Lors de la conception de dispositifs électroniques, il est souvent nécessaire de générer des impulsions d'une longueur donnée ou de générer un signal rectangulaire avec une fréquence donnée et un certain rapport longueur/pause. Un concepteur expérimenté ne devrait avoir aucune difficulté à concevoir un tel dispositif à partir d'éléments numériques simples, mais il est plus pratique d'utiliser une puce spécialisée à cet effet.
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Ce qu'est le NE555 et où il peut être utilisé
Le NE555 a été développé dans les années 1970 et est toujours très populaire parmi les professionnels et les amateurs. Il s'agit d'un dispositif de temporisation logé dans un boîtier à 8 broches. Il est disponible en version DIP ou montage en surface (SMD).
Le microcircuit contient deux comparateurs, un comparateur supérieur et un comparateur inférieur. Une tension de référence égale à 2/3 et 1/3 de la tension d'alimentation est formée sur leurs entrées. Le diviseur est formé par des résistances Résistance de 5 kΩ. Les comparateurs contrôlent le déclencheur RS. Un amplificateur tampon et un commutateur à transistor sont connectés à sa sortie. Chaque comparateur a une entrée libre et est utilisé pour les signaux de contrôle externes. Le comparateur supérieur se déclenche lorsqu'un niveau élevé apparaît et met la sortie de la puce à un niveau bas. Le comparateur inférieur "surveille" la réduction de la tension en dessous de 1/3 VCC et met la sortie du timer à 1 logique.
Les principales caractéristiques de la puce NE555
Les caractéristiques des minuteurs peuvent varier légèrement d'un fabricant à l'autre, mais aucun fabricant ne présente de différences fondamentales (à l'exception des puces d'origine inconnue, vous pouvez tout attendre d'elles) :
- La tension d'alimentation est spécifiée de +5V à +15V en standard, bien que les fiches techniques spécifient une gamme de 4,5...18V.
- Le courant de sortie est de 200 mA.
- La tension de sortie est au maximum VCC moins 1,6 V, mais pas moins de 2 V à une tension d'alimentation de 5 V.
- Consommation de courant à 5 V max 5 mA, à 15 V max 13 mA.
- Erreur de formation de la largeur d'impulsion - pas plus de 2,25%.
- La fréquence de fonctionnement maximale est de 500 kHz.
Tous les paramètres sont spécifiés pour une température ambiante de +25°C.
Affectation et disposition des broches
Quelle que soit la conception du boîtier, les sorties de la minuterie sont disposées de manière standard, de 1 à 8, dans l'ordre croissant dans le sens inverse des aiguilles d'une montre (en vue de dessus). Chaque broche est affectée à une fonction différente :
- GND - est le fil d'alimentation commun de l'appareil.
- TRIG - Lorsque le niveau bas est appliqué, il déclenche le deuxième comparateur (en bas du diagramme), sa sortie est un un logique, ce qui met le déclencheur interne RS à 0. Une chaîne de temps RC externe y est connectée. Il a la priorité sur le THR.
- OUT - sortie. Le niveau du signal haut est juste en dessous de la tension d'alimentation, le niveau du signal bas est de 0,25V.
- RESET - remise à zéro. Indépendamment des signaux sur les autres entrées, si elle est basse, elle remet la sortie à 0 et inhibe le fonctionnement de la minuterie.
- CTRL - contrôle. Il a toujours un niveau de 2/3 de la tension du bus d'alimentation présent. Un signal externe peut être appliqué ici et la sortie peut être modulée avec ce signal.
- THR - Lorsqu'un niveau élevé est atteint (plus de 2/3 de la tension d'alimentation), le premier déclencheur (en haut du circuit) est mis à 1 et la fonction interne de l'appareil est activée. Déclencheur RS 1. le déclencheur RS interne passe à la logique 1.
- DIS - Décharge du condensateur de temps. Lorsque la sortie de déclenchement est élevée, le transistor interne s'ouvre et une décharge rapide se produit. Le timer est prêt pour le prochain cycle de travail.
- VCC - Sortie de l'alimentation électrique. Une tension de 5 à 15 V peut y être appliquée.
Description des modes de fonctionnement du NE555
Bien que l'architecture du timer lui permette d'être utilisé dans une variété de modes, il existe trois modes de fonctionnement typiques du NE555.
Vibrateur simple (Multivibrateur en veille)
Position initiale :
- A l'entrée 2, le niveau logique est élevé ;
- Les entrées de déclenchement R et S sont des zéros ;
- Sortie de déclenchement - 1 ;
- Le transistor du circuit de décharge est ouvert, le condensateur C est ponté ;
- à la sortie 3 - niveau 0.
Lorsque le niveau zéro apparaît sur l'entrée 2, le comparateur inférieur passe à 1, remettant le déclencheur à 0. Un niveau haut apparaît à la sortie de la puce. Au même moment, le transistor se ferme, ne shuntant plus le condensateur. Il commence à se charger via la résistance R. Dès que la tension à ses bornes atteint 2/3 de VCC, le comparateur supérieur se déclenche, remettant le trigger à 1 et la sortie du timer à 0. Le transistor s'ouvre et décharge le condensateur. Cela génère une impulsion positive à la sortie, dont le début est déterminé par le signal externe à l'entrée 2 et dont la fin dépend du temps de charge du condensateur, qui est calculé selon la formule t=1,1⋅R⋅C.
Multivibrateur
Lorsque l'alimentation est appliquée, le condensateur est déchargé, l'entrée 2 (et 6) est à 0 logique, la sortie du timer est à 1 (ce processus est décrit dans la section précédente). Une fois que le condensateur est chargé via R1 et R2 à 2/3 VCC, le niveau élevé de l'entrée 6 remet la sortie 3 à zéro et le transistor de décharge s'ouvre. Mais le condensateur ne sera pas déchargé directement, mais à travers R2. Le circuit finira par revenir à sa position initiale et le cycle se répétera encore et encore. De la description du processus, il ressort que le temps de charge est déterminé par la somme des résistances R1, R2 et la capacité du condensateur, et que le temps de décharge est fixé par R1 et C. Au lieu de R1 et R2, des résistances variables peuvent être fournies et la fréquence et le taux d'impulsion peuvent être contrôlés de manière opérationnelle. Les formules de calcul sont les suivantes :
- durée d'impulsion t1=0.693⋅(R1+R2)⋅C ;
- durée de la pause t2=0,693⋅R2⋅C ;
- fréquence de répétition des impulsions f=1/(0,693(R1+2⋅R2)⋅C.
Le temps de pause ne peut pas dépasser le temps d'impulsion. Pour surmonter cette limitation, les circuits de décharge et de charge sont séparés en incluant une diode (cathode à la broche 6, anode à la broche 7) dans le circuit.
Déclencheur de Schmitt
Vous pouvez construire un trigger de Schmitt sur une puce 555. Il convertit un signal à variation lente (sinus, forme d'onde, etc.) en une onde carrée. Aucun circuit de temporisation n'est utilisé ici, le signal est appliqué aux entrées 2 et 6 connectées ensemble. En atteignant le seuil de 2/3 VCC, la tension de sortie saute à 1, en tombant à 1/3, elle saute également à zéro. La zone d'ambiguïté est de 1/3 de la tension d'alimentation.
Avantages et inconvénients
Le principal avantage de la puce NE555 est sa facilité d'utilisation - un petit boîtier bien calculé suffit pour construire le circuit. En même temps, le coût de l'appareil est faible.
Le principal inconvénient de cette minuterie est une dépendance prononcée de la durée de l'impulsion par rapport à la tension d'alimentation. En effet, le condensateur d'une bascule ou d'un circuit de bascule est chargé via une résistance (ou deux), et la broche de la résistance supérieure est connectée au rail d'alimentation. Le courant à travers la résistance est généré par la tension VCC - plus la tension est élevée, plus le courant est élevé, plus le condensateur se charge rapidement, plus le comparateur se déclenche tôt, et plus l'intervalle de temps généré est court. Pour une raison inconnue, ce point est absent de la documentation technique, mais il est connu des développeurs.
Un autre inconvénient du timer est que les tensions de seuil des comparateurs sont formées par des diviseurs internes et ne peuvent pas être ajustées. Cela réduit les possibilités d'application du NE555.
Il existe également une autre caractéristique désagréable. En raison de la conception push-pull de l'étage de sortie, au moment de la commutation (lorsque le transistor amont est ouvert et que le transistor aval n'est pas encore fermé ou vice versa.) il y a une impulsion de courant. Sa durée est faible, mais elle entraîne un échauffement supplémentaire du microcircuit et forme des interférences dans le circuit d'alimentation.
Quels sont les analogues
Depuis l'existence de la minuterie, un grand nombre de clones ont été développés et mis en circulation. Ils sont produits par des entreprises différentes, mais tous contiennent le numéro 555. Parmi les usines produisant des analogues, on trouve à la fois des fabricants de composants électroniques populaires et des fabricants inconnus d'Asie du Sud-Est. Si les premiers sont en mesure d'offrir les performances annoncées, les seconds ne peuvent être tenus responsables d'aucune garantie. Les écarts par rapport aux caractéristiques déclarées peuvent être importants.
L'URSS a développé l'analogue KR1006VI1. Sa fonctionnalité est identique à celle de l'original à une exception près : la broche 2 est prioritaire sur la broche 6 (et non l'inverse comme dans le NE555). Il faut en tenir compte lors de la conception des circuits. Une dernière chose : la désignation KR signifie que la puce n'est disponible que dans un boîtier DIP8.
Exemples d'applications pratiques
Le domaine d'application pratique est vaste et nous ne pouvons pas couvrir l'ensemble du sujet dans la présente revue. Mais il est intéressant d'analyser les exemples les plus courants.
En mode mono-oscillateur, une serrure à code avec composition limitée dans le temps peut être construite sur plusieurs micropuces. Une autre possibilité est de l'utiliser en conjonction avec divers capteurs comme une alarme de niveau de seuil (lumière, niveau de capacité, etc.).
En mode multivibrateur (mode astable), le timer a la plus large gamme d'applications. Un interrupteur en guirlande avec contrôle séparé de la fréquence de clignotement, du temps d'activation et du temps de pause peut être construit sur plusieurs minuteries. Vous pouvez utiliser le NE555 comme base d'un relais temporisé et former le temps d'activation des consommateurs de 1 à 25 secondes. Il est possible de construire un métronome pour un musicien. Il s'agit du mode le plus utilisé de la puce et il est impossible d'en décrire toutes les utilisations.
En tant que trigger de Schmitt, le timer n'est pas souvent utilisé. Mais en mode bistable, sans pilotes de fréquence, le NE555 est utilisé comme un suppresseur de rebond de contact ou comme un interrupteur à deux boutons en mode marche/arrêt. En fait, seul le déclencheur RS intégré est utilisé. Il est également connu de construire un contrôleur PWM basé sur le timer.
Il existe des livres sur les circuits qui décrivent les différentes utilisations de la minuterie NE555. Il existe des milliers de façons d'utiliser la puce. Mais même cela n'est pas suffisant pour l'esprit curieux du concepteur, et il trouvera une utilisation supplémentaire, non encore décrite, pour le minuteur. Les capacités des concepteurs de puces le permettent.
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