Что такое таймер 555 и как он работает


Микросхема таймера 555 — одна из наиболее часто используемых микросхем среди любителей электроники. Существует множество применений этой микросхемы, в основном используемых в качестве вибраторов, таких как астабильный мультивибратор, моностабильный мультивибратор и бистабильный мультивибратор. В данной статье мы рассмотрим различные аспекты микросхемы таймера 555 и принцип ее работы. Итак, давайте сначала разберемся, что такое нестабильные, моностабильные и бистабильные вибраторы.

Внешний вид микросхемы таймера 555

Астабильный (нестабильный) мультивибратор

Стабильного уровня на выходе такого мультивибратора не будет. Таким образом, выходной сигнал будет колебаться между высоким и низким уровнями. То есть устройство непрерывно генерирует колебания и самопроизвольно переходит из одного состояния в другое. При этом не обязателен внешний сигнал синхронизации, если не требуется захват частоты колебаний.Этот характер нестабильного выходного сигнала используется в качестве тактового или прямоугольного выходного сигнала во многих приложениях.

Моностабильный мультивибратор

Одно из состояний является стабильным, но другое состояние неустойчиво (переходное). Мультивибратор на некоторое время, определяемое параметрами его компонентов, переходит в неустойчивое состояние под действием запускающего импульса. Затем возвращается в устойчивое состояния до прихода очередного запускающего импульса. Такие мультивибраторы используются для формирования импульса с фиксированной длительностью, не зависящей от длительности запускающего импульса. Такой тип мультивибраторов иногда, в литературе, называют одновибраторы или ждущие мультивибраторы.

Бистабильный мультивибратор

Данный мультивибратор устойчив в любом из двух состояний и может быть переключён из одного состояния в другое подачей внешних импульсов. Такие устройства еще называют бистабильными триггерами. Такие триггеры иногда называют «мультивибраторами», что не корректно, так эти триггеры есть лишь подкласс мультивибраторов но никак не мультивибраторы вообще.

Более подробно про данные типы мультивибраторов вы также можете прочитать в соответствующей статье на Википедии.

Характеристики таймера 555

Микросхема NE555 представляет собой 8-контактное устройство. Важными электрическими характеристиками таймера является то, что он не должен работать при напряжении выше 15 В, это означает, что напряжение источника не может быть выше 15 В. Во-вторых, мы не можем получить от чипа ток более 100 мА. Если не следовать этим рекомендациям, микросхема может сгореть и повредиться.

Принцип работы микросхемы таймера 555 (NE555)

Таймер 555 состоит из двух основных компонентов:

  1. Компараторы (два) или два ОУ (операционных усилителя).
  2. Один триггер SR (установленный триггер сброса).

Внутренняя структура микросхемы таймера 555

Как показано на представленном рисунке выше, в таймере есть только два важных компонента: компаратор и триггер. Давайте разберемся в сути этих компонентов.

Компараторы:  компаратор — это просто устройство, которое сравнивает напряжения на входных клеммах (инвертирующих (- VE) и неинвертирующих (+VE) клеммах). Таким образом, в зависимости от разницы положительной и отрицательной клемм на входном порту определяется выходной сигнал компаратора.

Например, предположим, что положительное входное напряжение равно +5 В, а отрицательное входное напряжение равно +3 В. Разница в том, что 5-3=+2В. Поскольку разница положительна, мы получаем положительное пиковое напряжение на выходе компаратора.

Другой пример: если напряжение на положительной клемме составляет +3 В, а напряжение на отрицательной входной клемме составляет +5 В. Разница составляет +3-+5=-2В, поскольку разность входных напряжений отрицательна. На выходе компаратора будет отрицательное пиковое напряжение.

Контакты компаратора

Триггер:  триггер — это ячейка памяти, в которой может храниться один бит данных. В таблице ниже мы можем видеть таблицу истинности SR-триггера.

Триггер имеет четыре состояния для двух входов; однако в этом случае нам нужно понять только два состояния триггера.

S R Q Q' (Q bar)
0 1 0 1
1 0 1 0

Как показано в таблице, для входов установки и сброса триггера мы получаем соответствующее состояние на его выходах. Если на выводе установки есть импульс и низкий уровень при сбросе, то триггер сохраняет значение «1» и помещает высокий логический уровень на клемму Q. Это состояние продолжается до тех пор, пока на вывод сброса не поступит импульс, а на выводе установки будет низкий логический уровень. Это сбрасывает триггер, поэтому выход Q переходит в низкий уровень, и это состояние сохраняется до тех пор, пока триггер не будет установлен снова.

Таким образом, триггер сохраняет один бит данных.

Примечание: состояния контактов Q и Q' всегда противоположны.

В таймере 555 компаратор и триггер объединены.

Предположим, что на таймер подается напряжение 9 В. Из-за делителя напряжения, образованного резисторной сетью внутри таймера, как показано на его схеме; на выводах компаратора будет напряжение. Таким образом, из-за сети делителя напряжения на отрицательной клемме компаратора у нас будет +6 В. И +3В на плюсовой клемме второго компаратора.

Еще одна особенность: один выход компаратора подключен к выводу сброса триггера, поэтому, если на первом выходе компаратора происходит переход от низкого уровня к высокому, то триггер сбрасывается. С другой стороны, выход второго компаратора подключен к установочному выводу триггера, поэтому, если на выходе второго компаратора появляется высокий уровень после низкого, триггер устанавливается и сохраняет ЕДИНИЦУ.

Принцип работы таймера 555 при первоначальной подаче напряжения 9 В

Теперь, если мы внимательно посмотрим, при напряжении менее +3 В на триггерном выводе (отрицательный вход второго компаратора) выходной сигнал компаратора переходит в низкий уровень с высокого, как обсуждалось ранее. Этот импульс устанавливает триггер и сохраняет значение «единица».

Теперь, если мы подадим напряжение выше +6 В на пороговый вывод (положительный вход первого компаратора), выходной сигнал компаратора изменится с низкого на высокий. Этот импульс сбрасывает триггер и сохраняет ноль триггера.

Еще одна вещь происходит во время сброса триггера: когда он сбрасывается, разрядный вывод подключается к земле при включении Q1. Транзистор Q1 включается, потому что Qbar имеет высокий уровень при сбросе и подключен к базе Q1.

В нестабильной конфигурации подключенный сюда конденсатор в это время разряжается, и поэтому выходной сигнал таймера в это время будет низким. В нестабильной конфигурации время, в течение которого конденсатор заряжается, напряжение на триггерном выводе будет меньше +3 В, поэтому триггер будет работать.

Нестабильный вибратор на основе таймера 555

В нестабильной конфигурации, как показано на рисунке, частота выходного сигнала зависит от резисторов RA, RB и конденсатора C. Уравнение колебаний при этом имеет вид:

Frequency(F) = 1/(Time period) = 1.44/((RA+RB*2)*C)

Здесь RA, RB — значения сопротивления, а C — значение емкости. Подставив значения сопротивления и емкости в приведенное выше уравнение, мы получаем частоту выходного прямоугольного сигнала.

Логическое время высокого уровня определяется как TH= 0,693*(RA+RB)*C.

Логическое время низкого уровня определяется как TL= 0,693*RB*C.

Коэффициент заполнения выходного прямоугольного сигнала определяется как Рабочий цикл = (RA+RB)/(RA+2*RB).

Схема и описание контактов таймера 555

Распиновка микросхемы таймера 555

Как показано на рисунке, у микросхемы таймера 555 имеется восемь контактов, а именно:

  1. Общий (GND).
  2. Запуск (TRIG).
  3. Выход (OUT).
  4. Сброс (RESET).
  5. Контроль (CTRL).
  6. Останов/порог (THR).
  7. Разряд (DIS).
  8. Питание (VCC).

Рассмотрим назначение этих контактов более подробно.

Контакт 1. Земля (GND): этот контакт не имеет никакой специальной функции. Он подключен к земле как обычно. Чтобы таймер работал, этот вывод должен быть подключен к земле (общему проводу схемы).

Контакт 8. Питание или VCC: этот контакт также не имеет специальной функции. Он подключен к положительному напряжению питания. Чтобы таймер работал, этот вывод должен быть подключен к положительному напряжению в диапазоне от +3,6 В до +15 В.

Вывод 4. Сброс. Как обсуждалось ранее, в микросхеме таймера имеется триггер. Выход триггера напрямую управляет выходом микросхемы на выводе 3.

Вывод сброса напрямую подключен к контакту MR (Master Reset - главный сброс) триггера. При наблюдении мы можем наблюдать небольшой кружок на контакте MR триггера. Этот пузырек (кружок) обозначает, что на выводе MR (Master Reset) активен триггер низкого уровня. То есть для сброса триггера напряжение на выводе MR должно перейти от ВЫСОКОГО к НИЗКОМу. При такой логике триггер вряд ли опустится до уровня LOW. Таким образом, выходной сигнал становится НИЗКИМ, независимо от каких-либо контактов.

Этот вывод подключен к VCC для предотвращения аппаратного сброса триггера.

Контакт 3. ВЫХОД: Этот контакт также не имеет специальной функции. Этот вывод взят из конфигурации PUSH-PULL, образованной транзисторами.

В подобной двухтактной конфигурации базы двух транзисторов подключены к выходу триггера. Таким образом, когда на выходе триггера появляется высокий логический уровень, NPN-транзистор включается и на выходе появляется +V1. Когда на выходе триггера появляется логика LOW, PNP-транзистор включается и выход притягивается к земле или на выходе появляется –V1.

Таким образом, двухтактная конфигурация используется для получения прямоугольного сигнала на выходе с помощью логики управления триггером. Основная цель этой конфигурации — снять нагрузку с триггера. Поскольку триггер явно не может выдать на выходе ток 100 мА.

До этого момента мы обсуждали контакты, которые не изменяют состояние выхода ни при каких условиях. Остальные четыре контакта являются специальными, поскольку они определяют выходное состояние микросхемы таймера, сейчас мы обсудим каждый из них.

Контакт 5. Контакт управления: он подключается к отрицательному входному контакту первого компаратора.

Предположим, что напряжение между VCC и землей составляет 9 В. Из-за делителя напряжения в микросхеме, как показано на рисунке выше, напряжение на выводе управления будет VCC*2/3 (для VCC = 9, напряжение на выводе=9*2/3=6В).

Функция этого вывода — предоставить пользователю прямой контроль над первым компаратором. Как показано на рисунке выше, выход первого компаратора подается на сброс триггера. На этот вывод мы можем подать другое напряжение, скажем, если подключить его к +8В. Теперь происходит следующее: пороговое напряжение на выводе должно достичь +8 В, чтобы сбросить триггер и снизить выходной сигнал.

В обычном случае напряжение V-out станет низким, как только конденсатор зарядится до 2/3 В постоянного тока (+6 В для источника питания 9 В). Теперь, когда мы подали другое напряжение на вывод управления (один отрицательный компаратор или компаратор сброса), конденсатор должен заряжаться до тех пор, пока его напряжение не достигнет напряжения на управляющем выводе. Из-за этой принудительной зарядки конденсатора время включения и время выключения сигнала изменяется. 

Обычно этот вывод подтягивается вместе с конденсатором чтобы избежать нежелательных шумовых помех в работе устройства.

Вывод 2. ТРИГГЕР:  Вывод триггера подключается к отрицательному входу второго компаратора. Второй выход компаратора подключен к выводу SET триггера. При высоком уровне второго выхода компаратора мы получаем высокое напряжение на выходе таймера. Таким образом, мы можем сказать, что триггерный вывод управляет выходом таймера.

Теперь следует отметить, что низкое напряжение на триггерном выводе приводит к повышению выходного напряжения, поскольку оно находится на инвертирующем входе второго компаратора. Напряжение на триггерном выводе должно быть ниже VCC*1/3 (при VCC 9 В, как предполагается, VCC*(1/3)=9*(1/3)=3В). Таким образом, напряжение на триггерном выводе должно упасть ниже 3 В (для источника питания 9 В), чтобы выходной сигнал таймера стал высоким.

Если этот вывод подключен к земле, выходной сигнал всегда будет высоким.

Вывод 6. ПОРОГ: Пороговое напряжение на выводе определяет, когда следует сбросить триггер таймера. Пороговый вывод подключен к положительному входу компаратора 1.

Здесь разница напряжений между контактами ПОРОГ и КОНТРОЛЬ определяет выходной сигнал компаратора 2 и, следовательно, логику сброса. Если разность напряжений положительна, триггер сбрасывается и выходной сигнал становится низким. Если разница отрицательная, выходной сигнал определяет логика на выводе SET.

Если управляющий контакт открыт, то напряжение, равное или превышающее VCC*(2/3) (т.е. 6 В для источника питания 9 В), приведет к сбросу триггера. Таким образом, выход становится низким.

Таким образом, мы можем заключить, что напряжение на выводе ПОРОГ определяет, когда выходной сигнал должен перейти в низкий уровень, когда управляющий вывод разомкнут.

Вывод 7. РАЗРЯД: Этот вывод выведен из открытого коллектора транзистора. Поскольку транзистор (на котором был взят разрядный вывод, Q1 подключил свою базу к Qbar. Всякий раз, когда выходной сигнал становится низким или триггер сбрасывается, разрядный контакт замыкается на землю. Поскольку Qbar будет высоким, когда Q низкий, транзистор Q1 включается, когда база транзистора получает питание.

Этот вывод обычно разряжает конденсатор в нестабильной конфигурации, поэтому он называется РАЗРЯД.

(Проголосуй первым!)
Загрузка...
308 просмотров

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *