In diesem Tutorial lernen wir, wie der 555 Timer funktioniert, einer der beliebtesten und am häufigsten verwendeten ICs aller Zeiten. Sie können sich das folgende Video ansehen oder das schriftliche Tutorial unten lesen.
Der 555 Timer, 1971 von Hans Camenzind entworfen, ist in vielen elektronischen Geräten zu finden, angefangen von Spielzeug und Küchengeräten bis hin zu einem Raumschiff. Er ist ein hochstabiler integrierter Schaltkreis, der genaue Zeitverzögerungen und Oszillationen erzeugen kann. Der 555 Timer hat drei Betriebsarten: bistabil, monostabil und astabil.
Funktionsweise, interner Schaltplan und Blockdiagramm
Lassen Sie uns einen genaueren Blick auf das Innere des 555 Timers werfen und erklären, wie er in jeder der drei Betriebsarten funktioniert. Hier ist der interne Schaltplan des 555 Timers, der aus 25 Transistoren, 2 Dioden und 15 Widerständen besteht.
In einem Blockdiagramm dargestellt, besteht er aus 2 Komparatoren, einem Flip-Flop, einem Spannungsteiler, einem Entladetransistor und einer Ausgangsstufe.
Der Spannungsteiler besteht aus drei identischen 5k-Widerständen, die zwei Referenzspannungen bei 1/3 und 2/3 der Versorgungsspannung erzeugen, die zwischen 5 und 15V liegen können.
Nächstes Element sind die beiden Komparatoren. Ein Komparator ist ein Schaltungselement, das zwei analoge Eingangsspannungen an seiner positiven (nicht-invertierenden) und negativen (invertierenden) Eingangsklemme miteinander vergleicht. Wenn die Eingangsspannung an der positiven Klemme höher ist als die Eingangsspannung an der negativen Klemme, gibt der Komparator 1 aus. Umgekehrt, wenn die Spannung an der negativen Eingangsklemme höher ist als die Spannung an der positiven Klemme, gibt der Komparator 0 aus.
Die negative Eingangsklemme des ersten Komparators ist mit der 2/3-Referenzspannung am Spannungsteiler und dem externen „Control“-Pin verbunden, die positive Eingangsklemme mit dem externen „Threshold“-Pin.
Auf der anderen Seite ist die negative Eingangsklemme des zweiten Komparators mit dem „Trigger“-Pin verbunden, während die positive Eingangsklemme mit der 1/3-Referenzspannung am Spannungsteiler verbunden ist.
Mit Hilfe der drei Pins „Trigger“, „Threshold“ und „Control“ können wir also die Ausgabe der beiden Komparatoren steuern, die dann an die R- und S-Eingänge des Flipflops geleitet werden. Das Flip-Flop gibt 1 aus, wenn R 0 und S 1 ist, und umgekehrt gibt es 0 aus, wenn R 1 und S 0 ist. Zusätzlich kann das Flip-Flop über den externen Pin „Reset“ zurückgesetzt werden, der die beiden Eingänge übersteuert und somit den gesamten Timer jederzeit zurücksetzen kann.
Der Q-Bar-Ausgang des Flip-Flops geht zur Ausgangsstufe bzw. zu den Ausgangstreibern, die entweder einen Strom von 200mA an die Last abgeben oder abnehmen können. Der Ausgang des Flip-Flips ist auch mit einem Transistor verbunden, der den „Discharge“-Pin mit Masse verbindet.
555 Timer – Bistabiler Modus
Nun wollen wir ein Beispiel für den 555 Timer machen, der in einem bistabilen Modus arbeitet. Dazu benötigen wir zwei externe Widerstände und zwei Taster.
Der Trigger- und der Reset-Pin des ICs werden über die beiden Widerstände mit VCC verbunden und sind somit immer high. Die beiden Taster sind zwischen diesen Pins und der Masse angeschlossen, so dass, wenn wir sie gedrückt halten, der Eingangszustand low ist.
Anfänglich sind die beiden Komparatorausgänge 0, so dass sowohl der Flip-Flop-Ausgang als auch der Ausgang des 555-Timers 0 sind.
Wenn wir den Trigger-Taster drücken, wird der Zustand am Trigger-Eingang Low, so dass der Komparator einen High-Ausgang hat und damit der Flip-Flop-Ausgang auf Low geht. Die Ausgangsstufe invertiert dies und der endgültige Ausgang des 555-Timers wird High sein.
Der Ausgang bleibt High, auch wenn der Trigger-Taster nicht gedrückt wird, weil in diesem Fall die Flip-Flop-Eingänge R und S 0 sind, was bedeutet, dass das Flip-Flop den vorherigen Zustand nicht ändert. Um den Ausgang auf Low zu setzen, müssen wir den Reset-Taster drücken, der das Flip-Flop und das gesamte IC zurücksetzt.
Zugehörige Tutorials: Was ist ein Schmitt-Trigger
555 Timer – Monostabiler Modus
Als Nächstes wollen wir uns ansehen, wie der 555 Timer im monostabilen Modus arbeitet. Hier ist eine Beispielschaltung.
Der Triggereingang wird High gehalten, indem er über einen Widerstand mit VCC verbunden wird. Das bedeutet, dass der Triggerkomparator 0 an den S-Eingang des Flipflops ausgibt. Auf der anderen Seite ist der Threshold-Pin Low und das führt dazu, dass der Threshold-Komparator ebenfalls 0 ausgibt. Der Threshold-Pin ist tatsächlich Low, weil der Q-Bar-Ausgang des Flipflops High ist, was den Entladetransistor aktiv hält, so dass die von der Quelle kommende Spannung durch diesen Transistor auf Masse geht.
Um den Ausgangszustand des 555-Timers auf High zu ändern, müssen wir den Druckknopf am Trigger-Pin drücken. Dadurch wird der Trigger-Pin geerdet, oder der Eingangszustand wird 0, so dass der Komparator 1 an den S-Eingang des Flip-Flip ausgibt. Dies führt dazu, dass der Q-Bar-Ausgang auf Low und der 555-Timer-Ausgang auf High geht. Gleichzeitig können wir feststellen, dass der Entladetransistor ausgeschaltet ist, so dass nun der Kondensator C1 beginnt, sich über den Widerstand R1 aufzuladen.
Der 555 Timer bleibt in diesem Zustand, bis die Spannung über dem Kondensator 2/3 der zugeführten Spannung erreicht. In diesem Fall wird die Schwellenwert-Eingangsspannung höher sein und der Komparator wird 1 an den R-Eingang des Flip-Flip ausgeben. Dadurch wird die Schaltung in den Ausgangszustand gebracht. Der Q-Bar-Ausgang wird High, wodurch der Entladetransistor aktiviert wird und der IC-Ausgang wieder Low wird.
Wir können also feststellen, dass die Zeit, die der Ausgang des 555-Timers High ist, davon abhängt, wie viel Zeit der Kondensator benötigt, um sich auf 2/3 der zugeführten Spannung aufzuladen, und das hängt von den Werten des Kondensators C1 und des Widerstands R1 ab. Wir können diese Zeit mit der folgenden Formel berechnen: T=1,1*C1*R1.
555 Timer – Astabiler Modus
Als nächstes wollen wir uns ansehen, wie der 555 Timer in einem astabilen Modus arbeitet. In diesem Modus wird der IC zu einem Oszillator oder auch Free Running Multivibrator genannt. Er hat keinen stabilen Zustand und schaltet kontinuierlich zwischen High und Low um, ohne dass ein externer Trigger anliegt. Hier ist eine Beispielschaltung für den 555 Timer im astabilen Modus.
Wir benötigen nur zwei Widerstände und einen Kondensator. Die Pins „Trigger“ und „Threshold“ sind miteinander verbunden, so dass kein externer Triggerimpuls erforderlich ist. Zu Beginn wird die Spannungsquelle den Kondensator über die Widerstände R1 und R2 aufladen. Während des Aufladens gibt der Triggerkomparator den Wert 1 aus, da die Eingangsspannung am Trigger-Pin noch kleiner als 1/3 der zugeführten Spannung ist. Das bedeutet, dass der Q-Bar-Ausgang 0 ist und der Entladetransistor geschlossen ist. Zu diesem Zeitpunkt ist der Ausgang des 555-Timers High.
Wenn die Spannung über dem Kondensator 1/3 der Versorgungsspannung erreicht, wird der Trigger-Komparator 0 ausgeben, was aber zu diesem Zeitpunkt keine Änderung bewirkt, da sowohl der R- als auch der S-Eingang des Flipflops 0 sind. Die Spannung über dem Kondensator steigt also weiter an, und sobald sie 2/3 der Versorgungsspannung erreicht, gibt der Schwellenwertkomparator 1 an den R-Eingang des Flipflops aus. Dadurch wird der Entladetransistor aktiviert und der Kondensator beginnt nun, sich über den Widerstand R2 und den Entladetransistor zu entladen. In diesem Moment ist der Ausgang des 555-Timers Low.
Während der Entladung beginnt die Spannung über dem Kondensator zu sinken, und der Schwellenwertkomparator beginnt sofort, 0 auszugeben, was eigentlich keine Änderung bewirkt, da jetzt sowohl der R- als auch der S-Eingang des Flipflops 0 sind. Aber sobald die Spannung über dem Kondensator auf 1/3 der zugeführten Spannung abfällt, gibt der Triggerkomparator 1 aus. Dadurch wird der Entladetransistor abgeschaltet und der Kondensator beginnt sich wieder aufzuladen. Dieser Prozess des Ladens und Entladens zwischen 2/3 und 1/3 der Versorgungsspannung läuft also von alleine weiter und erzeugt eine Rechteckwelle am Ausgang des 555 Timers.
Wir können die Zeit, die der Ausgang High und Low ist, mit den gezeigten Formeln berechnen. Die High-Zeit hängt vom Widerstand von R1 und R2 sowie von der Kapazität des Kondensators ab. Die Low-Zeit hingegen hängt nur vom Widerstand von R2 und der Kapazität des Kondensators ab. Wenn wir die High und Low Zeiten summieren, erhalten wir die Periode eines Zyklus. Auf der anderen Seite ist die Frequenz, wie oft dies in einer Sekunde passiert, so dass man über die Periode die Frequenz der Rechteckwelle erhält.
Wenn wir einige Modifikationen an dieser Schaltung vornehmen, z.B. den R2-Widerstand durch einen variablen Widerstand oder ein Potentiometer ersetzen, können wir sofort die Frequenz und die Tastverhältnisse der Rechteckwelle steuern. Mehr dazu aber in meinem nächsten Video, in dem wir einen PWM-DC-Motor-Drehzahlregler mit dem 555-Timer bauen werden.