Podczas projektowania urządzeń elektronicznych często zachodzi potrzeba wygenerowania impulsów o określonej długości lub sygnału prostokątnego o określonej częstotliwości i pewnym stosunku długości do przerwy. Doświadczony konstruktor nie powinien mieć trudności z zaprojektowaniem takiego urządzenia z pojedynczych elementów cyfrowych, ale wygodniej jest użyć do tego celu specjalizowanego układu scalonego.
Spis treści
Czym jest NE555 i gdzie można go używać
Model NE555 został opracowany w latach 70. i nadal cieszy się dużą popularnością wśród profesjonalistów i amatorów. Jest to urządzenie czasowe umieszczone w obudowie 8-stykowej. Jest dostępny w wersji DIP lub do montażu powierzchniowego (SMD).
Mikroukład zawiera dwa komparatory - górny i dolny. Na ich wejściach formowane jest napięcie odniesienia równe 2/3 i 1/3 napięcia zasilania. Dzielnik jest utworzony przez rezystory rezystor 5 kΩ. Komparatory sterują wyzwalaczem RS. Do jego wyjścia podłączony jest wzmacniacz buforowy i przełącznik tranzystorowy. Każdy komparator ma jedno wolne wejście, które jest wykorzystywane do przesyłania zewnętrznych sygnałów sterujących. Górny komparator wyzwala się, gdy pojawi się poziom wysoki, i ustawia wyjście układu na poziom niski. Dolny komparator "monitoruje" spadek napięcia poniżej 1/3 VCC i ustawia wyjście timera na logiczną 1.
Główne właściwości układu scalonego NE555
Właściwości timera mogą się nieznacznie różnić w zależności od producenta, ale żaden producent nie ma zasadniczych różnic (z wyjątkiem układów scalonych nieznanego pochodzenia, po których można się spodziewać wszystkiego):
- Standardowo napięcie zasilania wynosi od +5 V do +15 V, choć w arkuszach danych podawany jest zakres od 4,5...18 V.
- Prąd wyjściowy wynosi 200 mA.
- Napięcie wyjściowe wynosi maksymalnie VCC minus 1,6 V, ale nie mniej niż 2 V przy napięciu zasilania 5 V.
- Pobór prądu przy napięciu 5 V maks. 5 mA, przy napięciu 15 V maks. 13 mA.
- Błąd formowania szerokości impulsu - nie więcej niż 2,25%.
- Maksymalna częstotliwość pracy wynosi 500 kHz.
Wszystkie parametry zostały podane dla temperatury otoczenia +25°C.
Przypisanie i rozmieszczenie styków
Niezależnie od konstrukcji obudowy, wyjścia zegara sterującego są rozmieszczone w standardowy sposób, od 1 do 8, w kolejności rosnącej, przeciwnie do ruchu wskazówek zegara (patrząc od góry). Każdemu stykowi przypisana jest inna funkcja:
- GND - to wspólny przewód zasilający urządzenia.
- TRIG - Podanie niskiego poziomu wyzwala drugi (niższy na schemacie) komparator, którego wyjście jest logiczną jedynką, co powoduje ustawienie wewnętrznego wyzwalacza RS na 0. Podłączony jest do niego zewnętrzny łańcuch czasowy RC. Ma on pierwszeństwo przed THR.
- OUT - wydajność. Poziom wysokiego sygnału jest tuż poniżej napięcia zasilania, poziom niskiego sygnału wynosi 0,25 V.
- RESET - zresetowany. Niezależnie od sygnałów na pozostałych wejściach, stan niski resetuje wyjście do 0 i blokuje działanie timera.
- CTRL - kontrola. Zawsze ma poziom 2/3 napięcia szyny zasilającej. Można tu przyłożyć sygnał zewnętrzny i zmodulować nim wyjście.
- THR - Po osiągnięciu wysokiego poziomu (ponad 2/3 napięcia zasilania) pierwszy (górny) wyzwalacz jest ustawiany na 1 i wewnętrzny Wyzwalacz RS 1. wewnętrzny wyzwalacz RS powraca do logicznej wartości 1.
- DIS - Rozładowanie kondensatora czasowego. Gdy na wyjściu wyzwalającym jest stan wysoki, wewnętrzny tranzystor otwiera się i następuje szybkie rozładowanie. Zegar jest gotowy do rozpoczęcia kolejnego cyklu pracy.
- VCC - wyjście zasilacza. Można do niego przyłożyć napięcie o wartości od 5 do 15 V.
Opis trybów pracy centrali NE555
Chociaż architektura timera pozwala na używanie go w wielu różnych trybach, istnieją trzy typowe tryby pracy układu NE555.
Wibrator pojedynczy (Multiwibrator w stanie gotowości)
Pozycja wyjściowa:
- Na wejściu 2 poziom logiczny jest wysoki;
- Wejścia wyzwalające R i S są zerami;
- Wyjście wyzwalające - 1;
- tranzystor obwodu rozładowania jest otwarty, kondensator C jest zmostkowany;
- na wyjściu 3 - poziom 0.
Gdy na wejściu 2 pojawi się poziom zerowy, dolny komparator przełącza się na 1, resetując wyzwalacz do 0. Na wyjściu układu pojawia się poziom wysoki. W tym samym czasie tranzystor zamyka się, nie bocznikując kondensatora. Rozpoczyna ładowanie przez rezystor R. Gdy tylko napięcie na nim osiągnie 2/3 VCC, górny komparator zadziała, ustawiając wyzwalacz z powrotem na 1, a wyjście timera na 0. Tranzystor otwiera się i rozładowuje kondensator. Generuje to dodatni impuls na wyjściu, którego początek jest określony przez sygnał zewnętrzny na wejściu 2, a koniec zależy od czasu ładowania kondensatora, który jest obliczany według wzoru t=1,1⋅R⋅C.
Multiwibrator
Po podłączeniu zasilania kondensator jest rozładowywany, wejście 2 (i 6) ma wartość logiczną 0, a wyjście timera ma wartość 1 (proces ten został opisany w poprzednim rozdziale). Gdy kondensator zostanie naładowany przez R1 i R2 do 2/3 VCC, poziom wysoki na wejściu 6 spowoduje wyzerowanie wyjścia 3 i otwarcie tranzystora rozładowującego. Kondensator nie będzie jednak rozładowywany bezpośrednio, lecz przez R2. W końcu obwód powróci do swojego pierwotnego położenia i cykl będzie się powtarzał w kółko. Z opisu procesu wynika, że czas ładowania jest określony przez sumę rezystancji R1, R2 i pojemności kondensatora, a czas rozładowania jest określony przez R1 i C. Zamiast R1 i R2 można zastosować rezystory zmienne, a częstotliwość i szybkość impulsów można kontrolować operacyjnie. Wzory do obliczeń są następujące:
- czas trwania impulsu t1=0,693⋅(R1+R2)⋅C;
- czas trwania przerwy t2=0,693⋅R2⋅C;
- częstotliwość powtarzania impulsów f=1/(0,693(R1+2⋅R2)⋅C.
Czas pauzy nie może być dłuższy niż czas impulsu. Aby przezwyciężyć to ograniczenie, obwody rozładowania i ładowania są rozdzielone przez włączenie do obwodu diody (katoda do styku 6, anoda do styku 7).
Wyzwalacz Schmitta
Wyzwalacz Schmitta można zbudować na układzie scalonym 555. Przekształca on wolno zmieniający się sygnał (sinusoidalny, falisty itp.) na falę kwadratową. Nie są tu stosowane żadne obwody synchronizujące, sygnał jest podawany na wejścia 2 i 6 połączone razem. Po osiągnięciu progu 2/3 VCC napięcie wyjściowe przeskakuje do 1, a po obniżeniu do 1/3 również do zera. Strefa nieoznaczoności wynosi 1/3 napięcia zasilania.
Zalety i wady
Główną zaletą układu NE555 jest jego łatwość użycia - do zbudowania obwodu wystarczy mały, dobrze obliczony pakiet. Równocześnie koszt urządzenia jest niski.
Główną wadą timera jest wyraźna zależność czasu trwania impulsu od napięcia zasilania. Dzieje się tak dlatego, że kondensator w przerzutniku lub obwodzie przerzutnika jest ładowany przez rezystor (lub dwa), a górny pin rezystora jest podłączony do szyny zasilania. Prąd płynący przez rezystor jest generowany przez napięcie VCC - im wyższe napięcie, tym większy prąd, tym szybciej ładuje się kondensator, tym wcześniej zadziała komparator i tym krótszy będzie generowany przedział czasu. Z niewiadomych przyczyn tego punktu brakuje w dokumentacji technicznej, ale jest on znany programistom.
Kolejną wadą timera jest to, że napięcia progowe komparatorów są tworzone przez wewnętrzne dzielniki i nie można ich regulować. Zawęża to możliwości zastosowania NE555.
Jest też inna nieprzyjemna cecha. Ze względu na konstrukcję stopnia wyjściowego typu push-pull, w momencie przełączania (gdy tranzystor upstream jest otwarty, a downstream jeszcze nie jest zamknięty, lub odwrotnie.) pojawia się impuls prądowy. Czas jego trwania jest niewielki, ale prowadzi do dodatkowego nagrzewania się mikroukładu i powoduje zakłócenia w obwodzie zasilania.
Jakie są analogi
Od momentu powstania czasomierza opracowano i wypuszczono na rynek dużą liczbę klonów. Są one produkowane przez różne firmy, ale wszystkie zawierają w nazwie cyfrę 555. Wśród fabryk produkujących analogi są zarówno popularni producenci podzespołów elektronicznych, jak i nieznani producenci z Azji Południowo-Wschodniej. O ile te pierwsze są w stanie zapewnić reklamowaną wydajność, o tyle te drugie nie mogą ponosić odpowiedzialności za jakiekolwiek gwarancje. Odchylenia od deklarowanej charakterystyki mogą być duże.
W ZSRR opracowano analogiczny układ KR1006VI1. Jego funkcjonalność jest identyczna jak w przypadku oryginału z jednym wyjątkiem: styk 2 ma pierwszeństwo przed stykiem 6 (a nie na odwrót, jak w przypadku NE555). Należy to wziąć pod uwagę przy projektowaniu obwodów. Jeszcze jedna rzecz: oznaczenie KR oznacza, że układ jest dostępny tylko w obudowie DIP8.
Przykłady praktycznych zastosowań
Obszar zastosowań praktycznych jest szeroki i nie sposób go wyczerpać w niniejszym przeglądzie. Warto jednak przyjrzeć się najczęstszym przykładom.
W trybie jednosilnikowym zamek szyfrowy z ograniczonym czasowo wybieraniem numeru może być zbudowany na kilku mikroprocesorach. Innym sposobem jest użycie go w połączeniu z różnymi czujnikami jako alarmu poziomu progowego (światła, poziomu napełnienia itp.).
W trybie multiwibratora (tryb astabilny) timer ma najszerszy zakres zastosowań. Przełącznik łańcuchowy z oddzielnym sterowaniem częstotliwością migania, czasem włączenia i czasem wstrzymania może być zbudowany na kilku zegarach. Można użyć NE555 jako podstawy przekaźnika czasowego i ustawić czas włączenia odbiorników od 1 do 25 sekund. Istnieje możliwość zbudowania metronomu dla muzyka. Jest to najczęściej używany tryb pracy układu scalonego i nie sposób opisać wszystkich jego zastosowań.
Jako wyzwalacz Schmitta timer nie jest często używany. Jednak w trybie bistabilnym, bez sterowników częstotliwości, NE555 jest używany jako tłumik odbić styków lub jako przełącznik dwuprzyciskowy w trybie start/stop. W rzeczywistości używany jest tylko zintegrowany wyzwalacz RS. Znane jest również budowanie sterownika PWM w oparciu o timer.
Istnieją książki o obwodach, w których opisano różne zastosowania timera NE555. Chip można wykorzystać na tysiące sposobów. Jednak nawet to nie wystarczy dociekliwemu umysłowi konstruktora i znajdzie on dodatkowe, jeszcze nieopisane zastosowanie dla zegara. Pozwalają na to możliwości projektantów układów scalonych.
Powiązane artykuły:
