Микросхема 555

Каскадное включение двух NE555
(c) 2016 Аня Михайлова

Этот чип специально разработан для создания различных времязадающих цепей. С ним, используя минимум внешних компонент, можно собрать генератор с периодом от сотен секунд до десятков миллисекунд, одновибратор, различные управляемые модуляторы и т.п.

Упрощенно говоря, микросхема работает следующим образом:

1. Два вывода подключаются к плюсу и минусу питания. Будем считать их потенциалы, например, +5 В и 0 В соответственно. Микросхема может работать и с большим напряжением, до 15 В.

2. На выходном контакте может появляться либо "логический 0" - напряжение близкое к минусу питания, либо "логическая единица" - напряжение, близкое к плюсу питания.

3. Входных контактов два. От напряжения на них собственно и зависит куда переключится выходной контакт.

4. К микросхеме подключаются резисторы и конденсатор, таким образом чтобы от выходного напряжения зависело заряжается конденсатор или разряжается - а напряжение с конденсатора подавалось бы на входные контакты. Таким образом микросхема как бы замедленно сама себя переключает то в единицу, то в ноль.

Подробности

Микросхема имеет 8 выводов, основными из них являются:

• плюс питания (8)
• минус питания (1)
• вход сигнала переключения в 0 (6)
• вход сигнала переключения в 1 (2)
• выход (3)

И три вывода вспомогательных:

• сброс (4) - обычно привязан к плюсу (низкий уровень сбрасывает таймер)
• разряд (7) - позволяет быстро разряжать конденсатор при высоком уровне на выходе
• управляющий (5) - можно никуда не подключать (позволяет изменять порог при котором срабатывает сигнал переключения в 0)

Переключение в "ноль" происходит тогда, когда напряжение на входе 6 превышает порог в 2/3 от напряжения питания. Т.е. например 3.3 В (при 5-вольтовом питании).

Переключение в "единицу" происходит наоборот, когда напряжение на входе 2 ниже порога в 1/3 от напряжения питания (т.е. 1.7 В в нашем случае).

Важно заметить, что напряжение между этими двумя порогами не вызывает переключения выхода. Т.е. его состояние остается либо нулем либо единицей в зависимости от того куда его успели переключить раньше.

Если мы соединим оба входа в один, то "зоны переключения" в зависимости от входного напряжения будут выглядеть примерно так:

0               1               2               3               4               5
|               |               |               |               |               |

<-------------------------->                          <------------------------->
   переключение в единицу                                 переключение в ноль
                            <------------------------>
                               состояние не меняется

Схема генератора на м/с 555

Мы рассмотрим две схемы - упрощенную, но не очень корректную (хотя все-таки рабочую) - и более "правильную".

Упрощенная схема приведена слева. Каков принцип ее работы? Мы видим, что RC-цепочка подключена между минусом питания (т.е. нулевым потенциалом) и выходом микросхемы. Значит, когда на выходе высокий уровень (логическая единица), конденсатор будет заряжаться, а когда низкий (ноль) - разряжаться. И то и другое происходит через резистор, значит "постоянная времени" обоих процессов будет tau = R*C. Итак, рассмотрим работу схемы по шагам:

• сначала конденсатор не заряжен, напряжение на нем - а значит и на входах 2,6 - низкое. Из-за этого микросхема переключится в "логическую единицу" - на выходе появится высокий потенциал (близкий к напряжению питания) и конденсатор начнет заряжаться;

• по мере зарядки напряжение на конденсаторе растет - когда оно достигнет 2/3 от напряжения питания, вход 6 "почувствует это" и переключит микросхему в "логический ноль";

• теперь RC-цепь оказывается замкнута верхним концом на минус, на нулевой потенциал - конденсатор начинает разряжаться и напряжение на нем падает - в какой-то момент оно достигнет 1/3 от напряжения питания и вход 2, среагировав на этот порог, переключит микросхему обратно в "логическую единицу";

• теперь процесс повторяется - напряжение на конденсаторе будет пилообразно скакать "в коридоре" между 1/3 и 2/3 - а напряжение на выходе, соответственно, меняется, заставляя светодиод вспыхивать и гаснуть.

Недостаток упрощенной схемы связан с тем, что выходное напряжение "логической единицы" у микросхемы 555 не равно напряжению питания, а меньше него на величину 1 .. 2 В (в зависимости от потребляемого тока). Получается что RC-цепь при зарядке ассимптотически стремится к напряжению 3.5 .. 4 В - в то же время верхний порог (на который реагирует вход 6) остается 2/3 от входного напряжения. Поэтому при низком напряжении питания время зарядки может быть значительно больше времени разрядки что приведет к искажению времени переключения. Хуже того, время будет зависеть от потребляемого тока...

Корректная схема включения, показанная на втором рисунке, не использует вывод 3 для управления времязадающей цепью. Кроме того резистор времязадающей цепи состоит из двух последовательных R1 и R2. Эта цепь постоянно подключена между плюсом и минусом питания, поэтому, если бы не было микросхемы, конденсатор бы просто зарядился до напряжения питания и все.

Однако мы используем вывод 7 микросхемы. Он очень похож на выход 3 - но обладает немного другими электрическими свойствами:

• когда на выходе 3 "логический ноль", то вывод 7 подсоединяется к минусу питания (специальным транзистором внутри микросхемы) - т.е. тоже изображает низкий потенциал;
• когда на выходе 3 "логическая единица", вывод 7 как бы ни с чем не соединен (у него высокое сопротивление и до плюса, и до минуса) - т.е. его можно в такие мгновения игнорировать.

Таким образом вся схема работате по следующим шагам:

1. Сначала на конденсаторе, а также входах 2, 6 низкое напряжение. Выход 3 устанавливается в "логическую единицу", выход 7 отключен. Конденсатор заряжается через R1+R2 от плюса питания.

2. После достижения 2/3 напряжения питания, выход 3 переключается в "логический ноль" а выход 7 подсоединяется к минусу питания (т.е. подсоединяет среднюю точку между резисторами к нулевому потенциалу). Получается что конденсатор разряжается через R1, а R2 просто подключен между плюсом и минусом и влияния не оказывает.

Таким образом данная схема имеет время зарядки (высокий уровень на выходе) пропорциональное (R1 + R2) * C, а время разрядки (низкий уровень на выходе) пропорциональное R1 * C. На самом деле коэффициент пропорциональности около 1.1, так что эти времена можно рассчитывать прямо умножая сопротивления на емкости.

---

Каскадное включение генераторов

Вход 4, если на него подать низкий уровень (соединить с минусом питания, логическим нулем), выключает микросхему таймера. Это можно использовать для того чтобы создавать сложные сигналы с использованием нескольких генераторов. Рассмотрим следующую схему:

Здесь первый таймер (слева) с низкой частотой импульсов используется для включения и выключения второго, с высокой частотой. В результате, второй светодиод быстро мигает несколько раз, потом гаснет на длительную паузу, потом снова выдает несколько миганий и снова пауза. Первый светодиод позволяет видеть, когда управляющий таймер подавляет работу управляемого. Анимация в начале данной статьи показывает работу такой схемы с двумя светодиодами. Детальное изображение ниже:

Если частоту второго таймера сделать 100 - 1000 Гц, то вместо светодиода можно подключить высокоомный динамик (звукоизлучатель). Схема будет выдавать писки, чередующиеся с паузами тишины - это поведение аналогично электронной схеме Первого Искусственного Спутника Земли (1957г).

---

Внутреннее устройство

Как устроена микросхема 555? Она состоит из нескольких функциональных частей. Рассмотрим их по очереди.

Таймер сохраняет свое состояние сколько угодно долго благодаря наличию внутри RS-триггера. Этот триггер имеет два входа которые, при получении логических сигналов, переключают его в 0 или в 1. Выход триггера связан непосредственно с формирователем выходного сигнала.

Для того чтобы получить пороговые напряжения в 2/3 и 1/3 от напряжения питания, используется стойка из трех резисторов (по 5 килоОм), подключенная между плюсом и минусом. Напряжение в точке между нижним и средним резистором 1/3, а между средним и верхним 2/3 от полного напряжения приложенного к стойке.

Эти пороговые напряжения сравниваются со входами 2 и 6 с помощью специальных блоков - компараторов. Эти устройства имеют по два входа - на которые подаются сравниваемые напряжения - и по одному выходу. На выходах устанавливается логический ноль или единица, в зависимости от того, какое напряжение больше.

Выходы компараторов идут непосредственно на вход RS-триггера. Таким образом и происходит его переключение при сравнении входных напряжений с напряжениями на внутреннем тройном резистивном делителе.

Интересно обратить внимание на вход 5. Он связан с той точкой делителя, в которой образуется верхнее пороговое напряжение (2/3 от питания). Если на этот вход подать известное напряжение, или подключить его дополнительным резистором к плюсу или к минусу, то можно влиять на уровень порога срабатывания входа 6. Это используется в схемах управляющих шириной выдаваемых импульсов.