Интегральный таймер NE555 и его применение / Хабр

Когда в 1972 году началось производство микросхемы интегрального таймера NE555, никто не предполагал, что и через пятьдесят лет она не утратит популярности, а к названию таймера будут добавлять слово «легендарный».

В данной публикации мы разберём основные применения легендарного таймера 555 и аккуратно заглянем ему «под капот».

Приведённые в качестве примера схемы и временные диаграммы работы этих схем созданы с помощью SPICE-симулятора TINA TI V9 (версия 9.3.150.328). Модель интегрального таймера NE555 взята из стандартной библиотеки симулятора.

Важная информация: параметры генератора, применённого в примерах с триггером Шмитта и ждущим мультивибратором, задавались через свойства генератора и вызванный оттуда «Редактор сигнала». Анализатор переходных процессов запускался с выбранной опцией «Нулевые начальные условия».

Применение таймера 555 в качестве RS-триггера

Наиболее простым применением интегрального таймера 555 является использование его в качестве RS-триггера.

«Классический» RS-триггер имеет два устойчивых состояния, переход между которыми осуществляется подачей управляющих сигналов на входы сброса и установки. Схема включения таймера 555 в качестве RS-триггера приведена ниже:

В качестве входа S (Set, установка) используется вход «TRIG»: при нажатии на кнопку «TRIG» вход микросхемы подключается к общему проводу, а на выходе — устанавливается высокий логический уровень.

В качестве входа R (Reset, сброс) используется вход «THRES»: при нажатии на кнопку «THRES» на вход микросхемы подаётся напряжение питания, а выход микросхемы переходит в сброшенное состояние.

Важным элементом схемы является «подтягивающий» резистор R2. Без него на выходе микросхемы сразу после включения устанавливается высокий логический уровень, и устройство на нажатие кнопок не реагирует. Переходные процессы при включении RS-триггера без «подтягивающего» резистора R2 представлены на графике справа:

При наличии «подтягивающего» резистора на входе «TRIG» на выходе микросхемы при включении устанавливается низкий логический уровень (состояние сброса), а устройство изменяет состояние в зависимости от состояния входов. График переходных процессов при включении RS-триггера с «подтягивающим» резистором представлен ниже:

Структурная схема таймера 555

Чтобы разобраться с не совсем характерным для «классического» RS-триггера поведением микросхемы, изучим её структурную схему. Для примера возьмём интегральный таймер NE555 производства TI. Выглядит структурная схема достаточно любопытно:

В центре композиции находится асинхронный RS-триггер, к инверсному выходу которого подключён инвертирующий выходной буфер и транзисторный ключ с открытым коллектором. Сброс триггера производится или сигналом низкого логического уровня на входе 4 «RESET», или сигналом высокого логического уровня на выходе верхнего по схеме компаратора. Установка триггера производится сигналом высокого логического уровня на выходе нижнего по схеме компаратора.

Пороги срабатывания компараторов установлены делителем напряжения из трёх резисторов. Напряжение верхнего порога срабатывания подаётся на вывод 5 «CONT».

Установка RS-триггера происходит при подаче на вход 2 «TRIG» напряжения ниже нижнего порога срабатывания при условии, что на входе «RESET» присутствует напряжение высокого уровня.

Сброс RS-триггера происходит при подаче на вход 6 «THRES» напряжения выше верхнего порога срабатывания при условии, что на входе «RESET» присутствует напряжение высокого уровня, и напряжение на входе «TRIG» — выше нижнего порога срабатывания.

Таким образом, наивысший приоритет имеет вход «RESET», а вход «TRIG» имеет приоритет выше, чем у входа «THRES». При включении NE555 по схеме RS-триггера без «подтяжки» по входу «TRIG» на входе «TRIG» всегда будет присутствовать напряжение ниже нижнего порога срабатывания, а выход будет переходить в состояние сброса только на время подачи сигнала низкого уровня на вход «RESET».

Сразу хочу сделать акцент и заострить внимание: в большинстве источников пороги срабатывания компараторов обозначены как 2/3 U_cc и 1/3 U_cc, а вывод «CONT» используется как выход, зашунтированный конденсатором ёмкостью 0,01 мкФ, или же никуда не подключённый, но с выводом 5 «CONT» не всё так просто.

В datasheet от TI «xx555 Precision Timers. SLFS022I — September 1973 — Revised September 2014» вывод 5 обозначен как I/O, а пороги срабатывания обозначены как «CONT» и «1/2 CONT». Это означает, что уровни порогов срабатывания компараторов не «прибиты намертво» к напряжению питания таймера, а могут варьироваться в широких пределах подачей на вход «CONT» управляющего напряжения. Если управляющее напряжение на вывод 5 не подаётся, он используется как выход «CONT» с подключённым к нему шунтирующим конденсатором 0,01 мкФ, а верхний порог срабатывания в этом случае CONT = 2/3 U

cc.

Применение шунтирующего конденсатора повышает устойчивость работы микросхемы и её помехозащищённость. Также не стоит забывать про подключение к цепям питания микросхемы блокировочных конденсаторов.

Диапазон напряжения питания большинства моделей таймеров 555 серии от 4,5 до 16 В (до 18 В для некоторых моделей), потребляемый ток варьируется от долей до единиц миллиампера (в зависимости от модели), выходной каскад большинства моделей способен выдерживать ток до 200 мА.

Применение таймера 555 в качестве триггера Шмитта

Триггер Шмитта применяется для преобразования входного сигнала непрямоугольной формы в выходной сигнал прямоугольной формы. Характерной особенностью работы триггера Шмитта является наличие гистерезиса, который определяется шириной «окна» между уровнями срабатывания триггера.

Использование таймера 555 в качестве триггера Шмитта является ещё одним из применений этой микросхемы. Для этого надо подать входной сигнал на соединённые вместе входы «TRIG» и «THRES» таймера. Амплитуда и смещение входного сигнала должны быть такими, чтобы сигнал перекрывал «окно», образованное порогами срабатывания компараторов.

На рисунке ниже на вход триггера Шмитта подаётся сигнал треугольной формы с амплитудой 2 В и смещением U_offset = 2,5 В, равным половине напряжения питания U_cc. Частота сигнала 1000 Гц. При этом верхний порог срабатывания компаратора U

cont = 2/3 U_cc = 3,33 В, а нижний порог срабатывания компаратора 1/2 U_cont = 1/3 U_cc = 1,67 В.

На графике мы видим преобразование входного периодического сигнала треугольной формы в классический меандр с DC = 50 %, где DC — аббревиатура от «duty cycle» (коэффициент заполнения). Входной сигнал может быть любой формы, «треугольник» в качестве входного сигнала был выбран из соображений наглядности.

Попробуем применить вывод 5 «CONT» в качестве входа и подать на него напряжение 4 В от внешнего источника. Изменения выходного сигнала представлены на рисунке ниже:

Мы видим, что при том же периоде выходного сигнала его коэффициент заполнения увеличился. Это связано с тем, что «окно» компаратора сдвинулось вверх и расширилось.

Теперь подадим на вход «CONT» напряжение 2 В:

Коэффициент заполнения уменьшился за счёт того, что «окно» сдвинулось вниз и сузилось.

Вышеприведённые примеры иллюстрируют возможность широтно-импульсной модуляции (ШИМ) входного периодического сигнала напряжением на входе «CONT».

Применение вывода 5 «CONT» в качестве входа также даёт возможность сужения «окна» компаратора для преобразования сигналов с небольшим значением амплитуды. Важно чтобы входной сигнал при этом имел смещение, при котором он оставался бы в рамках напряжения питания таймера.

Применение таймера 555 в качестве мультивибратора

Мультивибратором называют релаксационный генератор с выходным сигналом прямоугольной формы. Релаксационным он является в силу того, что элементы мультивибратора не обладают резонансными свойствами.

Схема мультивибратора на таймере 555 и диаграмма его работы приведены на рисунке ниже:

В момент включения на выходе микросхемы устанавливается высокий логический уровень, транзисторный ключ закрывается, сопротивление выхода «DISC» высокое. Конденсатор C2 заряжается через включённые последовательно резисторы R1 и R2 до напряжения U_cont, на выходе микросхемы устанавливается низкий логический уровень, транзисторный ключ открывается и подключает точку соединения резисторов R1 и R2 к общему проводу. Конденсатор C2 разряжается через резистор R2, пока напряжение на нём не достигнет уровня 1/2 U_cont, на выходе таймера не установится высокий логический уровень, транзисторный ключ не закроется, и конденсатор снова не начнёт заряжаться через включённые последовательно резисторы R1 и R2.

В режиме автогенерации длительность высокого уровня выходного сигнала мультивибратора на таймере 555 равна:

При этом, длительность низкого уровня сигнала:

а период равен:

Из формул видно, что временные характеристики мультивибратора на таймере 555 определяются номиналами элементов R1, R2, C2 и не зависят от напряжения питания микросхемы.

Подадим на вход «CONT» напряжение 4 В от внешнего источника:

Период выходного сигнала и его коэффициент заполнения увеличились.

При подаче на вход «CONT» напряжения 2 В период выходного сигнала и его коэффициент заполнения уменьшаются:

Можно сделать вывод, что изменение напряжения на входе «CONT» приводит к частотно-импульсной модуляции (ЧИМ) выходного сигнала мультивибратора.

Применение таймера 555 в качестве ждущего мультивибратора

Ждущий мультивибратор (одновибратор) предназначен для формирования импульса определённой длительности по внешнему событию.

Обычно в качестве внешнего события используется замыкание входа «TRIG» на общий провод нажатием кнопки, но мы вместо кнопки в эмуляторе будем использовать генератор сигналов, настроенный на одиночный импульс низкого уровня длительностью 10 мс:

Как видно из временной диаграммы работы ждущего мультивибратора на таймере 555, по получению импульса схема формирует на выходе сигнал длительностью около 2,2 с. Длительность сигнала определяется по формуле:

Хотелось бы заострить внимание на том, что длительность выходного сигнала ждущего мультивибратора на таймере 555 тоже не зависит от напряжения питания.

▍ От автора

В публикации проведён краткий обзор интегрального таймера 555 и его основных применений. Большинство приведённых в публикации устройств может быть реализовано на микроконтроллерах, но аналоги NE555 по-прежнему выпускаются промышленностью по причине дешевизны и надёжности.

Важной особенностью схем на таймере 555 является то, что временные характеристики этих схем не зависят от напряжения питания, а расчёт этих характеристик производится по простым формулам или диаграммам.

Заслуженной популярностью таймер 555 пользуется у начинающих радиолюбителей: он недорогой, корпус DIP-8 легко устанавливается в беспаечную плату, требуется минимум «обвязки». И что очень важно для мотивации начинающих: схемы на таймере 555 начинают работать сразу после правильной сборки.

Вот пример простейшего генератора на NE555:

А такое реле времени по схеме из раздела про ждущий мультивибратор 12-летний подросток собирает за полчаса:

…и всё это началось пятьдесят лет назад, и, надеюсь, закончится нескоро.

Мультивибратор на основе таймера 555 серии

В цифровой технике применяются генераторы прямоугольных импульсов, которые относятся к классу релаксационных генераторов. Релаксационные генераторы преобразуют энергию источника постоянного тока в энергию электрических колебаний. Важно отметить,что в генераторе гармонических колебаний LC-типа происходит непрерывный обмен энергией между конденсатором и катушкой контура, то в релаксационном генераторе в течение одной части периода энергия запасается в реактивном элементе только одного типа, обычно в конденсаторе.

К релаксационным генераторам относятся мультивибраторы, которые могут работать в автоколебательном ждущем режимах, деления частоты. В автоколебательном режиме колебания генерируются непрерывно. В ждущем режиме генератор «ожидает» поступления запускающего сигнала, с приходом которого выдает один импульс. Именно эти режимы в цифровых устройствах используются наиболее часто. Мультивибраторы выпускают в виде монолитных интегральных микросхем, выполняют на операционных усилителях, цифровых интегральных схемах, а также на дискретных компонентах. Простой генератор прямоугольных сигналов можно построить на микросхеме серии 555 (аналог 1006ВИ1).

Микросхема представляет собой таймер для формирования импульсов напряжения от нескольких микросекунд до десятков минут. Микросхема предназначена для применения в стабильных датчиках времени, генераторах импульсов, широтно-импульсных, частотных и фазовых модуляторах, преобразователях напряжения и сигналов, ключевых схемах, исполнительных устройствах, в системах управления, контроля и автоматики. Таймер состоит из двух операционных усилителей, используемых в качестве компараторов, и RS триггера. Кроме того, предусмотрен инвертирующий выходной буфер, обеспечивающий достаточно высокую нагрузочную способность. Всего несколько внешних элементов, подключенных к микроосхеме, могут изменять параметры сигнала (форму, частоту и д. р.) в широких пределах.

Основные параметры сигналов,формируемых мультивибратором:

Частота повторения импульсов (F) — это количество импульсов, генерируемых в течении одной секунды.
Период импульсной последовательности (Т) – это время импульса tH, сложенное со временем паузы t_L: T = t_H + t_L = 1/F
Скважность(Q) импульсной последовательности — это отношение периода к длительности импульса: Q = T/t_L (Q>1)
Обратная величина скважности — это коэффициент заполнения(D).
D = t_L/T. Коэффициент может быть выражен в процентах: D = (t_L / T) * 100%
Длительность прямоугольного импульса определяется на уровне 50% его амплитуды.
Время нарастания импульса t_r — это интервал времени, измеренный между моментами, когда амплитуда изменяется от 0.1 до 0,9 установившегося значения. Между этими же уровнями измеряется и время спада импульса t_f. Сигнал идеальной формы имеет значение равное нулю для t_r и t_f.

На рисунке приведена схема мультивибратора и формулы для определения параметров сигнала. Используются внешние время задающие элементы: R_A, R_B, C_p, а амплитуда напряжения равна напряжению питания микросхемы и составляет 5-12 вольт.

Формулы:

T = 1/F

T = t_H + t_L = 0.693 • (R_A + 2R_B) • C_p

t_H = 0.693 • (R_A + 2R_B) • C_p

t_L = 0.693 • (R_B) • C_p

R_A = t_L / 0.693 • C

R_B = t_H / 0.693 • C — R_B

Для расчета временных характеристик сигнала и соответственно значений элементов R_A, R_B, C_p укажите требуемую частоту сигнала и установите длительность импульса.

t_H

t_L

 %

Перемещайте ползунок в пределах периода чтобы установить длительность импульса или введите его значение.

U, напряжение (B)

F, частота

ГцкГц

*D: коэффициент заполнения;

*Q: скважность импульсной последовательности

Внимание! Пользователям устаревших браузеров полный функционал не доступен!

Расчетные значения:

U_CC = 12 B

R_A = 0.0

R_B = 0.0

C_P = 0.0

Поиск микросхемы на сайте

Найти на сайте

Поиск резисторов на сайте

Внимание! Производители объединяют резисторы в серии или ряды: E6, E12, E24…
Для подбора компонента будет использована серия E24.

R_A =

Найти на сайте

R_B =

Найти на сайте

Поиск конденсаторов на сайте

C  =

0.15 мкФ

*

Подбор компонентов по результатам расчета имеет рекомендательный характер.
Проверяйте технические характеристики компонента или изделия.

Обнаружили ошибку или неточность в работе калькулятора? Сообщите нам об этом.
Соблюдайте технику безопасности во время работы с электронными компонентами!

Частота

— Какое уравнение для управляющего напряжения таймера 555?

какое уравнение должно найти выходную частоту 555, когда управляющее напряжение подается на контакт 5

По моим расчетам, принятый ответ и формула, отраженная в вопросе, неверны. Я считаю, что правильная формула для частоты при подаче управляющего напряжения:

\$ f = { 1 \over C \cdot (R_1 + R_2) \cdot ln({1 + { v_{cont}\over {2 \ cdot ( v_{cc} — v_{cont} ) } } }) + C \cdot R_2 \cdot ln(2) } \$

Чтобы запустить эту формулу в WolframAlpha, используйте эту ссылку.

С составными компонентами:

\$ t_h = C \cdot (R_1 + R_2) \cdot ln({1 + { v_{cont}\over {2 \cdot ( v_{cc} — v_{cont} ) } } }) \$

\$ t_l = C \cdot R_2 \cdot ln(2) \$

Почему я оспариваю принятый ответ?

Мне нужно было провести этот расчет сегодня, я попробовал предложенную формулу . .. и получил действительно странные результаты (такие как отрицательные частоты и тренд, который кажется обратно пропорциональным ожидаемому).

Обоснование в утвержденном ответе правильное, и диаграмма кажется правильной, но формула, похоже, содержит ошибку транскрипции/транспонирования, особенно в связи с вычислением \$ t_h \$.

Например, если я использую формулу, представленную для расчета R1 = 1K, R2 = 10K, C = 10 мкФ, Vcc = 10 В и VC = 9,5 В, я получаю ответ -5,2816 Гц (когда он должен быть ~ 3 Гц, как показано на графике). предполагает).

Я публикую свой расчет с нуля здесь как новый ответ. Если Спехро, ОП и все согласны с моими расчетами, я рад видеть, что исходный вопрос и принятый ответ обновлены (я не репутационная шлюха).

NB: Я использую техническое описание TI NE555 для справки, так как оно содержит больше внутренних деталей, чем другие, которые я видел.

В нестабильной конфигурации заряд-разряд выполняется по следующим правилам (из технического описания):

• THRES > CONT устанавливает низкий уровень выходного сигнала и низкий уровень разряда
• TRIG < CONT/2 устанавливает высокий уровень выхода и разгрузку открывает

Обычно, когда контакт 5 не используется (колпачок заземлен), CONT = VCC * 2/3 из-за трехступенчатого делителя напряжения.

Учитывая, что полный ответ RC равен 9{t/\tau} \$

\$ ln({1 + { v_{cont}\over {2 ( v_{cc} — v_{cont} ) } } }) = t/\tau \$

\$ t = \tau ln({1 + { v_{cont}\over {2 ( v_{cc} — v_{cont} ) } } }) \$

Итак, я завершаю формулу для \$ t_h \$ на самом деле:

\$ t_h = C \cdot (R_1 + R_2) \cdot ln({1 + { v_{cont}\over {2 \cdot ( v_{cc} — v_{cont} ) } } }) \$

Итак, если я вернусь назад и пересмотрю расчет R1 = 1K, R2 = 10K, C = 10 мкФ, Vcc = 10В и VC = 9,5В, я теперь получу ответ 3,0491 Гц. Это гораздо более разумно и соответствует карте Спехро.

Расчет диапазона частот, схема 555: модульная

Я новичок в проектировании схем, но я пытаюсь. На фото я адаптировал схему 555, которую нашел на сайте electronics-tutorials.ws.

Мой эксперимент предназначен для создания повторяющегося функционального генератора на основе пульсовой волны с переменным высоким и низким временем, а затем сглаживания его выходного сигнала. В конце концов, он должен варьироваться от наклонной прямоугольной волны до треугольника и синусоидальной формы. Будет некоторое непреднамеренное смещение постоянного тока и другие неконтролируемые факторы, с которыми я согласен. Я хотел бы использовать это как для генерации нестандартных функций в Eurorack, так и в качестве генератора волн для тестирования других самодельных схем.

Учебная схема Полностью независимый генератор 555 использует уравнение 0,8(Ra+Rb)C, но на диаграмме нет Rb. Как на это влияют VR1 и VR2?

Как рассчитать частотный диапазон изображенной цепи? Что я должен настроить, если мне нужен диапазон от 1/30 Гц до 300 Гц?

Любая помощь приветствуется. Пожалуйста, укажите мне более подходящий сабреддит/форум, если вы знаете такой, который мог бы оказать помощь. Спасибо!

Генератор наклонных пульсовых волн

Вы можете запустить этот код на Falstad, если хотите, внести изменения и поделиться ими.

$ 1 0,000015625 37,11724081536377 99 10 50 5E -11
G 64 336 64 352 0 0
R 208 -48 176 -48 0 0 40 12 0 0,5 8 480848 480848 480848. 404448 4808098. 408 48. 408 48. 408 48. 408 48. 408 48. 408 48. 408 48. 408. 408 48. 408. 408. 408. 488.
165 176 96 240 80 6 -0.001994719974467368
w 240 64 240 32 0
w 336 32 336 128 0
w 0 32 0 128 0
d 96 160 96 128 2 default
d 0 128 0 160 2 default
w 176 224 176 192 0
c 64 288 64 336 0 1e-8 4.331657618847974 0.001
c 240 256 240 336 0 1.0000000000000001e-7 7.999999999999947 0.001
w 240 336 64 336 0
w 272 256 272 336 0
w 272 336 240 336 0
w 240 32 240 0 0
211 480 144 560 144 0 1 8000 1
w 304 160 304 208 0
c 368 208 368 336 0 1e-8 -0.001994719974467368 0.001
c 480 208 480 336 0 1e-8 0.0003728997996163597 0.001
w 480 336 368 336 0
w 368 336 272 336 0
w 480 144 480 208 0
O 304 160 368 160 1 0
w 208 -48 240 -48 0
w 240 -48 240 0 0
w 80 32 0 32 0
w 176 32 240 32 0
w 368 208 384 208 0
174 448 208 384 208 1 500000 0,1733 R (гладкая)
w 384 208 384 240 0
w 384 240 416 240 0
w 416 240 416 224 0
w 480 208 448 208 0
r 80 32 176 32 0 30
w 304 208 368 208 0
w 96 128 176 128 0
w 336 128 304 128 0
w 336 32 240 32 0
174 0 160 0 208 1 1000000 0.