Микросхема таймера 555: принцип работы, блок-схема, принципиальная схема


Таймер 555, разработанный Гансом Камензиндом в 1971 году, можно найти во многих электронных устройствах, от игрушек и кухонной техники до даже космических кораблей. Это высокостабильная интегральная схема, которая может производить точные временные задержки и колебания. Таймер 555 имеет три режима работы: бистабильный, моностабильный и нестабильный (астабильный).

Как работает микросхема таймера 555

В этом уроке мы узнаем, как работает таймер 555, одна из самых популярных и широко используемых микросхем всех времен. На нашем сайте уже есть статья про принцип работы таймера 555, но решил не добавлять материал этой статьи в нее чтобы не делать ее излишне большой, а решил добавить ее отдельным материалом. Я надеюсь, материал этих двух статей позволит вам получить исчерпывающую информацию о таймере 555.

Внешний вид и назначение контактов микросхемы таймера 555

Как это работает, внутренняя схема и блок-схема

Давайте подробнее рассмотрим, что находится внутри таймера 555, и объясним, как он работает в каждом из трех режимов. На следующем рисунке приведена внутренняя схема таймера 555, состоящего из 25 транзисторов, 2 диодов и 15 резисторов.

Внутренняя схема таймера 555

Если посмотреть на структурную схему таймера 555, показанную ниже, то она состоит из 2-х компараторов, триггера, делителя напряжения, разрядного транзистора и выходного каскада.

Структурная схема таймера 555

Делитель напряжения состоит из трех одинаковых резисторов номиналом 5 кОм, которые создают два опорных напряжения, составляющие 1/3 и 2/3 подаваемого напряжения, которое может находиться в диапазоне от 5 до 15 В.

Схема делителя напряжения в таймере 555

Далее идут два компаратора. Компаратор — это элемент схемы, который сравнивает два аналоговых входных напряжения на положительном (неинвертирующем) и отрицательном (инвертирующем) входных контактах. Если входное напряжение на положительной клемме выше, чем входное напряжение на отрицательной клемме, компаратор выдаст 1. И наоборот, если напряжение на отрицательной входной клемме выше, чем напряжение на положительной клемме, компаратор выдаст 0.

Компараторы таймера 555

Отрицательная входная клемма первого компаратора подключена к опорному напряжению 2/3 на делителе напряжения и внешнему выводу «управления» (“control”), а положительная входная клемма — к внешнему выводу “Threshold” («Порог»).

С другой стороны, отрицательная входная клемма второго компаратора подключена к выводу «Триггер», а положительная входная клемма — к 1/3 опорного напряжения на делителе напряжения.

Таким образом, используя три контакта: Trigger, Threshold и Control, мы можем управлять выходными данными двух компараторов, которые затем подаются на входы R и S триггера. Триггер будет выводить 1, когда R равен 0, а S равен 1, и наоборот, он будет выводить 0, когда R равен 1, а S равен 0. Кроме того, триггер можно сбросить через внешний вывод, называемый «Reset», который может переопределить два входа и сбросить весь таймер в любой момент.

Принцип переключения состояний таймера 555

Выход Q-bar триггера поступает на выходной каскад или выходные драйверы, которые могут либо генерировать, либо отводить ток 200 мА на нагрузку. Выход триггера также подключен к транзистору, который соединяет вывод “Discharge” («Разряд») с землей.

Бистабильный режим таймера 555 

Теперь давайте приведем пример работы таймера 555 в бистабильном режиме (bistable mode). Для этого нам понадобятся два внешних резистора и две кнопки.

Бистабильный режим таймера 555 

Выводы триггера и сброса микросхемы подключены к VCC через два резистора, поэтому на них всегда высокий уровень. Две кнопки подключены между этими контактами и землей, поэтому, если мы удерживаем их нажатыми, состояние входа будет низким.

Первоначально выходы двух компараторов равны 0, поэтому выход триггера, а также выход таймера 555 равны 0.

Принцип работы таймера 555 в бистабильном режиме (часть 1)

Если мы нажмем кнопку «Триггер», состояние на входе «Триггер» станет низким, поэтому компаратор выдаст высокий уровень, и это приведет к тому, что выходной сигнал перевернутой Q-бара станет низким. Выходной каскад инвертирует это значение, и окончательный выходной сигнал таймера 555 будет высоким.

Принцип работы таймера 555 в бистабильном режиме (часть 2)

Выходной сигнал останется высоким, даже если кнопка триггера не нажата, потому что в этом случае входы триггера R и S будут равны 0, что означает, что триггер не изменит предыдущее состояние. Чтобы сделать выход низким, нам нужно нажать кнопку Reset, которая сбрасывает триггер и всю микросхему.

Диаграммы работы таймера 555 в бистабильном режиме 

Моностабильный режим таймера 555 

Далее посмотрим, как работает таймер 555 в моностабильном режиме (monostable mode). Вот пример схемы для этого.

Моностабильный режим таймера 555 

Вход триггера удерживается на высоком уровне путем подключения его к VCC через резистор. Это означает, что триггерный компаратор выдаст 0 на вход S триггера. С другой стороны, на выводе Threshold («Порог») установлено значение «Низкий», и это приводит к тому, что компаратор «Порог» также выдает значение 0. На выводе Threshold фактически низкий уровень, поскольку на выходе Q-бара триггера высокий уровень, который поддерживает разрядный транзистор активным, поэтому напряжение, поступающее от источника, заземляется через этот транзистор.

Принцип работы таймера 555 в моностабильном режиме (часть 1)

Чтобы изменить состояние выхода таймера 555 на высокий, нам нужно нажать кнопку на триггерном штифте. Это заземлит вывод триггера, или состояние входа будет равно 0, таким образом, компаратор выдаст 1 на вход S триггера. Это приведет к тому, что выходной сигнал Q-bar станет низким, а выходной сигнал таймера 555 станет высоким. При этом мы можем заметить, что разрядный транзистор выключен, поэтому теперь конденсатор С1 начнет заряжаться через резистор R1.

Принцип работы таймера 555 в моностабильном режиме (часть 2)

Таймер 555 будет оставаться в этом состоянии до тех пор, пока напряжение на конденсаторе не достигнет 2/3 подаваемого напряжения. В этом случае пороговое входное напряжение будет выше, и компаратор выдаст 1 на вход R триггера. Это приведет схему в исходное состояние. Выход Q-bar станет высоким, что активирует разрядный транзистор, а также снова сделает выход микросхемы низким.

Диаграммы работы таймера 555 в моностабильном режиме 

Таким образом, мы можем заметить, что время, в течение которого выходной сигнал таймера 555 находится в высоком состоянии, зависит от того, сколько времени требуется конденсатору для зарядки до 2/3 подаваемого напряжения, и это зависит от значений как конденсатора C1, так и резистора R1. Фактически мы можем рассчитать это время по следующей формуле: T=1,1*C1*R1.

Нестабильный режим таймера 555 

Далее посмотрим, как работает Таймер 555 в нестабильном режиме (astable mode). В этом режиме микросхема становится генератором или, как еще называют, автономным мультивибратором. Он не имеет стабильного состояния и постоянно переключается между высоким и низким уровнем без применения какого-либо внешнего триггера. Вот пример схемы таймера 555, работающего в нестабильном режиме.

Нестабильный режим таймера 555

Нам понадобятся всего два резистора и конденсатор. Выводы Trigger и Threshold соединены друг с другом, поэтому нет необходимости во внешнем триггерном импульсе. Первоначально источник напряжения начнет заряжать конденсатор через резисторы R1 и R2. Во время зарядки компаратор триггера выдает 1, поскольку входное напряжение на выводе триггера все еще ниже 1/3 подаваемого напряжения. Это означает, что выход Q-bar равен 0 и разрядный транзистор закрыт. В это время на выходе таймера 555 высокий уровень.

Принцип работы таймера 555 в нестабильном режиме (часть 1)

Как только напряжение на конденсаторе достигнет 1/3 подаваемого напряжения, триггерный компаратор выдаст 0, но в этот момент это не приведет к каким-либо изменениям, поскольку оба входа R и S триггера равны 0. Таким образом, напряжение на конденсаторе равно 0. Напряжение на конденсаторе будет продолжать расти, и как только оно достигнет 2/3 подаваемого напряжения, пороговый компаратор выдаст 1 на вход R триггера. Это активирует разряжающий транзистор, и теперь конденсатор начнет разряжаться через резистор R2 и разряжающий транзистор. В этот момент на выходе таймера 555 низкий уровень.

Принцип работы таймера 555 в нестабильном режиме (часть 2)

Во время разряда напряжение на конденсаторе начинает падать, и пороговый компаратор сразу же начинает выдавать 0, что фактически не приводит к каким-либо изменениям, поскольку теперь оба входа R и S триггера равны 0. Но как только напряжение на конденсаторе упадет до 1/3 подаваемого напряжения, триггерный компаратор выдаст 1. При этом разрядный транзистор отключится, и конденсатор снова начнет заряжаться. Таким образом, эти процессы зарядки и разрядки между 2/3 и 1/3 подаваемого напряжения будут продолжаться самостоятельно, создавая, таким образом, прямоугольный сигнал на выходе таймера 555.

Диаграммы работы таймера 555 в нестабильном режиме 

Мы можем рассчитать время, в течение которого выходной сигнал будет высоким и низким, используя показанные формулы. Время High зависит от сопротивления R1 и R2, а также от емкости конденсатора. С другой стороны, время Low зависит только от сопротивления R2 и емкости конденсатора. Если мы просуммируем время максимума и минимума, мы получим период одного цикла. С другой стороны, частота — это то, сколько раз это происходит за одну секунду, поэтому один за период даст использование частоты выходного сигнала прямоугольной формы.

Формулы для расчета частоты колебаний таймера 555 в нестабильном режиме

Если мы внесем некоторые изменения в эту схему, например, заменим резистор R2 переменным резистором или потенциометром, мы сможем мгновенно контролировать частоту и рабочий цикл прямоугольной волны.

Источник статьи

(Проголосуй первым!)
Загрузка...
14 просмотров

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *