При разработке электронных устройств часто возникает необходимость в формировании импульсов заданной длины или в генерации прямоугольного сигнала с заданной частотой и определенным соотношением длины к паузе. Опытному конструктору не составит труда спроектировать такое устройство на отдельных цифровых элементах, но удобнее использовать для этой цели специализированную микросхему.
Содержание
Что из себя представляет микросхема NE555 и где её можно использовать
Микросхема NE555 разработана в 70-е годы прошлого столетия и по настоящее время пользуется огромной популярностью у профессионалов и любителей. Она представляет собой таймер, заключенный в корпус с 8 выводами. Выпускается в исполнении DIP или в различных вариантах для поверхностного монтажа (SMD).
Микросхема содержит два компаратора – верхний и нижний. На их входах сформировано опорное напряжение, равное 2/3 и 1/3 питающего напряжения. Делитель образован резисторами сопротивлением 5 кОм. Компараторы управляют RS-триггером. К его выходу подключены буферный усилитель и транзисторный ключ. У каждого компаратора свободен один вход, он служит для подачи внешних управляющих сигналов. Верхний компаратор срабатывает при появлении высокого уровня и переводит выход микросхемы в низкий уровень. Нижний «караулит» снижение напряжения ниже 1/3 VCC и устанавливает на выходе таймера логическую единицу.
Основные характеристики микросхемы NE555
Характеристики таймера у разных производителей могут отличаться в небольших пределах, но принципиальных отклонений нет ни у кого (кроме микросхем неизвестного происхождения, от них можно ждать чего угодно):
- Напряжение питания стандартно указывается от +5 до +15 В, хотя в даташитах содержатся пределы 4,5…18 В.
- Выходной ток составляет 200 мА.
- Выходное напряжение – максимум VCC минус 1,6 В, но не менее 2 В при напряжении питания 5 В.
- Потребляемый ток при 5 В не более 5 мА, при 15 В – до 13 мА.
- Погрешность формирования длительности импульса – не более 2,25%.
- Максимальная рабочая частота – 500 кГц.
Все параметры указаны для температуры окружающей среды +25 °С.
Расположение и назначение выводов
Выводы таймера расположены стандартно независимо от исполнения корпуса – по возрастанию от ключа против часовой стрелки (если смотреть сверху), от 1 до 8. Каждый вывод имеет своё назначение:
- GND – общий провод питания устройства.
- TRIG – при подаче низкого уровня запускает второй (нижний по схеме) компаратор, на его выходе появляется логическая единица, устанавливающая внутренний RS-триггер в 0. К нему подключается внешняя времязадающая RC-цепочка. Имеет приоритет перед THR.
- OUT – выход. Высокий уровень сигнала чуть ниже напряжения питания, низкий – 0,25 В.
- RESET – сброс. Независимо от сигналов на других входах, при наличии низкого уровня сбрасывает выход в 0 и запрещает работу таймера.
- CTRL – управление. На нём всегда присутствует уровень 2/3 напряжения шины питания. Сюда можно подать внешний сигнал и промодулировать им выход.
- THR – при появлении высокого уровня (более 2/3 питания) первый (верхний по схеме) триггер устанавливается в 1 и внутренний RS-триггер переходит в состояние логической единицы.
- DIS – разряд времязадающего конденсатора. При появлении на выходе триггера высокого уровня, внутренний транзистор открывается, происходит быстрый разряд. Таймер готов к следующему циклу работы.
- VCC – выход питания. На него можно подавать напряжение от 5 до 15 В.
Описание режимов работы микросхемы NE555
Хотя архитектура таймера позволяет использовать его в различных режимах, существует три типовых вида работы NE555.
Одновибратор (ждущий мультивибратор)
Исходное положение:
- на входе 2 высокий логический уровень;
- на входах R и S триггера – нули;
- выход триггера – 1;
- транзистор цепи разряда открыт, конденсатор С зашунтирован;
- на выходе 3 — уровень 0.
При появлении на входе 2 нулевого уровня, нижний компаратор переключается в 1, перебрасывая триггер в 0. На выходе микросхемы появляется высокий уровень. Одновременно закрывается транзистор, переставая шунтировать конденсатор. Он начинает заряжаться через резистор R. Как только напряжение на нем достигнет 2/3 от VCC, сработает верхний компаратор, установит триггер обратно в 1, а выход таймера — в 0. Транзистор откроется и разрядит ёмкость. Так на выходе сформируется положительный импульс, начало которого определяется внешним сигналом на входе 2, а завершение зависит от времени заряда конденсатора, которое вычисляется по формуле t=1,1⋅R⋅C.
Мультивибратор
При подаче питания конденсатор разряжен, на входе 2 (и 6) логический 0, на выходе таймера 1 (этот процесс описан в предыдущем разделе). После заряда емкости через R1 и R2 до уровня 2/3 VCC высокий уровень на входе 6 перебросит выход 3 в ноль, а разряжающий транзистор откроется. Но разряжаться конденсатор будет не напрямую, а через R2. В итоге схема придет к исходному положению, и цикл повторится вновь и вновь. Из описания процесса видно, что время заряда определяется суммой сопротивлений R1, R2 и емкостью конденсатора, а время разряда задают R1 и С. Вместо R1 и R2 можно поставить переменные резисторы и оперативно управлять частотой и скважностью импульсов. Формулы для расчета:
- длительность импульса t1=0,693⋅(R1+R2)⋅C;
- длительность паузы t2=0,693⋅R2⋅C;
- частота следования импульсов f=1/(0,693(R1+2⋅R2)⋅C.
Время паузы не может превысить время импульса. Чтобы обойти это ограничение, цепи разряда и заряда разделяют, включив в схему диод (катодом к выводу 6, анодом к выводу 7).
Триггер Шмитта
На микросхеме 555 можно построить триггер Шмитта. Это устройство преобразовывает медленно изменяющийся сигнал (синусоиду, пилу и т.п.) в прямоугольный. Здесь времязадающие цепи не используются, сигнал подается на входы 2 и 6, соединенные между собой. При достижении порога 2/3 VCC напряжение на выходе скачком переключается в 1, при снижении до уровня 1/3 также скачкообразно уменьшается до нуля. Зона неоднозначности составляет 1/3 напряжения питания.
Достоинства и недостатки
Главным достоинством микросхемы NE555 является простота применения – для построения схемы достаточно небольшой обвязки, хорошо поддающейся расчёту. При этом стоимость устройства невелика.
Основным минусом таймера является выраженная зависимость длительности импульсов от напряжения питания. Обусловлено это тем, что конденсатор в схеме одновибратора или мультивибратора заряжается через резистор (или через два), а верхний вывод резистора подсоединен к питающей шине. Ток через сопротивление формируется напряжением VCC – чем оно выше, тем больше ток, тем быстрее зарядится конденсатор, тем раньше сработает компаратор, тем короче будет формируемый временной интервал. По неизвестной причине этот момент отсутствует в технической документации, но хорошо знаком разработчикам.
Другой недостаток таймера состоит в том, что пороговые напряжения компараторов формируются внутренними делителями и регулировке не подлежат. Это сужает возможности применения NE555.
И ещё одна неприятная особенность. В связи с двухтактной схемой построения выходного каскада, в момент переключения (когда верхний транзистор уже открыт, а нижний еще не закрыт или наоборот) идет импульс сквозного тока. Его длительность невелика, но он приводит к дополнительному нагреву микросхемы и формирует помехи по цепям питания.
Какие существуют аналоги
За время существования таймера, разработано и выпущено большое количество клонов. Выпускаются они различными фирмами, но все содержат в названии цифры 555. Среди заводов, производящих аналог, есть как популярные производители электронных компонентов, так и неизвестные изготовители из Юго-Восточной Азии. Если первые обеспечивают задекларированные параметры, то от вторых не стоит ждать никаких гарантий. Отклонения от заявленных характеристик могут быть велики.
В СССР разработан аналогичный таймер КР1006ВИ1. Его функциональность полностью повторяет оригинал, с одним исключением: у него вывод 2 имеет приоритет над выводом 6 (а не наоборот, как у NE555). Это надо учитывать при разработке схем. И ещё один момент: индекс КР означает, что микросхема выпускается только в корпусе DIP8.
Примеры практического использования
Область практического применение таймера широка, в рамках данного обзора полностью раскрыть тему не получится. Но наиболее распространенные примеры разобрать стоит.
В режиме одновибратора на нескольких микросхемах можно построить кодовый замок с ограничением времени набора кода. Другой путь – использование в качестве сигнализатора достижения порогового уровня (освещенности, уровня наполнения ёмкости и т.д.) совместно с различными датчиками.
В режиме мультивибратора (астабильный режим) таймер находит широчайшее применение. На нескольких таймерах можно построить переключатель гирлянд с раздельным регулированием частоты мигания, времени включения и времени паузы. Можно применять NE555 как основу для реле времени и формировать время включения потребителей от 1 до 25 секунд. Можно построить метроном для музыканта. Это самый используемый режим микросхемы, и все способы применения описать невозможно.
В качестве триггера Шмитта таймер используется нечасто. Но в бистабильном режиме без частотозадающих элементов NE555 применяют в качестве подавителя дребезга контактов или двухкнопочного выключателя в режиме «старт-стоп». Фактически, используется только встроенный RS-триггер. Также известно о построении на базе таймера ШИМ-регулятора.
Существуют сборники схем, в которых описаны различные варианты применения таймера NE555. В них описаны тысячи способов использования микросхемы. Но пытливому уму конструктора и этого может оказаться недостаточно, и он найдет дополнительное, ещё нигде не описанное использование таймера. Возможности, заложенные разработчиками микросхемы, это позволяют.
Похожие статьи:
Загрузка...