Teoria e pratica sull'uso del timer 555. Parte prima. Teorico. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica

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Probabilmente non esiste un radioamatore del genere (Miao, e il suo gatto! - Di seguito, nota del gatto) che non utilizzerebbe questo meraviglioso microcircuito nella sua pratica. Beh, tutti hanno sicuramente sentito parlare di lei.

La sua storia inizia nel 1971, quando Signetics Corporation ha rilasciato il chip SE555/NE555 chiamato "Integrated Timer" (La macchina del tempo IC).

A quel tempo, era l'unico microcircuito "timer" a disposizione del consumatore di massa. Subito dopo essere stato messo in vendita, il microcircuito ha guadagnato una popolarità sfrenata sia tra i dilettanti che tra i professionisti. Sono apparsi numerosi articoli, descrizioni e diagrammi che utilizzano questo dispositivo.

Negli ultimi 35 anni, quasi tutti i produttori di semiconduttori che si rispettino hanno ritenuto loro dovere rilasciare la propria versione di questo microcircuito, compreso l'utilizzo di processi tecnici più moderni. Ad esempio, Motorola rilascia una versione CMOS dell'MC1455. Ma nonostante tutto ciò, non ci sono differenze tra tutte queste versioni in termini di funzionalità e disposizione dei pin. Sono tutti analoghi completi l'uno dell'altro.

Anche i nostri produttori nazionali non si sono fatti da parte e hanno prodotto questo microcircuito chiamato KR1006VI1.

Ed ecco un elenco di produttori esteri che producono il timer 555 e le loro denominazioni commerciali:

In alcuni casi vengono indicati due nomi. Ciò significa che sono disponibili due versioni del chip: civile, per uso commerciale e militare. La versione militare ha una maggiore precisione, un intervallo di temperature operative più ampio ed è disponibile con custodia in metallo o ceramica. Beh, più costoso, ovviamente.

Iniziamo con il corpo e gli spilli.

Il microcircuito è disponibile in due tipi di custodia: DIP in plastica e metallo rotondo. È vero, veniva ancora prodotto in una custodia di metallo: ora rimangono solo custodie DIP. Ma nel caso in cui all'improvviso dovessi avere tanta fortuna, ti presento entrambi i disegni del caso. Le assegnazioni dei pin sono le stesse in entrambi i casi. Oltre a quelli standard, sono disponibili altri due tipi di microcircuiti: 556 e 558. 556 è una versione doppia del timer, 558 è una versione quadrupla.

Lo schema funzionale del timer è mostrato nella figura direttamente sopra questa frase.

Il microcircuito contiene circa 20 transistor, 15 resistori, 2 diodi. La composizione e la quantità dei componenti possono variare leggermente a seconda del produttore. La corrente di uscita può raggiungere 200 mA, la corrente consumata è di 3-6 mA in più. La tensione di alimentazione può variare da 4,5 a 18 volt. In questo caso la precisione del timer è praticamente indipendente dalle variazioni della tensione di alimentazione ed è pari all'1% di quella calcolata. La deriva è 0,1%/volt e la deriva termica è 0,005%/C.

Ora esamineremo lo schema elettrico del timer e ne laveremo le ossa, o meglio le gambe: quale uscita è necessaria per cosa e cosa significa tutto questo.

(clicca per ingrandire)

Quindi, conclusioni (Meow! Si tratta di gambe...):

1. La terra. Non c'è niente di speciale da commentare qui: l'uscita collegata al meno dell'alimentatore e al filo comune del circuito.

2. Avvia. Ingresso comparatore n. 2. Quando viene applicato un impulso di basso livello (non più di 1/3 Vpit) a questo ingresso, il timer si avvia e sull'uscita viene impostata una tensione di alto livello per un tempo determinato dalla resistenza esterna R (Ra + Rb, vedere diagramma funzionale) e condensatore C: questa è la cosiddetta modalità multivibratore monostabile. L'impulso in ingresso può essere rettangolare o sinusoidale. La cosa principale è che la sua durata dovrebbe essere inferiore al tempo di carica del condensatore C. Se l'impulso di ingresso supera comunque questo tempo di durata, l'uscita del microcircuito rimarrà in uno stato di alto livello finché il livello di ingresso non verrà nuovamente impostato su alto . La corrente consumata dall'ingresso non supera i 500nA.

3. Esci. La tensione di uscita cambia con la tensione di alimentazione ed è pari a Vpit-1,7 V (livello di uscita alto). A un livello basso, la tensione di uscita è di circa 0,25 V (con una tensione di alimentazione di +5 V). Il passaggio dallo stato basso a quello alto avviene in circa 100 ns.

4. Ripristina. Quando viene applicata una tensione di basso livello (non più di 0,7 V) a questa uscita, l'uscita viene ripristinata ad uno stato di basso livello, indipendentemente dalla modalità in cui si trova attualmente il timer e da cosa sta facendo. Reset, si sa, è reset anche in Africa. La tensione di ingresso è indipendente dalla tensione di alimentazione: è un ingresso compatibile con TTL. Per evitare reset accidentali, si consiglia vivamente di collegare questo pin al positivo di alimentazione fino al momento dell'utilizzo.

5. Controllo. Questo pin consente di accedere alla tensione di riferimento del comparatore n. 1, che è pari a 2/3 V di alimentazione. In genere, questo pin non viene utilizzato. Tuttavia, il suo utilizzo può espandere significativamente le capacità di gestione del timer. Il fatto è che applicando tensione a questo pin, puoi controllare la durata degli impulsi di uscita del timer e quindi portare la catena di distribuzione su RC. La tensione fornita a questo ingresso in modalità multivibratore monostabile può variare dal 45% al ​​90% della tensione di alimentazione. E in modalità multivibratore da 1,7 V alla tensione di alimentazione. In questo caso riceviamo in uscita un segnale modulato FM (FM). Se questo pin non viene utilizzato, si consiglia di collegarlo al filo comune tramite un condensatore da 0,01 μF (10 nF) per ridurre il livello di interferenza e tutti i tipi di altri problemi.

6. Fermati. Questo pin è uno degli ingressi del comparatore n. 1. Viene utilizzato come una sorta di antipodo dell'uscita 2. Cioè, viene utilizzato per fermare il timer e portare l'uscita in uno stato di basso livello (Miao! Panico silenzioso?!). Quando viene applicato un impulso di livello alto (almeno 2/3 della tensione di alimentazione), il timer si arresta e l'uscita viene ripristinata allo stato di livello basso. Proprio come il pin 2, a questo pin possono essere forniti sia impulsi rettangolari che sinusoidali.

7. Scarico. Questo pin è collegato al collettore del transistor T6, il cui emettitore è collegato a terra. Pertanto, quando il transistor è aperto, il condensatore C viene scaricato attraverso la giunzione collettore-emettitore e rimane scarico fino alla chiusura del transistor. Il transistor è aperto quando l'uscita del microcircuito è bassa e chiuso quando l'uscita è attiva, cioè alta. Questo pin può essere utilizzato anche come uscita ausiliaria. La sua capacità di carico è all'incirca uguale a quella di un'uscita timer convenzionale.

8. Più nutrizione. Come nel caso della conclusione 1, non c’è molto da dire. La tensione di alimentazione del timer può essere compresa tra 4,5 e 16 volt. Per le versioni militari del chip, la portata massima è di 18 volt.

Assorbito? Andiamo oltre.

La maggior parte dei timer richiede un circuito di temporizzazione, solitamente costituito da un resistore e un condensatore. Il timer 555 non fa eccezione. Diamo un'occhiata allo schema del funzionamento del microcircuito.

Quindi, supponiamo di aver fornito energia al chip. L'ingresso è alto, l'uscita è bassa, il condensatore C è scarico. Tutto è calmo, tutti dormono. E poi BANG: applichiamo una serie di impulsi rettangolari all'ingresso del timer. Cosa sta succedendo?

Il primo impulso di basso livello commuta l'uscita del timer su uno stato di alto livello. Il transistor T6 si chiude e il condensatore inizia a caricarsi attraverso il resistore R. Per tutto il tempo in cui il condensatore si carica, l'uscita del timer rimane attiva e mantiene un livello di tensione elevato. Non appena il condensatore viene caricato a 2/3 della tensione di alimentazione, l'uscita del microcircuito si spegne e su di esso appare un livello basso. Il transistor T6 si apre e il condensatore C si scarica.

Tuttavia, ci sono due sfumature che sono mostrate nel grafico con le linee tratteggiate.

Il primo è se, dopo la fine della carica del condensatore, all'ingresso rimane un livello di tensione basso - in questo caso l'uscita rimane attiva - rimane a un livello alto finché non appare un livello alto all'ingresso. Il secondo è se attiviamo l'ingresso Reset con una bassa tensione. In questo caso, l'uscita si spegnerà immediatamente, nonostante il condensatore sia ancora in carica.

Quindi, abbiamo finito la parte lirica: passiamo a numeri e calcoli severi. Come possiamo determinare l'orario in cui si accenderà il timer e i valori della catena RC necessari per impostare tale orario? Il tempo durante il quale il condensatore viene caricato al 63,2% (2/3) della tensione di alimentazione è chiamato costante di tempo, denotiamolo con la lettera t. Questa volta è calcolato con una formula sorprendente nella sua complessità. Eccola qui: t = R*C, dove R è la resistenza del resistore in MegaOhm, C è la capacità del condensatore in microFarad. Il tempo è ottenuto in secondi.

Torneremo alla formula quando considereremo in dettaglio le modalità operative del timer. Ora diamo un'occhiata a un semplice tester per questo chip, che ti dirà facilmente se la tua istanza del timer funziona o meno.

Se dopo aver acceso entrambi i LED lampeggiano, significa che va tutto bene e il microcircuito è perfettamente funzionante. Se almeno uno dei diodi non si accende o, al contrario, si accende costantemente, allora un tale microcircuito può essere gettato nel WC con la coscienza pulita o restituito al venditore se lo hai appena acquistato. Tensione di alimentazione - 9 volt. Ad esempio, da una batteria Krona.

Ora diamo un'occhiata alle modalità operative di questo microcircuito.

A rigor di termini, ha due modalità. Il primo è un multivibratore monostabile. Monostabile - perché un tale multivibratore ha un solo stato stabile: spento. E lo passiamo temporaneamente allo stato attivo applicando un segnale all'ingresso del timer. Come notato sopra, il tempo durante il quale il multivibratore passa allo stato attivo è determinato dal circuito RC. Queste proprietà possono essere utilizzate in un'ampia varietà di circuiti. Iniziare qualcosa per un certo tempo o viceversa - formare una pausa per un tempo specificato.

La seconda modalità è un generatore di impulsi. Il microcircuito può produrre una sequenza di impulsi rettangolari, i cui parametri sono determinati dalla stessa catena RC. (Miao! Voglio una catena. Per la mia coda. O un braccialetto. Antistatico.)

Dopotutto, il nostro gatto è noioso.

Cominciamo dall'inizio, cioè dalla prima modalità.

Lo schema elettrico per il collegamento del microcircuito è mostrato in figura. Il circuito RC è collegato tra il positivo e il negativo dell'alimentatore. Pin 6 - L'arresto è collegato alla connessione tra il resistore e il condensatore. Questo è l'input del comparatore n. 1. Qui è collegato anche il pin 7: Bit. L'impulso in ingresso viene applicato al pin 2 - Start. Questo è l'input del comparatore n. 2. Un circuito completamente semplice - un resistore e un condensatore - è molto più semplice? Per aumentare l'immunità al rumore è possibile collegare il pin 5 al filo comune tramite un condensatore da 10nF.

Quindi, nello stato iniziale, l'uscita del timer è bassa - circa zero volt, il condensatore è scarico e non vuole caricarsi, poiché il transistor T6 è aperto. Questa condizione è stabile e può durare indefinitamente. Quando un impulso di basso livello arriva all'ingresso, il comparatore n. 2 viene attivato e attiva il trigger del timer interno. Di conseguenza, all'uscita viene stabilito un livello di tensione elevato. Il transistor T6 si chiude e il condensatore C inizia a caricarsi attraverso il resistore R. Per tutto il tempo in cui si carica, l'uscita del timer rimane alta. Il timer non reagisce agli stimoli esterni se arrivano al pin 2. Cioè, dopo che il timer si è attivato dal primo impulso, ulteriori impulsi non hanno effetto sullo stato del timer: questo è molto importante. Allora, cosa sta succedendo lì? Oh, sì, il condensatore si sta caricando. Quando si carica con una tensione di 2/3 V, il comparatore n. 1 funzionerà e, a sua volta, attiverà il trigger interno. Di conseguenza, sull'uscita verrà stabilito un livello di bassa tensione e il circuito tornerà al suo stato originale e stabile. Il transistor T6 si aprirà e scaricherà il condensatore C.

Il tempo durante il quale il timer, per così dire, "impazzisce", può variare da un millisecondo a centinaia di secondi.

Si considera così: T=1.1*R*C

Teoricamente non ci sono limiti alla durata degli impulsi, sia la durata minima che quella massima. Ci sono però alcune limitazioni pratiche che possono essere aggirate, ma prima bisognerebbe pensare se ciò sia necessario e se non sarebbe più semplice scegliere una soluzione circuitale diversa.

Pertanto i valori minimi stabiliti in modo pratico per R sono 10 kOhm, e per C - 95 pF. È possibile fare di meno? Penso di si. Ma allo stesso tempo, se riduci ulteriormente la resistenza del resistore, il circuito inizierà a generare troppa elettricità. Se riduci la capacità C, tutti i tipi di capacità parassite e interferenze possono influenzare in modo significativo il funzionamento del circuito.

D'altra parte, il valore massimo della resistenza è di circa 15 MΩ. In questo caso, la limitazione è imposta dalla corrente consumata dall'ingresso Stop (circa 120 nA) e dalla corrente di dispersione del condensatore C. Pertanto, se il valore del resistore è troppo grande, il timer semplicemente non si spegnerà mai se la somma dei condensatori corrente di dispersione e la corrente di ingresso supera 120 nA.

Ebbene, per quanto riguarda la capacità massima del condensatore, il punto non è tanto nella capacità stessa, ma nella corrente di dispersione. È chiaro che maggiore è la capacità, maggiore sarà la corrente di dispersione e peggiore sarà la precisione del timer. Pertanto, se il timer verrà utilizzato per lunghi intervalli di tempo, è meglio utilizzare condensatori con basse correnti di dispersione, ad esempio il tantalio.

Passiamo alla seconda modalità.

Un altro resistore è stato aggiunto a questo circuito. Gli ingressi di entrambi i comparatori sono collegati e collegati alla giunzione del resistore R2 e del condensatore. Il pin 7 è collegato tra i resistori. Il condensatore viene caricato tramite i resistori R1 e R2.

Ora vediamo cosa succede quando diamo alimentazione al circuito. Nello stato iniziale il condensatore è scarico e gli ingressi di entrambi i comparatori hanno un livello di tensione basso, prossimo allo zero. Il comparatore n. 2 commuta il trigger interno e imposta l'uscita del timer su un livello alto. Il transistor T6 si chiude e il condensatore inizia a caricarsi attraverso i resistori R1 e R2.

Quando la tensione sul condensatore raggiunge i 2/3 della tensione di alimentazione, il comparatore n. 1, a sua volta, attiva il grilletto e spegne l'uscita del timer: la tensione di uscita si avvicina allo zero. Il transistor T6 si apre e il condensatore inizia a scaricarsi attraverso il resistore R2. Non appena la tensione sul condensatore scende a 1/3 della tensione di alimentazione, il comparatore n. 2 commuterà nuovamente il grilletto e all'uscita del microcircuito apparirà nuovamente un livello alto. Il transistor T6 si chiuderà e il condensatore inizierà a caricarsi di nuovo... uff, mi gira già la testa.

In breve, come risultato di tutto questo sciamanesimo, l'output che otteniamo è una sequenza di impulsi rettangolari. La frequenza degli impulsi, come probabilmente hai già intuito, dipende dai valori di C, R1 e R2. È determinato dalla formula:

I valori di R1 e R2 sono sostituiti in Ohm, C - in Farad, la frequenza è ottenuta in Hertz.

Il tempo che intercorre tra l'inizio di ciascun impulso successivo è chiamato periodo ed è indicato dalla lettera t. Consiste nella durata dell'impulso stesso - t1 e nell'intervallo tra gli impulsi - t2. t = t1+t2.

Frequenza e periodo sono concetti inversi e la relazione tra loro è la seguente:

f = 1/t.

Naturalmente anche t1 e t2 possono e devono essere calcolati. Come questo:

t1 = 0.693(R1+R2)C;

t2 = 0.693R2C

Bene, sembra che con la parte teorica abbiamo finito. Nella parte successiva vedremo esempi specifici di accensione del timer 555 in vari circuiti e per un'ampia varietà di usi.

Pubblicazione: radiokot.ru

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