Микросхема NE555 создана в 70-х годах XX века и серийно выпускается до сих пор. Столь долгая популярность определена удачной конструкцией, дешевизной и расширенной областью использования.
Описание микросхемы и применение в электронике
NE555 предназначена для генерации импульсов определенной длительности, параметры которых задаются внешними элементами. Для задания параметров импульсов применяются внешние навесные элементы – конденсаторы и резисторы. В самом простейшем случае для работы понадобится лишь один конденсатор и один резистор (хотя на практике так случается нечасто).
Обзор NE555
Для более глубокого понимания принципа работы NE555 и осознанного применения желательно разобраться, как устроена микросхема и ознакомиться с ее техническими параметрами.
Структурная схема
Несмотря на то, что микросхема 555 позиционируется, как таймер, она представляет собой двухпороговый компаратор («компаратор окна»). Входы, выведенные наружу, имеют большое входное сопротивление (токи входов, согласно datasheet, при напряжении питания 15 вольт имеют порядок десятков наноампер). Это позволяет говорить о том, что скорость разряда внешних конденсаторов, от которых зависит время срабатывания, определяется только номиналом внешних резисторов.
Внутри микросхемы имеется делитель, составленный из трех одинаковых резисторов. Напряжение, поданное на вывод питания VCC, делится на 3:
- уровень 2/3 от VCC подается на инвертирующий вход верхнего по схеме компаратора;
- уровень 1/3 от VCC подается на прямой вход нижнего по схеме компаратора.
Эти уровни образуют опорные напряжения, соотношение которых изменить которые нельзя.
Сигнал, подаваемый на прямой (неинвертирующий) выход верхнего по схеме компаратора (вывод Threshold), должен иметь уровень, больший, чем 2/3 от VCC. В этом случае он установит на выходе микросхемы низкое напряжение (уровень LOW). Если напряжение на входе Trigger будет ниже, чем 1/3 напряжения питания, на выходе микросхемы появится высокий уровень (HIGH). Вывод 2 приоритетный – если на нем активное значение напряжения, уровень на выводе 6 не имеет значения.
Подачей внешнего сигнала на вход Reset можно принудительно сбросить выход в ноль.
Характеристики
Важной характеристикой микросхемы является максимальная рабочая частота. Для таймера 555 она составляет около 500 кГц. Другой важной характеристикой является напряжение питания. Микросхема работоспособна в пределах от +5 до +15 VDC относительно вывода GND, хотя в некоторых даташитах указаны более широкие границы — 4,5..18 В.
Остальные электрические характеристики таймера:
- нагрузочная способность выхода (максимальный выходной ток) — 200 мА (при VCC= +15 VDC);
- выходное напряжение уровня HIGH – максимум 13,3 В при VCC= +15 VDC, 2 В при VCC= +5 VDC;
- выходное напряжение уровня LOW – не более 2,5 В при VCC= +15 VDC и токе нагрузки 200 мА;
- ток потребления при 5 В — до 5 мА, при 15 В – до 13 мА;
- неточность установки длительности импульса – не более 2,25%.
Все характеристики приведены для температуры окружающей среды +25 градусов.
Электрические параметры в данных пределах выдерживаются, если микросхема выпущена известным мировым производителем. У малоизвестных изготовителей из Юго-Восточной Азии характеристики могут отклоняться в худшую сторону.
Распиновка
Для микросхем в 8-выводном корпусе, независимо, DIP или SO, расположение выводов будет следующим:
- GND (Ground) – общий провод (для сигнальных цепей и питания).
- TRIG (Trigger) – если напряжение на нем ниже трети напряжения питания (низкий логический уровень), переключает выход в единицу (независимо от уровня на Threshold).
- OUT – выход. Высокий уровень сигнала чуть ниже напряжения питания, низкий – 0,25 В.
- RESET – сброс. При подаче нулевого уровня сбрасывает выход в ноль, имеет приоритет над всеми остальными входами.
- CTRL (Control) – управление. Подключен к верхней точке делителя с напряжением 2/3 VCC. Можно использовать для модуляции выходного уровня внешним сигналом.
- THR (Threshold) – если на этом выводе напряжение превышает 2/3 VCC, верхний компаратор устанавливается в 1 и внутренний RS-триггер переходит в состояние логической единицы.
- DIS – выход каскада с открытым коллектором. Когда на выходе микросхемы логический ноль, вывод подключается к нулевому проводу. Можно использовать для быстрого разряда времязадающего конденсатора.
- VCC – напряжение питания (от 5 до 15 вольт).
Реже встречается NE555 в корпусе с 14 выводами. Этот кейс больше по габаритам, часть выводов просто не используется. Но в некоторых случаях такая оболочка может упростить разводку печатной платы.
Размеры корпусов
Наиболее распространенный тип корпуса NE555 – DIP-8 с восемью выводами в два ряда. Его размеры в миллиметрах приведены на рисунке (в скобках – размеры в дюймах).
В таком кейсе микросхема выпускалась со дня разработки, но в связи с распространением поверхностного монтажа, конструкторы упаковали NE555 и в планарный корпус SO-8.
Модификации и аналоги
Самый известный аналог – отечественная микросхема КР1006ВИ1. Она выпускается в пластиковом корпусе, аналогичном DIP-8, и по электрическим характеристикам полностью повторяет 555. Единственное исключение – у КР1006ВИ1 вывод Treshold имеет приоритет над выводом Trigger (в оригинале наоборот).
Выпускаются и другие зарубежные аналоги микросхемы NE555. Разными производителями используется разная маркировка, но в ней в любом случае присутствуют цифры 555 (SA555, HA555, LC555 и т.п.).
Режимы работы
В datasheet приводятся три основных режима работы микросхемы:
- моностабильная модель – таймер, делитель частоты и т.п.;
- нестационарное состояние (включая режим мультивибратора, стробоскопа,и т.п.);
- бистабильная модель — RS-триггер, в том числе, в режиме «защелки» (без внешнего времязадающего конденсатора).
Эти схемы определяют область применения этого прецизионного таймера.
Описание схем на NE555
Там же, в даташите, приводятся основные схемы схемы включения NE555. На их основе можно строить электронные узлы для различных целей.
Одновибратор
Схема одновибратора, рекомендуемая разработчиками, показана на рисунке. Изначально на входе 2 высокий уровень, на выходе низкий, транзистор, присоединенный к выходу Discharge открыт, конденсатор С разряжен. При появлении на входе 2 (TRIG) уровня LOW, на выходе микросхемы появляется уровень HIGH, транзистор DISCH закрывается, конденсатор С начинает заряжаться, при достижении на нем 2/3 от VCC на выходе напряжение сбрасывается в низкий уровень. Так формируется единичный импульс, длительность которого определяется элементами Ra и С, и может быть рассчитана, как T=1,1*Ra*C. Очевидно, что длительность выходного импульса не зависит от длительности перепада на входе 2. Запускающий импульс должен иметь длину от 10 мкс до длительности выходного импульса.
Реле времени
На базе одновибратора можно построить реле времени, формирующее сигналы, длящиеся заданный период времени. Включение микросхемы принципиально не отличается от предложенной производителем. Частота задается цепочкой R2C1. При указанных номиналах при нажатии на кнопку на выводе 3 появляется положительный импульс длиной около 6 секунд. Потенциометром R2 можно регулировать это время. При необходимости изменить диапазон длительности, надо подобрать значения номиналов цепочки R2C1 – увеличение сопротивления и (или) ёмкости ведет к увеличению длительности и наоборот. Микросхема управляет электромагнитным реле, включенным через транзисторный ключ.
Мультивибратор
Несколько изменив схему подключения времязадающих элементов, на базе таймера можно построить мультивибратор.
Здесь цепь заряда конденсатора выполнена в виде последовательной цепочки RaRb, а разряжается через резистор Rb. Частота следования импульсов определяется по соотношению f = 1.44/(Ra + 2Rb)*C , а период – T=0.693(Ra + 2Rb)*C. Длительность положительного импульса равна th = 0.693(Ra +Rb)*C.
Если подключить к выходу микросхемы пару светодиодов с токоограничивающими резисторами, можно организовать мигалку. Если на выходе уровень LOW, будет светиться верхний светодиод (можно поставить с зеленым цветом свечения), а если HIGH – нижний (красный на схеме).
Если постоянные резисторы заменить переменными или подстроечными, то частоту генерации (соответственно, мигания LED) можно будет регулировать. Недостаток схемы состоит в том, что нельзя раздельно регулировать длительность импульса и частоту.
Улучшенный мультивибратор
Устранить эту проблему можно, разделив цепи заряда и заряда конденсатора диодами. На приведенной схеме конденсатор С1 заряжается через цепь из диода D1 и нижней части потенциометра Р1 (если на выходе микросхемы высокий уровень), а разряжается через D2, Р2 и верхнюю часть Р1.
Широтно-импульсный модулятор
Используя вывод 5 (CONT), можно построить широтно-импульсный модулятор (ШИМ). Частота генерации задается цепочкой RaC. Модулирующий сигнал подается на вывод CONT. Ширина импульсов на выходе определяется уровнем напряжения на выводе CONT. На диаграмме показан результат модуляции синусоидальным сигналом, но это не принципиально – форма модулирующего сигнала может быть любой. Лучше подавать управляющий сигнал через конденсатор, чтобы исключить постоянную составляющую.
Недостатком микросхемы считается наличие встроенного делителя, задающего пороги срабатывания. На примере этой схемы показано, как этот недостаток может быть частично преодолен – уровни переключения компаратора меняются в зависимости от уровня на входе, хотя соотношения плеч делителя остаются неизменными.
Последовательный таймер
Таймеры можно соединять последовательно – например, для последовательной активации участков испытательного оборудования и т.п. Срабатывание одного таймера запускает следующий и так по цепочке. Можно применять NE555 в режиме генераторов или одновибраторов, с модуляцией или без модуляции. Это позволяет строить гибкие схемы выдачи импульсов.
Пример такой схемы приведен на рисунке. Запуск цепочки инициализируется нажатием кнопки S.
Приведенные схемы не охватывают применение микросхемы исчерпывающе. Они лишь иллюстрируют некоторые возможности построения электронных узлов на базе таймера. По мере изучения можно открывать для себя все новые возможности микросхемы и использовать ее для решения различных задач.
