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).

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.

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.

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

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Моностабильный режим таймера 555 

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

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Почему у триггера в составе таймера 555 два разных входа RESET

Да, внутри таймера 555 действительно есть два разных сигнала сброса, работающих на разных уровнях схемы. Это ключевая часть его надежности и функциональности.

Давайте разберем оба «сброса»:

1. Внешний вход RESET (Вывод 4)

Это пользовательский, принудительный сброс.

• Назначение: Позволяет внешней логике (кнопка, микроконтроллер, другая схема) мгновенно остановить работу таймера в любой момент.

• Логика: Активный низкий (RESET = LOW → сброс).

• Действие: Подает сигнал прямо на R-вход основного RS-триггера, немедленно устанавливая выход триггера в состояние 0, что ведет к низкому уровню на выходе таймера (вывод 3).

• Аналог: Это как «аварийная кнопка» или команда «СТОП» от оператора.

2. Внутренний сброс от компаратора 1 (Вывод 6 — THRESHOLD)

Это автоматический, внутренний сброс по достижении верхнего порога.

• Назначение: Часть нормального рабочего цикла таймера в режиме одновибратора или генератора.

• Логика: Срабатывает, когда напряжение на конденсаторе (и на выводе 6) достигает 2/3 Vcc. В этот момент выход компаратора 1 (верхнего) переходит в HIGH.

• Действие: Этот сигнал HIGH также подается на R-вход того же самого RS-триггера, сбрасывая его.

• Аналог: Это как внутренний таймер, говорящий «время вышло» в конце заданного интервала.

Почему так сделано (ключевая идея)?

RS-триггер — это сердце таймера, его состояние определяет, включен (HIGH) или выключен (LOW) выход. Для управления этим состоянием нужны два независимых канала сброса:

1. Канал «Время вышло» (от компаратора 1) — для автоматической работы по алгоритму.

2. Канал «Аварийный стоп» (внешний Reset) — для принудительного прерывания работы извне.

Оба эти сигнала объединяются по логике ИЛИ на входе R триггера. Любой из них (внутренний «время вышло» ИЛИ внешний «стоп») может и должен иметь возможность сбросить триггер.

Сигнал	Источник	Цель	Когда активен	Результат на выходе (вывод 3)
Внешний RESET (вывод 4)	Пользователь, внешняя схема	Прямой сброс RS-триггера	Когда подается LOW	Немедленный LOW (приоритетный сброс)
Внутренний RESET	Выход Компаратора 1 (от THRESHOLD)	Сброс RS-триггера	Когда V(THRESHOLD) ≥ 2/3 Vcc	LOW в конце штатного временного интервала

Это не ошибка, а продуманная архитектура, которая дает таймеру 555 его гибкость: способность работать в автоматическом режиме и быть при этом мгновенно остановленным по внешней команде.

Схема триггера на основе таймера 555, переключающая нагрузку по нажатию одной кнопки

Это классическая схема триггера на основе таймера 555, которая переключает нагрузку (ВКЛ/ВЫКЛ) по нажатию одной кнопки без фиксации. Вот два наиболее надежных варианта.

Вариант 1: С использованием RC-цепи (Классический RS-триггер на 555)

Эта схема использует 555 в конфигурации RS-триггера с памятью.

Принцип работы:

• При первом нажатии кнопки конденсатор C1 мгновенно разряжается, создавая на выводе 2 (TRIG) короткий низкий импульс. Это устанавливает триггер.
• Выход (вывод 3) переходит в HIGH и включает нагрузку через транзистор.
• Напряжение на конденсаторе C1 растет через резистор R1. При следующем нажатии, когда кнопка замкнута, разряженный конденсатор C2 ненадолго подключает вывод 6 (THRES) к земле, создавая низкий уровень. Так как при этом напряжение на C1 уже высокое (вывод 2 тоже высокий), происходит сброс триггера.
• Выход переходит в LOW, нагрузка выключается.

Список элементов:

• R1 = 10 кОм
• R2, R3 = 10 кОм (можно 4.7 — 22 кОм)
• R4 = 1 кОм (для защиты выхода 555)
• C1, C2 = 10 мкФ (электролитические, + на Vcc)
• C3 = 100 нФ (керамический, блокировочный)
• VD1 — любой маломощный диод (1N4148)
• Кнопка — тактовая без фиксации
• Транзистор VT1 — NPN (например, BC547, КТ315) — если нагрузка до 100 мА. Для больших токов — полевой транзистор.
• Нагрузка (например, реле, светодиод с резистором, моторчик).

Как собрать:

1. Подключите питание (Vcc и GND).
2. Подтяните вывод 4 (RESET) к Vcc.
3. Вывод 5 (CONTROL) через C3 на землю.
4. Соберите цепь кнопки с C1, C2, R1, R2, R3, VD1 как на схеме.
5. Выход (вывод 3) через токоограничивающий резистор R4 на базу транзистора.
6. Нагрузку подключите в коллекторную цепь транзистора (между Vcc_load и коллектором).

Особенности:

• Кнопка должна быть без дребезга (здесь эту роль выполняют конденсаторы C1, C2).
• Переключение происходит по отпусканию кнопки, что улучшает стабильность.

Вариант 2: С использованием логики на D-триггере (более стабильная современная версия)

Для максимальной устойчивости к помехам и дребезгу лучше использовать 555 в роли формирователя антидребезгового импульса, а за память состояния отвечает D-триггер (например, 4013 или 74HC74).

Принцип работы:

1. Формирователь импульса (555): При каждом нажатии кнопки 555 генерирует один четкий короткий импульс на своем выходе, независимо от длительности нажатия и дребезга.
2. Триггер (D-триггер): Каждый импульс с 555 поступает на тактовый вход (CLK) D-триггера. Триггер работает в режиме счетного T-триггера (инверсный выход Q̅ подключен ко входу D). По каждому фронту импульса его состояние меняется на противоположное.

Список элементов для части на 555:

• R1 = 100 кОм (подтяжка кнопки к Vcc)
• R2 = 10 кОм
• C1 = 10 мкФ
• C2 = 100 нФ
• Кнопка тактовая.

Преимущества этого варианта:

• Полное подавление дребезга контактов.
• Четкое, однократное переключение по нажатию.
• Высокая стабильность.
• Нагрузка может быть подключена напрямую к выходу Q триггера (через усилитель, если нужна большая мощность).

Краткий итог и рекомендация

• Вариант 1 — «классика жанра», использует только одну микросхему, но требует точного подбора номиналов и менее устойчив к сильному дребезгу кнопки.

• Вариант 2 — рекомендуемый подход. Он надежнее, стабильнее и является промышленным стандартом для подобных задач. Хотя используется две микросхемы, результат того стоит.

Для первой сборки и понимания принципа начните с варианта 1. Если нужно надежное устройство — выбирайте вариант 2.

Источник статьи