плата на NE555

Подробное описание, применение и схемы включения таймера NE555

Каждый радиолюбитель не раз встречался с микросхемой NE555. Этот маленький восьминогий таймер завоевал колоссальную популярность за функциональность, практичность и простоту использования. На 555 таймере можно собрать схемы самого различного уровня сложности: от простого триггера Шмитта, с обвеской всего в пару элементов, до многоступенчатого кодового замка с применением большого количества дополнительных компонентов.

В данной статье детально ознакомимся с микросхемой NE555, которая, несмотря на свой солидный возраст, по-прежнему остается востребована. Стоит отметить, что в первую очередь данная востребованность обусловлена применением ИМС в схемотехнике с использованием светодиодов.

Описание и область применения

NE555 является разработкой американской компании Signetics, специалисты которой в условиях экономического кризиса не сдались и смогли воплотить в жизнь труды Ганса Камензинда. Именно он в 1970 году сумел доказать важность своего изобретения, которое на тот момент не имело аналогов. ИМС NE555 имела высокую плотность монтажа при низкой себестоимости, чем заслужила особый статус.

Впоследствии её стали копировать конкурирующие производители из разных стран мира. Так появилась отечественная КР1006ВИ1, которая так и осталась уникальной в данном семействе. Дело в том, что в КР1006ВИ1 вход останова (6) имеет приоритет над входом запуска (2). В импортных аналогах других фирм такая особенность отсутствует. Данный факт следует учитывать при разработке схем с активным использованием двух входов.

Однако в большинстве случаев приоритеты не влияют на работу устройства. С целью снижения мощности потребления, ещё в 70-х годах прошлого века был налажен выпуск таймера КМОП-серии. В России микросхема на полевых транзисторах получила название КР1441ВИ1.

Наибольшее применение 555 таймер нашёл в построении схем генераторов и реле времени с возможностью задержки от микросекунд до нескольких часов. В более сложных устройствах он выполняет функции по исключению дребезга контактов, ШИМ, восстановлению цифрового сигнала и так далее.

Особенности и недостатки

Особенностью таймера является внутренний делитель напряжения, который задаёт фиксированный верхний и нижний порог срабатывания для двух компараторов. Ввиду того что делитель напряжения нельзя исключить, а пороговым напряжением нельзя управлять, область применения NE555 сужается.

Таймер на биполярных транзисторах имеет один существенный недостаток, связанный с переходом выходного каскада из одного состояния в противоположное. Каждое переключение сопровождается паразитным сквозным током, который в пике может достигать 400 мА, увеличивая тепловые потери. Решение проблемы заключается в установке полярного конденсатора ёмкостью до 0,1 мкФ между выводом управления (5) и общим проводом. Благодаря ему, повышается стабильность при запуске и надёжность всего устройства. Кроме того, для повышения помехоустойчивости цепь питания дополняют неполярным конденсатором 1 мкФ.

Таймеры, собранные на КМОП-транзисторах, лишены перечисленных недостатков и не нуждаются в монтаже внешних конденсаторов.

Основные параметры ИМС серии 555

Внутреннее устройство NE555 включает в себя пять функциональных узлов, которые можно видеть на логической диаграмме. внутреннее устройство

На входе расположен резистивный делитель напряжения, который формирует два опорных напряжения для прецизионных компараторов. Выходные контакты компараторов поступают на следующий блок – RS-триггер с внешним выводом для сброса, а затем на усилитель мощности. Последним узлом является транзистор с открытым коллектором, который может выполнять несколько функций, в зависимости от поставленной задачи.

Рекомендуемое напряжение питания для ИМС типа NA, NE, SA лежит в интервале от 4,5 до 16 вольт, а для SE может достигать 18В. При этом ток потребления при минимальном Uпит равен 2–5 мА, при максимальном Uпит – 10–15 мА. Некоторые ИМС 555 КМОП-серии потребляют не более 1 мА. Наибольший выходной ток импортной микросхемы может достигать значения в 200 мА. Для КР1006ВИ1 он не выше 100 мА.

Качество сборки и производитель сильно влияют на условия эксплуатации таймера. Например, диапазон рабочих температур NE555 составляет от 0 до 70°C, а SE555 от -55 до +125°C, что важно знать при конструировании устройств для работы в открытой окружающей среде. Более детально ознакомиться с электрическими параметрами, узнать типовые значения напряжения и тока на входах CONT, RESET, THRES, и TRIG можно в datasheet на ИМС серии XX555.

Расположение и назначение выводов

выводыNE555 и её аналоги преимущественно выпускаются в восьмивыводном корпусе типа PDIP8, TSSOP или SOIC. Расположение выводов независимо от корпуса – стандартное. Условное графическое обозначение таймера представляет собой прямоугольник с надписью G1 (для генератора одиночных импульсов) и GN (для мультивибраторов).

  1. Общий (GND). Первый вывод относительно ключа. Подключается к минусу питания устройства.
  2. Запуск (TRIG). Подача импульса низкого уровня на вход второго компаратора приводит к запуску и появлению на выходе сигнала высокого уровня, длительность которого зависит от номинала внешних элементов R и С. О возможных вариациях входного сигнала написано в разделе «Одновибратор».
  3. Выход (OUT). Высокий уровень выходного сигнала равен (Uпит-1,5В), а низкий – около 0,25В. Переключение занимает около 0,1 мкс.
  4. Сброс (RESET). Данный вход имеет наивысший приоритет и способен управлять работой таймера независимо от напряжения на остальных выводах. Для разрешения запуска необходимо, чтобы на нём присутствовал потенциал более 0,7 вольт. По этой причине его через резистор соединяют с питанием схемы. Появление импульса менее 0,7 вольт запрещает работу NE555.
  5. Контроль (CTRL). Как видно из внутреннего устройства ИМС он напрямую соединен с делителем напряжения и в отсутствие внешнего воздействия выдаёт 2/3 Uпит. Подавая на CTRL управляющий сигнал, можно получить на выходе модулированный сигнал. В простых схемах он подключается к внешнему конденсатору.
  6. Останов (THR). Является входом первого компаратора, появление на котором напряжения более 2/3Uпит останавливает работу триггера и переводит выход таймера в низкий уровень. При этом на выводе 2 должен отсутствовать запускающий сигнал, так как TRIG имеет приоритет перед THR (кроме КР1006ВИ1).
  7. Разряд (DIS). Соединен напрямую с внутренним транзистором, который включен по схеме с общим коллектором. Обычно к переходу коллектор-эмиттер подключают времязадающий конденсатор, который разряжается, пока транзистор находится в открытом состоянии. Реже используется для наращивания нагрузочной способности таймера.
  8. Питание (VCC). Подключается к плюсу источника питания 4,5–16В.

Режимы работы NE555

Таймер 555 серии работает в одном из трёх режимов, рассмотрим их более детально на примере микросхемы NE555.

Одновибратор

одновибраторПринципиальная электрическая схема одновибратора приведена на рисунке. Для формирования одиночных импульсов, кроме микросхемы NE555, понадобится сопротивление и полярный конденсатор. Схема работает следующим образом. На вход таймера (2) подают одиночный импульс низкого уровня, который приводит к переключению микросхемы и появлению на выходе (3) высокого уровня сигнала. Продолжительность сигнала рассчитывается в секундах по формуле:

t=1,1*R*C.

По истечении заданного времени (t) на выходе формируется сигнал низкого уровня (исходное состояние). По умолчанию вывод 4 объединен с выводом 8, то есть имеет высокий потенциал.

Во время разработки схем нужно учесть 2 нюанса:

  1. Напряжение источника питания не влияет на длительность импульсов. Чем больше напряжение питания, тем выше скорость заряда времязадающего конденсатора и тем больше амплитуда выходного сигнала.
  2. Дополнительный импульс, который можно подать на вход после основного, не повлияет на работу таймера, пока не истечет время t.

На работу генератора одиночных импульсов можно влиять извне двумя способами:

  • подать на Reset сигнал низкого уровня, который переведёт таймер в исходное состояние;
  • пока на вход 2 поступает сигнал низкого уровня, на выходе будет оставаться высокий потенциал.

Таким образом, с помощью одиночных сигналов на входе и параметров времязадающей цепочки можно получать на выходе импульсы прямоугольной формы с чётко заданной длительностью.

Мультивибратор

мультивибраторМультивибратор представляет собой генератор периодических импульсов прямоугольной формы с заданной амплитудой, длительностью или частотой, в зависимости от поставленной задачи. Его отличие от одновибратора состоит в отсутствии внешнего возмущающего воздействия для нормального функционирования устройства. Принципиальная схема мультивибратора на базе NE555 показана на рисунке.

В формировании повторяющихся импульсов участвуют резисторы R1, R2 и конденсатор С1. Время импульса (t1), время паузы(t2), период (T) и частоту (f) рассчитывают по нижеприведенным формулам: формулыИз данных формул несложно заметить, что время паузы не сможет превысить время импульса, то есть достичь скважности (S=T/t1) более 2 единиц не удастся. Для решения проблемы в схему добавляют диод, катод которого соединяют с выводом 6, а анод с выводом 7.

В datasheet на микросхемы часто оперируют величиной, обратной скважности — Duty cycle (D=1/S), которую отображают в процентах.

Схема работает следующим образом. В момент подачи питания конденсатор С1 разряжен, что переводит выход таймера в состояние высокого уровня. Затем С1 начинает заряжаться, набирая ёмкость до верхнего порогового значения 2/3 UПИТ. Достигнув порога ИМС переключается, и на выходе появляется низкий уровень сигнала. Начинается процесс разряда конденсатора (t1), который продолжается до нижнего порогового значения 1/3 UПИТ. По его достижении происходит обратное переключение, и на выходе таймера устанавливается высокий уровень сигнала. В результате схема переходит в автоколебательный режим.

Прецизионный триггер Шмитта с RS-триггером

Внутри таймера NE555 встроен двухпопроговый компаратор и RS-триггер, что позволяет реализовывать прецизионный триггер Шмитта с RS-триггером на аппаратном уровне. Входное напряжение делится компаратором на три части, при достижении каждой из которых происходит очередное переключение. При этом величина гистерезиса (обратного переключения) равна 1/3 UПИТ. Возможность применения NE555 в качестве прецизионного триггера востребована в построении систем автоматического регулирования.

3 наиболее популярные схемы на основе NE555

Одновибратор

схема одновибратораПрактический вариант схемы одновибратора на TTL NE555 приведен на рисунке. Схема питается однополярным напряжением от 5 до 15В. Времязадающими элементами здесь являются: резистор R1 – 200кОм-0,125Вт и электролитический конденсатор С1 – 4,7мкФ-16В. R2 поддерживает на входе высокий потенциал, пока некоторое внешнее устройство не сбросит его до низкого уровня (например, транзисторный ключ). Конденсатор С2 защищает схему от сквозных токов в моменты переключения.

Активизация одновибратора происходит в момент кратковременного замыкания на землю входного контакта. При этом на выходе формируется высокий уровень длительностью:

t=1,1*R1*C1=1,1*200000*0,0000047=1,03 c.

Таким образом, данная схема формирует задержку выходного сигнала относительно входного на 1 секунду.

Мигание светодиодом на мультивибраторе

Отталкиваясь от рассмотренной выше схемы мультивибратора можно собрать простую светодиодную мигалку. Для этого к выходу таймера последовательно с резистором подключают светодиод. Номинал резистора находят по формуле:

R=(UВЫХ-ULED)/ILED,

UВЫХ – амплитудное значение напряжения на выводе 3 таймера.

Количество подключаемых светодиодов зависит от типа применяемой микросхемы NE555, её нагрузочной способности (КМОП или ТТЛ). Если необходимо мигать светодиодом мощностью более 0,5 Вт, то схему дополняют транзистором, нагрузкой которого станет светодиод.

Реле времени

Схема регулируемого таймера (электронное реле времени) показана на рисунке. реле времениС её помощью можно вручную задавать длительность выходного сигнала от 1 до 25 секунд. Для этого последовательно с постоянным резистором в 10 кОм устанавливают переменный номиналом в 250 кОм. Ёмкость времязадающего конденсатора увеличивают до 100 мкФ.

Схема работает следующим образом. В исходном состоянии на выводе 2 присутствует высокий уровень (от источника питания), а на выводе 3 низкий уровень. Транзисторы VT1, VT2 закрыты. В момент подачи на базу VT1 положительного импульса по цепи (Vcc-R2-коллектор-эмиттер-общий провод) протекает ток. VT1 открывается и переводит NE555 в режим отсчета времени. Одновременно на выходе ИМС появляется положительный импульс, который открывает VT2. В результате ток эмиттера VT2 приводит к срабатыванию реле. Пользователь может в любой момент прервать выполнение задачи, кратковременно закоротив RESET на землю.

Транзисторы BC546, приведенные на схеме, можно заменить на КТ3102.

Рассмотреть все популярные схемы на основе NE555 в одной статье невозможно. Для этого существуют целые сборники, в которых собраны практические наработки за всё время существования таймера. Надеемся, что приведенная информация послужит ориентиром во время сборки схем, в том числе нагрузкой которых служат светодиоды.