Напевно немає такого радіоаматора, який би не використовував в своїй практиці цю чудо мікросхему. Як ні, то чули про неї так вже точно всі.

Її історія почалася в 1971 році, коли компанія Signetics Corporation випустила мікросхему SE555 / NE555 під назвою "Інтегральний таймер" (The IC Time Machine).


На той момент це була єдина "таймерна" мікросхема доступна масовому споживачеві. Відразу після надходження в продаж мікросхема завоювала шалену популярність і серед любителів і серед професіоналів. З'явилася купа статей, описів, схем, що використовують цей девайс.

За минулі десятиріччя практично кожен поважаючий себе виробник напівпровідників вважав своїм обов'язком випустити свою версію цієї мікросхеми, в тому числі і за більш сучасними технічними процесами. Наприклад, компанія Motorola випускає CMOS версію MC1455. Проте у функціональності і розташуванні виводів ніяких відмінностей у всіх цих версій немає. Всі вони повні аналоги один одного.

Ось перелік виробників, які випускають таймер 555 і їх комерційні позначення:

Виробник Назва мікросхеми
ECG Philips ECG955M
Exar XR-555
Fairchild NE555
Harris HA555
Intersil SE555 / NE555
Lithic Systems LC555
Maxim ICM7555
Motorola MC1455 / MC1555
National LM1455 / LM555C
NTE Silvania NTE955M
Raytheon RM555 / RC555
RCA CA555 / CA555C
Sanyo LC7555
Texas Instruments SN52555 / SN72555

 

У деяких випадках вказано дві назви. Це означає, що випускається дві версії мікросхеми - громадська, для комерційного застосування і військова. Військова версія відрізняється більшою точністю, широким діапазоном робочих температур і випускається в металевому або керамічному корпусі. Ну і дорожче, зрозуміло.
Почнемо з корпусу і виводів.

555 case can

555 case dip

Мікросхема випускається в двох типах корпусів - пластиковому DIP та круглому металевому. Правда, в металевому корпусі вона все ж випускалася - зараз залишилися тільки у DIP-корпусі. Але на випадок, якщо вам раптом дістанеться таке щастя, наводжу обидва малюнки корпусу. Призначення виводів однакові в обох корпусах. Крім стандартних, випускається ще два різновиди мікросхем - 556 і 558. 556 - це здвоєна версія таймера, 558 - зчетверена.

555 inside

Функціональна схема таймера показана на малюнку прямо над цим реченням.
Мікросхема містить близько 20 транзисторів, 15 резисторів, 2 діода. Склад і кількість компонентів можуть несуттєво змінюватися в залежності від виробника. Вихідний струм може досягати 200 мА, споживаний - на 3- 6 мА більше. Напруга живлення може змінюватися від 4,5 до 18 вольт. Та ще й точність таймера практично не залежить від зміни напруги живлення і становить 1% від розрахункового. Дрейф становить 0,1% / вольт, а температурний дрейф - 0,005% / С.


Тепер ми подивимося на принципову схему таймера і перемиємо йому кістки, вірніше ноги - який вивід для чого потрібен і що все це означає.

555 circuit

Отже:
1. Земля. Особливо коментувати тут нічого - вивід, який підключається до мінуса живлення і до загального проводу схеми.

2. Запуск. Вхід компаратора №2. У разі подачі на цей вхід імпульсу низького рівня (не більше 1/3 V живлення) таймер запускається і на виході встановлюється напруга високого рівня на час, який визначається зовнішнім опором R (Ra + Rb, див. Функціональну схему) і конденсатором С - це так званий режим МОНОСТАБІЛЬНИЙ мультивібратор. Вхідний імпульс може бути як прямокутним, так і синусоїдальним. Головне, щоб по тривалості він був коротший, ніж час заряду конденсатора С. Якщо ж вхідний імпульс по тривалості все-таки перевищить цей час, то вихід мікросхеми буде залишатися в стані високого рівня до тих пір, доки на вході не встановиться знову високий рівень. Струм, споживаний входом, не перевищує 500 нА.

3. Вихід. Вихідна напруга змінюється разом з напругою живлення і рівна V живлення -1,7 В (високий рівень на виході). За низьким рівнем вихідна напруга дорівнює приблизно 0,25 В (за напруги живлення + 5 В). Перемикання між станами низький - високий рівень відбувається приблизно за 100 нс.

4. Скидання. У разі подачі на цей вивід напруги низького рівня (не більше 0,7 В) відбувається скидання виходу в стан низького рівня не залежно від того, в якому режимі знаходиться таймер на даний момент і чим він зайнятий. Reset, знаєте, він і в Африці reset. Вхідна напруга не залежить від величини напруги живлення - це TTL-сумісний вхід. Для запобігання випадкових випадків скидання цей вивід рекомендується підключити до плюса живлення, доки в ньому немає необхідності.

5. Контроль. Цей вивід дозволяє отримати доступ до опорної напруги компаратора №1, яке дорівнює 2/3 V живлення. Зазвичай, цей вивід не використовується. Проте його використання може вельми істотно розширити можливості управління таймером. Вся справа в тому, що подачею напруги на цей вивід можна управляти тривалістю вихідних імпульсів таймера і таким чином, забути про RC ланцюжок, що задає часовий період. Напруга яку подають на цей вхід в режимі МОНОСТАБІЛЬНИЙ мультивібратор, може становити від 45% до 90% напруги живлення. А в режимі мультивібратора від 1,7 В до напруги живлення. У цьому випадку ми отримуємо ЧС (FM) модульований сигнал на виході. Якщо ж цей вивід все ж не використовується, то його рекомендовано з’єднати до загального проводу через конденсатор 0,01 мкФ (10 нФ) для зменшення рівня перешкод і всіляких інших неприємностей.

6. Запинка. Цей вивід є одним із входів компаратора №1. Він використовується як такий собі антипод виходу 2. Тобто використовується для зупинки таймера й приведення виходу в стан низького рівня. В час подачі імпульсу високого рівня (не менше 2/3 напруги живлення), таймер зупиняється, і вихід скидається в положення з низьким рівнем. Так само як і на вивід 2, на цей вивід можна подавати як прямокутні імпульси, так і синусоїдальні.

7. Розряд. Цей вивід приєднаний до колектора транзистора Т6, емітер якого з'єднаний із землею. Таким чином, у разі відкритого транзистора конденсатор З розряджається через перехід колектор-емітер і залишається в розрядженому стані доки не закриється транзистор. Транзистор відкритий, коли на виході мікросхеми низький рівень і закритий, коли вихід активний, тобто на ньому високий рівень. Цей вивід може також застосовуватися як допоміжний вихід. Навантажувальна здатність його приблизно така ж, як і у звичайного виходу таймера.

8. Плюс живлення. Як і у випадку з виводом 1 особливо нічого не скажеш. Напруга живлення таймера може бути в межах 4,5-16 вольт. У військових версіях мікросхеми верхній діапазон знаходиться на рівні 18 вольт.

Як зрозуміло, то продовжуватиму.

Більшість таймерів потребують RC ланцюжок, який зазвичай складається з резистора і конденсатора. Таймер 555 не виняток. Давайте подивимося на діаграму роботи мікросхеми.

graf

Отже, припустимо, що ми подали живлення на мікросхему. Вхід знаходиться в стані високого рівня, на виході - низький рівень, конденсатор С розряджений. Все спокійно, всі сплять. І тут БАХ - ми подаємо серію прямокутних імпульсів на вхід таймера. Що відбувається?

Перший же імпульс низького рівня перемикає вихід таймера в стан високого рівня. Транзистор Т6 закривається і конденсатор починає заряджатися через резистор R. Весь той час доки конденсатор заряджається, вихід таймера залишається у включеному стані - на ньому зберігається високий рівень напруги. Як тільки конденсатор зарядиться до 2/3 напруги живлення, вихід мікросхеми вимикається і на ньому з'являється низький рівень. Транзистор T6 відкривається і конденсатор С розряджається.
Однак є два нюанси, які показані на графіку пунктирними лініями.

Перший - якщо після закінчення заряду конденсатора на вході зберігається низький рівень напруги - у такому випадку вихід залишатиметься активним - на ньому буде зберігатися високий рівень до тих пір, доки на вході не з'явиться високий рівень.

Другий - якщо ми активуємо вхід Скидання напругою низького рівня. У цьому випадку вихід відразу ж вимкнеться, не дивлячись на те, що конденсатор все ще заряджається.

Отже, ліричну частину закінчили - перейдемо до суворих цифр і розрахунків. Як же нам визначити час, на який буде вмикатись таймер і номінали RC ланцюжка, які необхідні для встановлення цього часу? Час, за який конденсатор заряджається до 63,2% (2/3) напруги живлення називається тимчасовою константою, позначимо її буквою t. Обчислюється цей час приголомшливою за своєю складністю формулою. Ось вона: t = R*C, де R - опір резистора в мегаомах, С - ємність конденсатора в мікрофарадах. Час що отримуємо, визначається в секундах.

До формули ми ще повернемося, коли будемо докладно розглядати режими роботи таймера. А зараз поки що подивимося на простенький тестер для цієї мікросхеми, який з легкістю скаже вам працює ваш екземпляр таймера чи ні.

 555 test

Якщо після увімкнення живлення миготять обидва світлодіоди - значить все добре і мікросхема в цілком робочому стані. Якщо ж хоча б один з діодів не горить або навпаки - горить постійно, значить таку мікросхему можна повернути назад продавцеві, якщо ви її тільки що купили. Напруга живлення - 9 вольт. Наприклад, від батареї "Крона".

Тепер розглянемо режими роботи цієї мікросхеми. Власне кажучи, режимів у неї два.

Перший - моностабільний мультивібратор. Моностабільний - бо стабільний стан у такого мультивібратора один - вимкнений. А у ввімкнений стан ми його переводимо тимчасово, подавши на вхід таймера певний сигнал. Як вже зазначалося вище, час, на який мультивібратор переходить в активний стан, визначається RC ланцюжком. Ці властивості можуть бути використані в найрізноманітніших схемах. Для запуску будь чого на певний час або навпаки - для формування паузи на заданий проміжок часу.

Другий режим - це генератор імпульсів. Мікросхема може видавати послідовність прямокутних імпульсів, параметри яких визначаються все тим ж RC ланцюжком.

Почнемо спочатку, тобто з першого режиму.

555 monostable

Схема увімкнення мікросхеми показана на малюнку. RC ланцюжок ввімкнений між плюсом і мінусом живлення. До з'єднання резистора з конденсатором підключений вивід 6 - Зупинка. Це вхід компаратора №1. Сюди ж підключений вивід 7 - Розряд. Вхідний імпульс подається на вивід 2 - Запуск. Це вхід компаратора №2. Абсолютно простацька схема - один резистор і один конденсатор - куди вже простіше? Для підвищення завадостійкості можна підключити вивід 5 на загальний провід через конденсатор ємністю 10нФ.

Отже, у початковому стані, на виході таймера низький рівень - близько нуля вольт, конденсатор розряджений і заряджатися не хоче, оскільки відкритий транзистор Т6. Цей стан стабільний, він може тривати невизначено довгий час. Якщо надходить на вхід імпульс низького рівня, спрацьовує компаратор №2 і перемикає внутрішній тригер таймера. У результаті на виході встановлюється високий рівень напруги. Транзистор Т6 закривається і починає заряджатися конденсатор С через резистор R. Весь той час, доки він заряджається, на виході таймера зберігається високий рівень. Таймер не реагує ні на які зовнішні збудники, якщо вони надходять до виводу 2. Тобто, після спрацьовування таймера від першого імпульсу подальші імпульси не чинять ніякого дії на стан таймера - це дуже важливо. Тим часом заряджається конденсатор. Коли він зарядиться до напруги 2/3 V живлення, спрацює компаратор №1 і в свою чергу перемкне внутрішній тригер. У результаті на виході встановиться низький рівень напруги, і схема повернеться у свій початковий, стабільний стан. Транзистор Т6 відкриється і розрядить конденсатор С.

Час, на який таймер, так би мовити "збуджується", може бути від однієї мілісекунди до сотень секунд. Розраховується воно так: T = 1.1*R*C .

Теоретично, меж для тривалості імпульсів немає - як для мінімальній тривалості, так і для максимальній. Однак, є деякі практичні обмеження, які обійти можна, проте спочатку варто замислитись - чи потрібно це робити і чи не простіше вибрати інше схемне рішення.

Так, мінімальні значення, встановлені практичним чином для R становить 10 кОм, а для С 95 пФ. Чи можна менше? В принципі так. Але у цьому випадку, якщо ще зменшити опір резистора - схема почне споживати занадто багато енергії. Якщо зменшити ємність С, то усілякі паразитні ємності і перешкоди можуть істотно вплинути на роботу схеми.

З іншого боку, максимальне значення резистора приблизно дорівнює 15 МОм. Тут обмеження накладає струм, споживаний входом «Зупинка» (близько 120 нА) і струм витоку конденсатора С. Таким чином, у випадку коли дуже велике значення резистора таймер просто ніколи не вимкнеться, якщо сума струмів витоку конденсатора і струму входу перевищить 120 нА.

Ну а що стосується максимальної ємності конденсатора, то справа скоріше не в самій ємності, а в струмі витоку. Зрозуміло, що чим більше ємність, тим більше струм витоку і тим гіршою буде точність таймера. Тому, якщо таймер буде використовуватися для великих часових інтервалів, то краще користуватися конденсаторами з малими струмами витоку - наприклад, танталовими.

Перейдемо до другого режиму.

555 astable

У цю схему доданий ще один резистор. Входи обох компараторів з'єднані і підключені до точки з'єднання резистора R2 і конденсатора. Вивід 7 ввімкнений між резисторами. Конденсатор заряджається через резистори R1 і R2.
Тепер подивимося, що ж станеться, коли ми подамо живлення на схему. У початковому стані конденсатор розряджений і на входах обох компараторів низький рівень напруги, близький до нуля. Компаратор №2 перемикає внутрішній тригер і встановлює на виході таймера високий рівень. Транзистор Т6 закривається і конденсатор починає заряджатися через резистори R1 і R2.

graf2

Коли напруга на конденсаторі досягає 2/3 напруги живлення, компаратор №1 в свою чергу перемикає тригер і вимикає вихід таймера - напруга на виході стає близькою до нуля. Транзистор Т6 відкривається і конденсатор починає розряджатися через резистор R2. Як тільки напруга на конденсаторі знизиться до 1/3 напруги живлення, компаратор №2 знову перемкне тригер і на виході мікросхеми знову з'явиться високий рівень. Транзистор Т6 закриється і конденсатор знову почне заряджатися. Отже в результаті, на виході ми отримуємо послідовність прямокутних імпульсів. Частота імпульсів, як ви ймовірно вже здогадалися, залежить від величин C, R1 і R2. Визначається вона за формулою:

f1

Значення R1 і R2 підставляють в Омах, C - у Фарада, частоту отримуємо в Герцах.
Час між початком кожного наступного імпульсу називається періодом і позначається літерою t. Він складається з тривалості самого імпульсу - t1 і проміжком між імпульсами - t2. T = t1 + t2. Частота і період - поняття зворотні один одному і залежність між ними наступна:

f = 1/t.

t1 і t2 зрозуміло теж можна і потрібно порахувати.

Ось так:

t1 = 0.693 (R1 + R2) C; t2 = 0.693 R2C;

Теоретична частина завершена. У наступній частині розглянемо конкретні приклади вмикання таймера 555 в різних схемах і для найрізноманітнішого використання.