Dans ce tutoriel, nous allons apprendre comment fonctionne la minuterie 555, l’un des circuits intégrés les plus populaires et les plus utilisés de tous les temps. Vous pouvez regarder la vidéo suivante ou lire le tutoriel écrit ci-dessous.
Le Timer 555, conçu par Hans Camenzind en 1971, peut être trouvé dans de nombreux appareils électroniques en commençant par les jouets et les appareils de cuisine jusqu’à même un vaisseau spatial. C’est un circuit intégré très stable qui peut produire des délais et des oscillations précises. Le 555 Timer a trois modes de fonctionnement, le mode bistable, monostable et astable.
Comment ça marche, schéma interne et schéma bloc
Regardons de plus près ce qui se trouve à l’intérieur du 555 Timer et expliquons comment il fonctionne dans chacun des trois modes. Voici le schéma interne du 555 Timer qui se compose de 25 transistors, de 2 diodes et de 15 résistances.
Représenté avec un schéma bloc, il se compose de 2 comparateurs, d’une bascule, d’un diviseur de tension, d’un transistor de décharge et d’un étage de sortie.
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Le diviseur de tension est constitué de trois résistances identiques de 5k qui créent deux tensions de référence à 1/3 et 2/3 de la tension fournie, qui peut aller de 5 à 15V.
Viennent ensuite les deux comparateurs. Un comparateur est un élément de circuit qui compare deux tensions d’entrée analogiques à sa borne d’entrée positive (non inverseuse) et négative (inverseuse). Si la tension d’entrée à la borne positive est supérieure à la tension d’entrée à la borne négative, le comparateur sort 1. Vice versa, si la tension à la borne d’entrée négative est supérieure à la tension à la borne positive, le comparateur sort 0.
La borne d’entrée négative du premier comparateur est connectée à la tension de référence 2/3 au diviseur de tension et à la broche externe « control », tandis que la borne d’entrée positive à la broche externe « Threshold ».
D’autre part, la borne d’entrée négative du second comparateur est connectée à la broche « Trigger », tandis que la borne d’entrée positive à la tension de référence 1/3 au niveau du diviseur de tension.
Donc, en utilisant les trois broches, Trigger, Threshold et Control, nous pouvons contrôler la sortie des deux comparateurs qui sont ensuite alimentés aux entrées R et S de la bascule. La bascule sortira 1 lorsque R est 0 et S est 1, et vice versa, elle sortira 0 lorsque R est 1 et S est 0. De plus, la bascule peut être réinitialisée via la broche externe appelée « Reset » qui peut remplacer les deux entrées, et ainsi réinitialiser l’ensemble du timer à tout moment.
La sortie Q-bar de la bascule va à l’étage de sortie ou aux pilotes de sortie qui peuvent soit sourcer ou couler un courant de 200mA à la charge. La sortie de la bascule est également connectée à un transistor qui relie la broche « Décharge » à la masse.
Temporisateur 555 – Mode bistable
Maintenant, faisons un exemple du fonctionnement du temporisateur 555 en mode bistable. Pour cela, nous avons besoin de deux résistances externes et de deux boutons poussoirs.
Les broches de déclenchement et de réinitialisation du circuit intégré sont reliées à VCC par l’intermédiaire des deux résistances, et de cette façon elles sont toujours hautes. Les deux boutons poussoirs sont connectés entre ces broches et la masse, donc si nous les maintenons enfoncés, l’état de l’entrée sera bas.
Initialement, les sorties des deux comparateurs sont 0, donc la sortie de la bascule ainsi que la sortie du Timer 555 sont 0.
Si nous appuyons sur le bouton poussoir de déclenchement, l’état à l’entrée de déclenchement va devenir Bas, donc le comparateur va sortir Haut et cela va faire passer la sortie de la bascule Q-bar à Bas. L’étage de sortie inversera cela et la sortie finale de la minuterie 555 sera Haute.
La sortie restera Haute même si le bouton poussoir de déclenchement n’est pas appuyé car dans ce cas les entrées R et S de la bascule seront à 0 ce qui signifie que la bascule ne changera pas l’état précédent. Pour rendre la sortie basse, nous devons appuyer sur le bouton poussoir Reset, ce qui réinitialise la bascule et l’ensemble du circuit intégré.
Tutoriel connexe : Qu’est-ce que le déclencheur de Schmitt | Comment ça marche
Temporisateur 555 – Mode monostable
Voyons ensuite comment le temporisateur 555 fonctionne en mode monostable. Voici un exemple de circuit.
L’entrée de déclenchement est maintenue haute en la reliant à VCC par l’intermédiaire d’une résistance. Cela signifie que le comparateur de déclenchement va sortir 0 sur l’entrée S de la bascule. D’autre part, la broche Threshold est Low et cela fait que le comparateur Threshold sort 0 également. La broche Threshold est en fait Low parce que la sortie Q-bar de la bascule est High, ce qui maintient le transistor de décharge actif, donc la tension venant de la source va à la masse à travers ce transistor.
Pour changer l’état de sortie du 555 Timer en High, nous devons appuyer sur le bouton poussoir sur la broche de déclenchement. Cela mettra à la masse la broche de déclenchement, ou l’état d’entrée sera 0, donc le comparateur sortira 1 à l’entrée S du flip-flip. Cela fera passer la sortie de la Q-bar à l’état bas et la sortie du 555 Timer à l’état haut. En même temps, nous pouvons remarquer que le transistor de décharge est éteint, donc maintenant le condensateur C1 va commencer à se charger à travers la résistance R1.
Le 555 Timer restera dans cet état jusqu’à ce que la tension aux bornes du condensateur atteigne 2/3 de la tension fournie. Dans ce cas, la tension d’entrée Threshold sera plus élevée et le comparateur sortira 1 sur l’entrée R de la bascule. Ceci amènera le circuit dans l’état initial. La sortie de la Q-bar deviendra Haute, ce qui activera le transistor de décharge ainsi que rendra la sortie du CI à nouveau Basse.
Nous pouvons donc remarquer que la durée pendant laquelle la sortie du Timer 555 est Haute, dépend du temps dont le condensateur a besoin pour se charger à 2/3 de la tension fournie, et cela dépend des valeurs à la fois du condensateur C1 et de la résistance R1. Nous pouvons en fait calculer ce temps avec la formule suivante, T=1,1*C1*R1.
Temporisateur 555 – Mode astable
Voyons ensuite comment le temporisateur 555 fonctionne dans un mode astable. Dans ce mode, le circuit intégré devient un oscillateur ou aussi appelé multivibrateur à fonctionnement libre. Il n’a pas d’état stable et passe continuellement de l’état haut à l’état bas sans application d’un déclencheur externe. Voici un exemple de circuit du 555 Timer fonctionnant en mode astable.
Nous n’avons besoin que de deux résistances et d’un condensateur. Les broches Trigger et Threshold sont connectées l’une à l’autre, il n’y a donc pas besoin d’impulsion de déclenchement externe. Initialement, la source de tension va commencer à charger le condensateur à travers les résistances R1 et R2. Pendant la charge, le comparateur de déclenchement va sortir 1 parce que la tension d’entrée sur la broche de déclenchement est toujours inférieure à 1/3 de la tension fournie. Cela signifie que la sortie Q-bar est à 0 et que le transistor de décharge est fermé. À ce moment-là, la sortie de la minuterie 555 est haute.
Une fois que la tension aux bornes du condensateur atteint 1/3 de la tension fournie, le comparateur Trigger sortira 0 mais à ce moment-là, cela ne fera aucun changement car les deux entrées R et S de la bascule sont à 0. Donc la tension aux bornes du condensateur va continuer à augmenter, et une fois qu’elle atteint 2/3 de la tension d’alimentation, le comparateur de seuil va sortir 1 à l’entrée R de la bascule. Ceci activera le transistor de décharge et maintenant le condensateur commencera à se décharger à travers la résistance R2 et le transistor de décharge. À ce moment, la sortie de la minuterie 555 est basse.
Pendant la décharge, la tension aux bornes du condensateur commence à diminuer, et le comparateur de seuil commence tout de suite à sortir 0, ce qui ne fait en fait aucun changement puisque maintenant les entrées R et S de la bascule sont toutes deux à 0. Mais une fois que la tension aux bornes du condensateur tombe à 1/3 de la tension d’alimentation, le comparateur de déclenchement sort 1, ce qui désactive le transistor de décharge et le condensateur recommence à se charger. Ainsi, ces processus de charge et de décharge entre 2/3 et 1/3 de la tension fournie continueront à fonctionner seuls, produisant ainsi une onde carrée sur la sortie de la minuterie 555.
Nous pouvons calculer le temps où la sortie est Haute et Basse en utilisant les formules indiquées. Le temps High dépend de la résistance de R1 et R2, ainsi que de la capacité du condensateur. D’autre part, le temps faible dépend uniquement de la résistance de R2 et de la capacité du condensateur. Si nous additionnons les temps Haut et Bas, nous obtenons la période d’un cycle. D’autre part, la fréquence est le nombre de fois que cela se produit en une seconde, donc un sur la Période donnera utiliser la fréquence de la sortie de l’onde carrée.
Si nous apportons quelques modifications à ce circuit, par exemple, changer la résistance R2 avec une résistance variable ou un pototentiomètre, nous pouvons instantanément contrôler la fréquence et les rapports cycliques de l’onde carrée. Cependant, nous en reparlerons dans ma prochaine vidéo où nous réaliserons un contrôleur de vitesse de moteur DC PWM en utilisant le timer 555.
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