Pri navrhovaní elektronických zariadení je často potrebné generovať impulzy danej dĺžky alebo generovať obdĺžnikový signál s danou frekvenciou a určitým pomerom dĺžky a prestávky. Skúsený konštruktér by nemal mať problém navrhnúť takéto zariadenie z jednotlivých digitálnych prvkov, ale na tento účel je vhodnejšie použiť špecializovaný čip.
Obsah
Čo je NE555 a kde sa dá použiť
Model NE555 bol vyvinutý v 70. rokoch minulého storočia a je stále veľmi obľúbený medzi profesionálmi aj amatérmi. Ide o časovač umiestnený v 8-pinovom puzdre. Je k dispozícii vo verziách DIP alebo SMD (povrchová montáž).
Mikroobvod obsahuje dva komparátory, horný a dolný komparátor. Na ich vstupoch sa vytvára referenčné napätie rovnajúce sa 2/3 a 1/3 napájacieho napätia. Delič je tvorený rezistormi 5 kΩ rezistor. Komparátory riadia spúšť RS. Na jeho výstup je pripojený nárazníkový zosilňovač a tranzistorový spínač. Každý komparátor má jeden voľný vstup a používa sa pre externé riadiace signály. Horný komparátor sa spustí, keď sa objaví vysoká úroveň, a nastaví výstup čipu na nízku úroveň. Dolný komparátor "monitoruje" zníženie napätia pod 1/3 VCC a nastaví výstup časovača na logickú 1.
Hlavné charakteristiky čipu NE555
Vlastnosti časovača sa môžu u jednotlivých výrobcov mierne líšiť, ale žiadny výrobca nemá zásadné rozdiely (okrem čipov neznámeho pôvodu od nich môžete očakávať čokoľvek):
- Napájacie napätie je štandardne špecifikované ako +5 V až +15 V, hoci v technických listoch sa uvádza rozsah 4,5...18 V.
- Výstupný prúd je 200 mA.
- Výstupné napätie je maximálne VCC mínus 1,6 V, ale nie menej ako 2 V pri napájacom napätí 5 V.
- Spotreba prúdu pri 5 V max. 5 mA, pri 15 V max. 13 mA.
- Chyba tvorby šírky impulzu - najviac 2,25 %.
- Maximálna pracovná frekvencia je 500 kHz.
Všetky parametre sú špecifikované pre teplotu okolia +25 °C.
Priradenie a usporiadanie pinov
Bez ohľadu na konštrukciu puzdra sú výstupy časovača usporiadané štandardným spôsobom, od 1 do 8, vo vzostupnom poradí proti smeru hodinových ručičiek (pri pohľade zhora). Každému kolíku je priradená iná funkcia:
- GND - je spoločný napájací vodič zariadenia.
- TRIG - Keď je aplikovaná nízka úroveň, spustí sa druhý (v schéme nižší) komparátor, jeho výstup je logická jednotka, ktorá nastaví vnútorný spúšťač RS na 0. Je k nemu pripojený externý RC časový reťazec. Má prednosť pred THR.
- OUT - výstup. Vysoká úroveň signálu je tesne pod napájacím napätím, nízka úroveň signálu je 0,25 V.
- RESET - resetovať. Nezávisle od signálov na ostatných vstupoch, ak je nízky, resetuje výstup na 0 a zablokuje činnosť časovača.
- CTRL - kontrola. Vždy má úroveň 2/3 napätia napájacej zbernice. Tu je možné použiť externý signál a modulovať ním výstup.
- THR - Keď sa dosiahne vysoká úroveň (viac ako 2/3 napájacieho napätia), prvý (horný obvod) spúšťač sa nastaví na 1 a vnútorný Spúšťací mechanizmus RS 1. Interný spúšťač RS sa vráti na logickú 1.
- DIS - Vybíjanie časového kondenzátora. Keď je výstup spúšťania vysoký, vnútorný tranzistor sa otvorí a dôjde k rýchlemu vybitiu. Časovač je pripravený na ďalší pracovný cyklus.
- VCC - Výstup napájania. Možno naň privádzať napätie 5 až 15 V.
Popis prevádzkových režimov modelu NE555
Hoci architektúra časovača umožňuje jeho použitie v rôznych režimoch, existujú tri typické režimy prevádzky NE555.
Jeden vibrátor (pohotovostný multivibrátor)
Počiatočná pozícia:
- Na vstupe 2 je logická úroveň vysoká;
- Spúšťacie vstupy R a S sú nulové;
- Spúšťací výstup - 1;
- vybíjací tranzistor je otvorený, kondenzátor C je premostený;
- na výstupe 3 - úroveň 0.
Keď sa na vstupe 2 objaví nulová úroveň, spodný komparátor sa prepne na 1, čím sa spúšť resetuje na 0. Na výstupe čipu sa objaví vysoká úroveň. Súčasne sa tranzistor uzavrie, čím sa kondenzátor prestane búriť. Začne sa nabíjať cez rezistor R. Akonáhle napätie na ňom dosiahne 2/3 VCC, horný komparátor sa vypne, čím sa spúšť nastaví späť na 1 a výstup časovača na 0. Tranzistor sa otvorí a vybije kondenzátor. Tým sa na výstupe generuje kladný impulz, ktorého začiatok je určený externým signálom na vstupe 2 a koniec závisí od času nabíjania kondenzátora, ktorý sa vypočíta podľa vzorca t=1,1⋅R⋅C.
Multivibrátor
Po pripojení napájania sa kondenzátor vybije, vstup 2 (a 6) je logická 0, výstup časovača je 1 (tento proces je opísaný v predchádzajúcej časti). Po nabití kondenzátora cez R1 a R2 na 2/3 VCC vysoká úroveň na vstupe 6 vynuluje výstup 3 a vybíjací tranzistor sa otvorí. Kondenzátor sa však nebude vybíjať priamo, ale cez R2. Nakoniec sa obvod vráti do pôvodnej polohy a cyklus sa bude opakovať znova a znova. Z opisu procesu vyplýva, že čas nabíjania je určený súčtom odporov R1, R2 a kapacitou kondenzátora a čas vybíjania je daný R1 a C. Namiesto R1 a R2 možno dodať premenlivé rezistory a operatívne riadiť frekvenciu a frekvenciu impulzov. Vzorce pre výpočet sú nasledovné:
- trvanie impulzu t1=0,693⋅(R1+R2)⋅C;
- trvanie pauzy t2=0,693⋅R2⋅C;
- frekvencia opakovania impulzov f=1/(0,693(R1+2⋅R2)⋅C.
Čas pauzy nesmie presiahnuť čas impulzu. Na prekonanie tohto obmedzenia sú vybíjacie a nabíjacie obvody oddelené tak, že sa do obvodu zaradí dióda (katóda na vývod 6, anóda na vývod 7).
Schmittova spúšť
Schmittov spúšťač môžete vytvoriť na čipe 555. Prevedie pomaly sa meniaci signál (sínusový, vlnový atď.) na štvorcovú vlnu. Nepoužívajú sa tu žiadne časovacie obvody, signál sa privádza na vstupy 2 a 6 spojené dohromady. Pri dosiahnutí prahovej hodnoty 2/3 VCC vyskočí výstupné napätie na 1, pri poklese na 1/3 vyskočí tiež na nulu. Zóna nejednoznačnosti je 1/3 napájacieho napätia.
Výhody a nevýhody
Hlavnou výhodou čipu NE555 je jeho jednoduché použitie - na zostavenie obvodu stačí malý, dobre vypočítaný obal. Náklady na zariadenie sú zároveň nízke.
Hlavnou nevýhodou časovača je výrazná závislosť trvania impulzu od napájacieho napätia. Je to preto, že kondenzátor v klopnom alebo flip-flop obvode sa nabíja cez rezistor (alebo dva) a horný vývod rezistora je pripojený k napájacej lište. Prúd cez rezistor je generovaný napätím VCC - čím vyššie je napätie, tým vyšší je prúd, tým rýchlejšie sa kondenzátor nabije, tým skôr sa komparátor vypne a tým kratší je generovaný časový interval. Z neznámeho dôvodu tento bod v technickej dokumentácii chýba, ale vývojári ho poznajú.
Ďalšou nevýhodou časovača je, že prahové napätia komparátorov sú tvorené vnútornými deličmi a nedajú sa nastaviť. Tým sa zužujú možnosti použitia modelu NE555.
Je tu aj ďalšia nepríjemná vlastnosť. Vzhľadom na push-pull konštrukciu výstupného stupňa sa v okamihu prepnutia (keď je predchádzajúci tranzistor otvorený a nasledujúci ešte nie je uzavretý alebo naopak.) vzniká prúdový impulz. Jeho trvanie je malé, ale vedie k dodatočnému zahrievaniu mikroobvodu a vytvára rušenie v napájacom obvode.
Aké sú analógy
Od existencie časovača sa vyvinulo a vydalo veľké množstvo klonov. Vyrábajú ich rôzne firmy, ale všetky obsahujú čísla 555. Medzi továrňami, ktoré vyrábajú analógie, sú obľúbení výrobcovia elektronických súčiastok aj neznámi výrobcovia z juhovýchodnej Ázie. Zatiaľ čo prvé z nich sú schopné ponúknuť inzerovaný výkon, druhé nemôžu niesť zodpovednosť za žiadne záruky. Odchýlky od deklarovaných charakteristík môžu byť veľké.
ZSSR vyvinul analogický model KR1006VI1. Jeho funkčnosť je totožná s pôvodnou s jednou výnimkou: pin 2 má prednosť pred pinom 6 (a nie naopak ako v prípade modelu NE555). Túto skutočnosť treba zohľadniť pri navrhovaní obvodov. Ešte jedna vec: označenie KR znamená, že čip je k dispozícii len v balení DIP8.
Príklady praktických aplikácií
Oblasť praktického využitia je široká a v tomto prehľade nemôžeme obsiahnuť celú tému. Stojí však za to rozobrať najbežnejšie príklady.
V režime s jedným oscilátorom možno kódový zámok s časovo obmedzeným vytáčaním vytvoriť na niekoľkých mikročipoch. Ďalším spôsobom je použiť ho ako alarm prahovej úrovne (svetlo, úroveň kapacity atď.) v spojení s rôznymi snímačmi.
V režime multivibrátora (astabilný režim) má časovač najširšie možnosti použitia. Reťazový spínač so samostatným ovládaním frekvencie blikania, času zapnutia a času pauzy možno vytvoriť na niekoľkých časovačoch. Zariadenie NE555 môžete použiť ako základ pre časové relé a vytvoriť čas zapnutia spotrebičov od 1 do 25 sekúnd. Je možné zostrojiť metronóm pre hudobníka. Ide o najpoužívanejší režim čipu a nie je možné opísať všetky spôsoby použitia.
Ako Schmittov spúšťač sa časovač nepoužíva často. V bistabilnom režime, bez frekvenčných ovládačov, sa NE555 používa ako potláčač odskoku kontaktov alebo ako dvojtlačidlový spínač v režime štart/stop. V skutočnosti sa používa len integrovaná spúšť RS. Známe je aj zostavenie PWM regulátora na základe časovača.
Existujú knihy o obvodoch, ktoré opisujú rôzne spôsoby použitia časovača NE555. Čip sa dá použiť na tisíce spôsobov. Ani to však zvedavému dizajnérovi nestačí a nájde pre časovač ďalšie, zatiaľ nepopísané využitie. Umožňujú to možnosti konštruktérov čipov.
Súvisiace články:
