Таймер 555

Таймер 555

  КУПИТЬ: NE555          Документация Устройства: NE555.pdf 


В этой статье мы рассмотрим такую выдающуюся микросхему, как 555-й таймер (обычно обозначается как NE555, но у разных производителей обозначение может быть немного разным). По мере рассказа о ее возможностях и многочисленных способах применения станет понятно, почему она так популярна в мире и почему так знаменита.

Появился этот на первый взгляд очень скромный (всего с 8-ю ножками) электронный компонент в 1970-х годах в одной американской компании. После нескольких усовершенствований эта микросхема стала массовой благодаря простоте ее использования, широкому диапазону питающих напряжений (от 4,5 до 18 В), высокой точности и невысокой цене по сравнению с устройствами аналогичного назначения. С тех пор таймер почти не изменился (внешний вид показан на рис.1) и сохраняет свою внутреннюю схемотехнику почти в первоначальном виде.

 

Рисунок 1
 
Микросхема таймера по своей сути является аналогово-цифровой схемой. Она представляет собой устройство для формирования на своем выходном контакте одиночных или повторяющихся во времени импульсов с постоянными временными характеристиками.
Область применения таймера широчайшая. Он используется для построения различных генераторов сигналов, реле времени, модуляторов, устройств  широтно-импульсного регулирования (например серводвигателей) и других электронных устройств. Нередко он выполняет те же функции, что и триггер, который лежит в его основе: применяется для восстановления цифрового сигнала, искаженного в линиях связи, или используется как фильтр дребезга кнопок.
Хорошим примером использования таймера в повседневной жизни является домофон. Когда вы подносите ключ к домофону, он на некоторое время снимает напряжение с магнита, удерживающего дверь. По истечении этого времени напряжение подается снова. Так вот, это время задается микросхемой таймера.
Самое важное, что надо понять — это то, что функции таймера напрямую зависят от того, к чему и как он подключен. Сделано это для того, чтобы можно было гибко регулировать параметры работы таймера. Без подключения внешних компонентов таймер может работать только как простой триггер или триггер Шмитта. Если же к нему определенным образом подключить резисторы и конденсатор, то он уже может работать как таймер или генератор импульсов — эти режимы работы являются основными и ради них таймер в свое время создавался. 
Режимы работы таймера.
Основных и наиболее часто используемых функций у таймера две:
1. Создание единичного прямоугольного импульса или по-другому — режим моностабильного мультивибратора. После подачи на вход управляющего сигнала на выходном контакте мы получим только один импульс. В этом заключается понятие «моностабильный» - стабильный моно сигнал на выходе, т. е. один импульс.  Продолжительность этого импульса может варьироваться в очень широких границах — от несколько миллисекунд до сотен секунд. Именно в этом и состоит функция таймера. Напомним, что таймер — это устройство, которое отсчитывает время. Вот продолжительность импульса — это и есть отсчет времени, который может использоваться в различных электронных устройствах.
2. Создание непрерывной череды прямоугольных импульсов. Т.е. таймер выступает в роли генератора колебаний или мультивибратора, работающего в режиме автоколебаний. При этом частотой импульсов и их продолжительностью можно легко управлять.
 
Распиновка микросхемы.
Распиновка микросхемы представлена на рисунке 2. Микросхема имеет всего 8 контактов.
 

 

Рисунок 2

1. GND – «земля», подключается к «минусу» источника питания.

2. Trigger. Обозначение контакта в переводе с английского языка означает «запуск». Для того чтобы таймер запустился (выдал одиночный импульс или череду импульсов), на этот контакт подается низкий уровень сигнала (низким для микросхемы считается сигнал с напряжением меньше 1/3 от напряжения питания Vcc).  При подаче на этот вход высокого уровня напряжения (больше, чем 2/3 от Vcc) таймер остановится.

3. Output – выход. Именно на этом контакте формируются единичные или прямоугольные импульсы напряжения, которые формирует таймер.

4. Reset – сброс таймера. При подаче на этот вывод низкого уровня напряжения происходит останов таймера и сброс выходного контакта (контакта 3) в состояние низкого (околонулевого) уровня напряжения независимо от того, в каком режиме работает таймер. Чтобы исключить возможность случайного сброса таймера, этот контакт подключают к высокому уровню напряжения (к «плюсу» источника питания).

5. Control voltage – контроль опорного напряжения. Вход является полностью аналоговым. В зависимости от уровня напряжения, подаваемого на этот контакт, можно изменять длительность импульсов независимо от параметров подключаемых к таймеру внешних  резисторов и конденсатора (RC цепочки). Используется этот вход достаточно редко, поскольку таймер обычно применяется в цифровых системах, внутри которых непросто получить регулирующий аналоговый сигнал. Если этот контакт не применяется, то для предотвращения помех рекомендуется его подключать через конденсатор небольшой емкости к контакту GND.

6. Threshold – можно перевести с английского как «предел» или «порог». При подаче на этот контакт импульса высокого уровня напряжения (больше, чем 2/3 от Vcc) таймер останавливается. При этом выход таймера (контакт №3) переходит в состояние с низким уровнем напряжения. Этот входной контакт участвует в подключении к внешней RC цепочке для управления режимами работы таймера.

7. Discharge – означает разряд. К этому контакту подключается линия конденсатора внешней RC цепочки. Через этот вход разряжается конденсатор, который задает длительность импульсов, выдаваемых таймером.

8. Vcc – питание. Таймер создан на основе КМОП-логики, поэтому допускает напряжение питания в широких пределах от 4,5 до 18 вольт. Однако, если планируется  использовать напряжение выше 5 вольт, рекомендуем изучить документацию на используемый таймер и остальные компоненты электронного устройства, чтобы избежать их повреждения.

 

Таймер в режиме моностабильного мультивибратора
 
Рассмотрим схему изображенную на рисунке 3.
 

Для сборки данной схемы на макетной плате Вам потребуются:


1. Макетная плата
2. Источник питания
(Батарейки и батарейный отсек)
3.Болтовой клеммник (для подключения батарейного отсека)
4. Провода или перемычки
5. Микросхема таймера 555
6. Резисторы
7. Конденсатор электролитический
8. Конденсатор кермический
9. Тактовая кнопка
10. Светодиод

Рисунок 3

Собранная схема будет работать следующим образом.
Упрощенное объяснение работы схемы:
Нажимается кнопка СВ1, которая соединяет контакт №2 (Trigger) с «землей». Таким образом сигнал низкого уровня поступает на контакт 2. Этот сигнал переключает внутренний триггер таймера. В результате на выходе №3 (Output) устанавливается высокий уровень напряжения, и светодиод включится. Одновременно внутри таймера происходит переключение, и прекращается соединение линии контакта №7 (Discharge) с «землей». Это приводит к тому, что конденсатор Си начинает заряжаться через резистор Rи (заряд больше не утекает на землю через контакт 7). При заряде конденсатора напряжение на его контактах начинает расти. Рано или поздно наступит такой момент, когда напряжение станет равным или превысит уровень в 2/3 от напряжения питания. Так как конденсатор соединен и с контактом №6 микросхемы, то напряжение начнет расти и на контакте 6. И в момент когда напряжение достигнет 2/3 от напряжения питания, триггер внутри микросхемы снова переключится и напряжение на выходе №3 станет нулевым (светодиод погаснет). Соответственно, после переключения контакт 7 снова соединится с землей (внутри таймера) и конденсатор быстро разрядится. Таким образом  таймер вернется в первоначальное состояние. Если снова нажать на кнопку, то весь цикл повторится. Длительность времени, когда на выход 3 подается высокий уровень, зависит от времени заряда конденсатора до 2/3 от напряжения питания. Значит, при помощи ёмкости конденсатора и величины сопротивления резистора можно это время регулировать. Но об это чуть позже.
Подробное объяснение работы схемы:
На рисунке 4 показана схема того же самого устройства, что и на рисунке 3. Она нарисована немного по-другому. Пусть вас это не пугает. Любую схему можно нарисовать разными способами. Дополнительно на этой схеме (рис 4) показаны внутренние компоненты таймера, к которым относится делитель напряжений (3 резистора Rt), компараторы К1, К2, RS-триггер, логический элемент НЕ и транзисторный ключ. 

Рисунок 4
Компаратор — это логический элемент, который сравнивает уровни напряжения. У него два аналоговых входа, которые обозначены символами - и +. Соответственно, если на обозначенный знаком + вход  подано более высокое напряжение, чем на вход, обозначенный знаком - , то на выходе компаратора выдается логическая 1. В противном случае на выходе логический 0.
Дополнительно необходимо обратить внимание на делитель напряжения в составе таймера, который состоит из трех резисторов Rt1, Rt2 и Rt3 с одинаковыми сопротивлениями
(Rt1 = Rt2 = Rt3 =5 кОм).
Резисторы объединены в последовательную цепь, на которую подано напряжение Vcc. Как известно, напряжение делится пропорционально значению сопротивления на резисторе. Поэтому между Rt1 и Rt2 напряжение будет равно 2/3 от напряжения Vcc, а между Rt2 и Rt3 напряжение составит 1/3 от Vcc. Отсюда и берутся дробные значения напряжений от напряжения питания, которые фигурировали при описании контактов таймера (а так же и некоторых других микросхем).
Давайте пошагово рассмотрим принцип действия такой схемы.
 a) Включаем питание в собранном устройстве. Схема придет в состояние, когда внутренний транзистор Тк открыт, конденсатор  разряжен, внутренний триггер сброшен, а на выходе из таймера будет низкий сигнал (логический 0).
 b) Нажимаем на кнопку СВ1, соединенную с контактом №2 (Trigger) таймера и «землей» источника питания. В результате подается низкий сигнал для запуска таймера. Напряжение этого сигнала гарантированно ниже  1/3 Vcc, поэтому на выходе компаратора К2 появится логическая 1.
 c) Логическая 1 попадет на вход S (Set) внутреннего триггера таймера. У триггера выход инвертированный, поэтому сигнал на контакте Set переключит триггер в состояние, когда на его выходе будет логический 0. 
 d) Логический ноль на выходе из триггера будет преобразован в логическую 1 на выходном контакте таймера (№3, Output) с помощью логического элемента НЕ. Высокое напряжение на контакте №3, соответствующее логической 1, будет являться началом единичного импульса. Одновременно логический 0 от выхода из триггера попадет на базу транзистора Тк, что приведет к закрытию транзистора. 
 e) Закрытый транзистор Тк означает, что соединение конденсатора с «землей» будетразорвано. Это даст возможность конденсатору заряжаться (заряд не будет стекать на «землю») до напряжения 2/3 Vcc.
Как только это произойдет и уровень напряжения Uси станет чуть больше, чем 2/3 Vcc, это напряжение через контакт №6 (Threshold) попадет на контакт компаратора с обозначением + и переключит его. На выходе из него появится логическая 1, которая попадет на вход R2 (Reset) триггера. Это неминуемо приведет к сбросу триггера. А далее последует цепная реакция: на выходе из триггера - логическая 1 (помним, что вход инвертированный), на выходе №3 таймера - 0, что будет означать окончание единичного импульса. На базу транзистора Тк попадет высокий сигнал, он откроется и через него конденсатор разрядится на «землю», в результате чего система перейдет в первоначальное стабильное состояние.
Для иллюстрации процесса формирования единичного импульса таймером на рисунке 5 изображена диаграмма изменения напряжений на контактах №2 и №3, а также на кондесаторе Cи.
 

Рисунок 5

Остается открытым вопрос, как задать конкретную продолжительность импульса, выдаваемого таймером. Из приведенной на рисунке 5 диаграммы хорошо видно, что длительность импульса — это фактически время, за которое конденсатор Cи зарядится от 0 до 2/3 Vcc через резистор Rи от постоянного напряжения Vcc. Вывод формулы для расчета этого времени мы производить не будем, поскольку он относительно сложный. Поэтому приведем готовую формулу.
tи = 1,1·Rи·Cи
Для задания нужного время импульса необходимо подобрать нужные значения сопротивления резистора Rи и емкости конденсатора Си. В схеме (рис.3) используются резистор Rи номиналом 10000 Ом и конденсатор Си номиналом 220 мкФ = 0,000220 Ф. Следовательно, продолжительность импульса равна: tи = 1,1 * 10000* 0,00022= 2,42 секунды. Ровно столько будет светиться светодиод при нажатии на кнопку.
 
 

Таймер в режиме генератора непрерывных колебаний

Еще более интересный режим работы таймера — это режим создания непрерывной череды импульсов. Фактически это режим генератора электрических колебаний. С помощью 555-го таймера создавать колебания очень просто и удобно.

На рисунке 6 показано, что и как надо подключить, чтобы на выходе №3 микросхемы пошла череда импульсов.

Для сборки данной схемы на макетной плате Вам потребуются:


1. Макетная плата
2. Источник питания
(Батарейки и батарейный отсек)
3.Болтовой клеммник (для подключения батарейного отсека)
4. Провода или перемычки
5. Микросхема таймера 555
6. Резисторы
7. Конденсатор электролитический
8. Конденсатор кермический
9. Светодиод.

Рисунок 6

Упрощенное объяснение работы схемы:

В начальный момент времени конденсатор разряжен, и на контактах микросхемы № 2 и № 6 присутствует низкий уровень напряжения. Когда на контакте 2 подан низкий уровень напряжения, внутренний триггер переключается и устанавливает на выходе №3 таймера высокий уровень напряжения. Выход №7 разъединяется с линией нулевого напряжения (как в схеме из предыдущего урока), и конденсатор начинает заряжаться через резисторы Rи1 и Rи2. Когда напряжение на конденсаторе достигает 2/3 напряжения питания, то это напряжение попадет и на контакт №6, внутренний триггер снова переключится  и напряжение на выходе №3 станет близким к нулю. При этом внутренний ключ таймера соединит контакт №7 с GND («землей»). Конденсатор соединен по схеме с контактом №7 через резистор Rи2, поэтому и он окажется замкнут на «землю», что приведет к его разряду через резистор. Разряжаться конденсатор будет до напряжения, составляющего 1/3 от напряжения питания Vcc. А поскольку конденсатор соединен не только с контактом №6, но еще и с контактом №2, то на входе №2 снова окажется низкий уровень напряжения. Данный факт снова приведет к переключению внутреннего триггера. На выходе №3 микросхемы снова появится высокий уровень и т. д. Соответственно, весь процесс пойдет на новый круг и в дальнейшем появление импульсов будет повторяться постоянно. При этом импульсы будут чередоваться с паузами, в течение которых на выходе будет низкий уровень напряжения. Таким образом, мы получили генератор импульсов, являющийся генератором колебаний. Длительность импульсов зависит от параметров RC цепочки, то есть от величины сопротивления резисторов и емкости конденсатора.

Подробное объяснение работы схемы:

На рисунке 7 показана схема того же самого устройства, что и на рисунке 6. Она нарисована немного по-другому. Дополнительно на этой схеме (рис 7) показаны внутренние компоненты таймера.

Рисунок 7

Пошагово рассмотрим принцип действия такой схемы. 

a) Контакт №2 соединяется с конденсатором, который в начальный момент времени разряжен и на его контакте низкий уровень сигнала. В результате сработает компаратор К2 и сформирует высокий уровень на входе S триггера. Логическая 1 на входе S переключит триггер, на инвертирующем выходе которого установится низкий уровень напряжения (логический 0). Напряжение на 6-м контакте также гарантированно меньше 2/3 Vcc, значит компаратор К1 будет в выключенном состоянии (на выходе будет логический 0 — низкий уровень). Соответственно, на входе триггера Reset2 сигнала не будет.

b) После включения триггера с его выхода логический 0 попадет на  ключ Тк и на инвертирующий элемент НЕ. Благодаря логическому элементу НЕ на выходе №3 микросхемы установится высокий уровень напряжения. Ключ Тк из-за низкого напряжения на базе закроется, и конденсатор Cи начнёт заряжаться через резисторы Rи1 и Rи2.

c) В процессе заряда конденсатора Си напряжение на нем будет увеличиваться и через некоторое время достигнет уровня до 2/3 Vcc. Это напряжение заставит сработать компаратор К1, и высокое напряжение на его выходе через вход Reset 2 сбросит триггер.

d) Сброс тригерра приведет к появлению на его выходе высокого уровня напряжения, которое откроет ключ Тк и через элемент НЕ обеспечит логический ноль на выходе №3 микросхемы. Так завершится существование первого импульса на выходе 555-го таймера.

e) Из-за открытого ключа Тк конденсатор начинает разряжаться через Rи2. Напряжение по схеме равно напряжению на контактах №2 и №6. Поэтому, как только напряжение на Cи снизится до 1/3 Vcc, снова сработает нижний компаратор, формирующий сигнал на входе S триггера. И это снова запустит шаги a), b), c), d). Генератор колебаний будет работать постоянно. 

Происходящие изменения напряжений при работе таймера изображены на временной диаграмме (рисунок 8). 


Рисунок 8

Время, на протяжении которого будет присутствовать высокое напряжение на выходе таймера, можно определить с достаточной точностью из выражения:

tи = 0,693·(Rи1 + Rи2)·Cи

А длительность паузы между импульсами можно вычислить по формуле:

tп = 0,693·Rи2·Cи


Для схемы (рисунок 6) при  Rи1= 10000 Ом ,  Rи2 = 50000 Ом и Cи = 0,0000047 Ф, значит
tи = 0,693·(10000 + 50000)·0,0000047 = 0,195 с;
tп = 0,693·50000·0,0000047 = 0,163 с.

Поскольку мы имеем дело с периодическими колебаниями в данной схеме, то период колебаний составит:

T = tи + tп = 0,693·(Rгк1 + 2·Rгк2)·Cгк = 0,163 + 0,195 = 0,358 с.

Частота колебаний в этом случае может быть определенна по формуле:

f=1/T = 1/0,358 = 2,79 Гц


Более подробно изучить микросхему таймера 555, а так же другие микросхемы, собрать различные интересные и полезные устройства на их снове вы сможете с помощью Основного набора Уровня 1 Эвольвектор.

Написать отзыв

Ваше Имя:


Ваш отзыв: Внимание: HTML не поддерживается! Используйте обычный текст.

Оценка: Плохо           Хорошо

Введите код, указанный на картинке: