeammin kondensaattori latautuu, sitä aikaisemmin komparaattori laukeaa, sitä lyhyempi aikaväli syntyy. Jostain tuntemattomasta syystä tämä kohta puuttuu teknisestä dokumentaatiosta, mutta on tuttu kehittäjille.
Ajastimen toinen haittapuoli on se, että komparaattorien kynnysjännitteet muodostuvat sisäisistä jakajista, eikä niitä voi säätää. Tämä kaventaa NE555:n sovellusvaihtoehtoja.
On myös toinen epämiellyttävä piirre. Lähtövaiheen push-pull-rakenteen vuoksi kytkentähetkellä (kun ylävirran transistori on auki ja alavirran transistori ei ole vielä suljettu, tai päinvastoin.) on virtapulssi. Sen kesto on pieni, mutta se johtaa mikropiirin lisälämmitykseen ja muodostaa häiriöitä syöttöpiiriin.
Mitkä ovat analogit
Koska olemassaolon ajastin, kehitetty ja julkaistu suuri määrä klooneja. Niitä valmistavat eri yritykset, mutta kaikkien nimissä on numero 555. Analogeja valmistavien tehtaiden joukossa on sekä suosittuja elektroniikkakomponenttien valmistajia että tuntemattomia valmistajia Kaakkois-Aasiasta. Ensin mainitut pystyvät tarjoamaan mainostetun suorituskyvyn, mutta jälkimmäisiä ei voida pitää vastuullisina mistään takuista. Poikkeamat ilmoitetuista ominaisuuksista voivat olla suuria.
Neuvostoliitto on kehittänyt vastaavan KR1006VI1:n. Sen toiminta on identtinen alkuperäisen kanssa yhtä poikkeusta lukuun ottamatta: nasta 2 on etusijalla nastaan 6 (eikä päinvastoin kuin NE555:ssä.). Tämä on otettava huomioon piirien suunnittelussa. Vielä yksi asia: nimitys KR tarkoittaa, että siru on saatavana vain DIP8-kotelossa.
Esimerkkejä käytännön sovelluksista
Käytännön sovellusalue on laaja, emmekä voi käsitellä koko aihetta tässä katsauksessa. Yleisimpiä esimerkkejä kannattaa kuitenkin analysoida.
Yhden oskillaattorin tilassa koodilukko, jossa on aikarajoitettu valinta, voidaan rakentaa usealle mikrosirulle. Toinen tapa on käyttää sitä kynnystason merkinantolaitteena (valo, kapasiteettitaso jne.) yhdessä erilaisten antureiden kanssa.
Multivibraattorikäytössä (astabiilissa tilassa) ajastimella on laajimmat käyttömahdollisuudet. Useisiin ajastimiin voidaan rakentaa ketjutettu kytkin, jossa vilkkumistaajuutta, päälläoloaikaa ja taukoaikaa ohjataan erikseen. Voit käyttää NE555:tä aikareleen perustana ja muodostaa kuluttajien päälläoloajan 1-25 sekunnin välille. On mahdollista rakentaa metronomi muusikolle. Tämä on sirun käytetyin tila, ja kaikkia käyttötapoja on mahdotonta kuvata.
Ajastinta ei käytetä usein Schmitt-liipaisimena. Bistabiilissa tilassa ilman taajuusohjaimia NE555:tä käytetään kuitenkin kosketusponnahduksenvaimentimena tai kahden painikkeen kytkimenä käynnistys-/pysäytystilassa. Itse asiassa käytetään vain integroitua RS-liipaisinta. Tiedetään myös, että ajastimeen perustuva PWM-säädin voidaan rakentaa.
On olemassa piirikirjoja, joissa kuvataan NE555-ajastimen eri käyttötarkoituksia. Sirua voi käyttää tuhansilla eri tavoilla. Mutta tämäkään ei riitä suunnittelijan uteliaalle mielelle, vaan hän löytää ajastimelle ylimääräisen, vielä kuvaamattoman käyttötarkoituksen. Piirisuunnittelijoiden valmiudet mahdollistavat tämän.
Aiheeseen liittyvät artikkelit:
