W tym poradniku dowiemy się jak działa 555 Timer, jeden z najpopularniejszych i najczęściej używanych układów scalonych wszech czasów. Możesz obejrzeć poniższe wideo lub przeczytać pisemny poradnik poniżej.
Zegar 555, zaprojektowany przez Hansa Camenzinda w 1971 roku, można znaleźć w wielu urządzeniach elektronicznych, począwszy od zabawek i urządzeń kuchennych, a skończywszy nawet na statkach kosmicznych. Jest to wysoce stabilny układ scalony, który może wytwarzać dokładne opóźnienia czasowe i oscylacje. Czasomierz 555 ma trzy tryby pracy, tryb bistabilny, monostabilny i astabilny.
Jak to działa, schemat wewnętrzny i schemat blokowy
Przyjrzyjrzyjmy się bliżej temu, co jest wewnątrz czasomierza 555 i wyjaśnijmy, jak działa w każdym z trzech trybów. Oto schemat wewnętrzny czasomierza 555, który składa się z 25 tranzystorów, 2 diod i 15 rezystorów.
Przedstawiony za pomocą schematu blokowego składa się z 2 komparatorów, przerzutnika, dzielnika napięcia, tranzystora rozładowującego i stopnia wyjściowego.
Dzielnik napięcia składa się z trzech identycznych rezystorów 5k, które tworzą dwa napięcia odniesienia na poziomie 1/3 i 2/3 napięcia zasilającego, które może wynosić od 5 do 15V.
Następnie znajdują się dwa komparatory. Komparator jest elementem układu, który porównuje dwa analogowe napięcia wejściowe na swoim dodatnim (nieodwracającym) i ujemnym (odwracającym) zacisku wejściowym. Jeśli napięcie wejściowe na zacisku dodatnim jest wyższe niż napięcie wejściowe na zacisku ujemnym, komparator wyśle sygnał 1. I odwrotnie, jeśli napięcie na zacisku ujemnym jest wyższe niż napięcie na zacisku dodatnim, komparator wyśle sygnał 0.
Zacisk wejściowy ujemny pierwszego komparatora jest podłączony do napięcia odniesienia 2/3 na dzielniku napięcia i do zewnętrznego pinu „control”, natomiast zacisk wejściowy dodatni do zewnętrznego pinu „Threshold”.
Z drugiej strony, drugi komparator jest podłączony do ujemnego zacisku wejściowego „Trigger”, podczas gdy dodatni zacisk wejściowy do 1/3 napięcia odniesienia na dzielniku napięcia.
Więc używając trzech pinów, Trigger, Threshold i Control, możemy sterować wyjściami dwóch komparatorów, które są następnie podawane na wejścia R i S klapki. Klapka wysteruje 1 gdy R jest 0 a S jest 1 i odwrotnie, wysteruje 0 gdy R jest 1 a S jest 0. Dodatkowo klapka może zostać zresetowana przez zewnętrzny pin „Reset”, który może unieważnić oba wejścia, a tym samym zresetować cały timer w dowolnym momencie.
Wyjście Q-bar z klapki trafia na stopień wyjściowy lub sterowniki wyjściowe, które mogą podawać na obciążenie prąd o wartości 200mA. Wyjście klapki jest również podłączone do tranzystora, który łączy pin „Discharge” z masą.
555 Timer – tryb bistabilny
Zróbmy teraz przykład timera 555 pracującego w trybie bistabilnym. Do tego celu potrzebujemy dwóch zewnętrznych rezystorów i dwóch przycisków.
Piny Trigger i Reset układu scalonego są podłączone do VCC przez dwa rezystory i w ten sposób są zawsze w stanie wysokim. Dwa przyciski są podłączone pomiędzy tymi pinami a masą, więc jeśli przytrzymamy je wciśnięte, to stan wejścia będzie niski.
Początkowo wyjścia obu komparatorów są równe 0, a więc zarówno wyjście klapki, jak i wyjście timera 555 są równe 0.
Jeśli naciśniemy przycisk wyzwalania, stan na wejściu wyzwalania stanie się niski, więc komparator wyjdzie wysoko, a to spowoduje, że na wyjściu Q-bar klapki będzie stan niski. Stopień wyjściowy odwróci to i końcowe wyjście czasomierza 555 będzie wysokie.
Wyjście pozostanie wysokie nawet jeśli przycisk wyzwalania nie zostanie naciśnięty, ponieważ w tym przypadku wejścia klapki R i S będą miały wartość 0, co oznacza, że klapka nie zmieni poprzedniego stanu. Aby wyjście stało się niskie musimy nacisnąć przycisk Reset, który resetuje klapkę i cały układ scalony.
Powiązane poradniki: What is Schmitt Trigger | How It Works
555 Timer – tryb monostabilny
Następnie zobaczmy jak działa 555 Timer w trybie monostabilnym. Oto przykładowy układ.
Wejście wyzwalające jest utrzymywane w stanie wysokim przez połączenie go z VCC przez rezystor. Oznacza to, że komparator wyzwalający wyprowadzi 0 na wejście S przerzutnika. Z drugiej strony, pin Threshold jest Low i to powoduje, że komparator Threshold również wyprowadza 0. Pin Threshold jest tak naprawdę Low, ponieważ wyjście Q-bar flip-flop jest High, co utrzymuje tranzystor rozładowujący w stanie aktywnym, więc napięcie pochodzące ze źródła idzie do masy przez ten tranzystor.
Aby zmienić stan wyjścia 555 Timera na High musimy nacisnąć przycisk na pinie wyzwalającym. Spowoduje to uziemienie pinu wyzwalającego, czyli stan wejścia będzie równy 0, a więc komparator wyprowadzi 1 na wejście S przerzutnika. Spowoduje to przejście wyjścia Q-bar w stan niski, a wyjścia timera 555 w stan wysoki. W tym samym czasie możemy zauważyć, że tranzystor rozładowujący jest wyłączony, więc teraz kondensator C1 zacznie się ładować przez rezystor R1.
Zegar 555 pozostanie w tym stanie, dopóki napięcie na kondensatorze nie osiągnie 2/3 napięcia zasilającego. W takim przypadku napięcie wejściowe Threshold będzie wyższe i komparator wysteruje 1 na wejście R przerzutnika. Spowoduje to przejście układu do stanu początkowego. Wyjście Q-bar stanie się wysokie, co spowoduje aktywację tranzystora rozładowującego, jak również sprawi, że wyjście układu scalonego ponownie stanie się niskie.
Więc możemy zauważyć, że czas, przez jaki wyjście timera 555 jest wysokie, zależy od tego, ile czasu potrzebuje kondensator, aby naładować się do 2/3 dostarczonego napięcia, a to zależy od wartości zarówno kondensatora C1, jak i rezystora R1. Możemy obliczyć ten czas za pomocą następującego wzoru, T=1.1*C1*R1.
555 Timer – tryb astabilny
Następnie zobaczmy jak działa 555 Timer w trybie astabilnym. W tym trybie układ scalony staje się oscylatorem lub nazywany jest również Multiwibratorem Wolnoobrotowym. Nie posiada on stabilnego stanu i ciągle przełącza się pomiędzy stanem wysokim i niskim bez zastosowania żadnego zewnętrznego wyzwalacza. Oto przykładowy obwód czasomierza 555 pracującego w trybie astabilnym.
Potrzebujemy tylko dwóch rezystorów i kondensatora. Piny Trigger i Threshold są połączone ze sobą, więc nie ma potrzeby stosowania zewnętrznego impulsu wyzwalającego. Początkowo, źródło napięcia zacznie ładować kondensator poprzez rezystory R1 i R2. W trakcie ładowania komparator Trigger wysteruje wyjściem 1, ponieważ napięcie wejściowe na pinie Trigger jest wciąż niższe niż 1/3 napięcia zasilającego. Oznacza to, że na wyjściu Q-bar jest 0 i tranzystor rozładowujący jest zamknięty. W tym momencie na wyjściu timera 555 jest stan wysoki.
Gdy napięcie na kondensatorze osiągnie 1/3 napięcia zasilającego, komparator Trigger wysteruje wyjście 0, ale w tym momencie nie spowoduje to żadnej zmiany, ponieważ oba wejścia R i S klapki są równe 0. Tak więc napięcie na kondensatorze będzie rosło, a gdy osiągnie 2/3 napięcia zasilającego, komparator Threshold wysteruje 1 na wejście R klapki. To spowoduje aktywację tranzystora rozładowującego i teraz kondensator zacznie się rozładowywać przez rezystor R2 i tranzystor rozładowujący. W tym momencie na wyjściu timera 555 jest Low.
Podczas rozładowywania napięcie na kondensatorze zaczyna spadać, a komparator progowy od razu zaczyna podawać 0, co właściwie nie powoduje żadnej zmiany, ponieważ teraz oba wejścia R i S klapki są 0. Ale gdy napięcie na kondensatorze spadnie do 1/3 napięcia zasilającego, komparator Trigger wyprowadzi 1. To spowoduje wyłączenie tranzystora rozładowującego i kondensator zacznie się ponownie ładować. Tak więc ten proces ładowania i rozładowywania pomiędzy 2/3 i 1/3 dostarczonego napięcia będzie przebiegał samoczynnie, wytwarzając falę kwadratową na wyjściu 555 Timera.
Możemy obliczyć czas, w którym wyjście jest High i Low używając podanych wzorów. Czas High zależy od rezystancji R1 i R2 oraz od pojemności kondensatora. Z drugiej strony, czas Low zależy tylko od rezystancji R2 i pojemności kondensatora. Jeśli zsumujemy czasy High i Low otrzymamy okres jednego cyklu. Z drugiej strony, częstotliwość to ile razy to się dzieje w ciągu jednej sekundy, więc jeden nad okresem da nam częstotliwość fali kwadratowej na wyjściu.
Jeśli dokonamy pewnych modyfikacji w tym układzie, na przykład zmienimy rezystor R2 na zmienny rezystor lub potencjometr, możemy natychmiast kontrolować częstotliwość i cykle pracy fali kwadratowej. Jednak więcej na ten temat w moim następnym filmie, gdzie zrobimy kontroler prędkości silnika PWM DC używając timera 555.