Таймер на 555 схеме в качестве генератора

555 схема – это, вероятно, самая популярная интегральная схема (ИС) из когда-либо созданных. В зависимости от производителя, стандартный корпус 555 включает 25 транзисторов, 2 диода и 15 резисторов на кремниевом кристалле, установленном в 8-контактном двухрядном корпусе (DIP-8). Доступные варианты включают 556 (DIP-14, объединяющий два полных 555-х на одной микросхеме), и 558/559 (оба DIP-16, объединяющие четыре таймера с ограниченной функциональностью на одном кристалле).
Схема NE555 (и ее разновидности) иногда используются в качестве релаксационных генераторов. Работа этой интегральной схемы часто толкуется неверно.
Таймер на 555 схеме в качестве генератора

Рассмотрим анализ ее работы прямо по изображенной на рисунке эквивалентной схеме.

упрощенная эквивалентная схема имс 555. Таймер на 555 схеме в качестве генератора
Упрощенная эквивалентная схема 555
Принцип действия этого таймера достаточно прост. При подаче сигнала на вход ТРИГГЕР выходной сигнал переключается на ВЫСОКИЙ уровень (около напряжения питания). Далее остается в этом состоянии до тех пор, пока не произойдет переключение входа ПОРОГ. В этот момент выходной сигнал падает до НИЗКОГО уровня (около потенциала «земли»). Затем включается транзистор РАЗРЯД. Вход ТРИГГЕР включается при уровне входного сигнала меньше 1/3 напряжения питания. ПОРОГ- при уровне входного сигнала больше 2/3 напряжения питания.
Наиболее легкий способ понять работу ИС 555 — это рассмотреть конкретный пример:
Таймер на 555 схеме в качестве генератора. имс 555, включенная как генератор
Интегральная схема 555, включенная как генератор

При включении источника питания конденсатор разряжен. ИС 555 оказывается в состоянии, когда выходной сигнал имеет ВЫСОКИЙ уровень. Транзистор разряда Т1 закрыт и конденсатор начинает заряжаться до 10 В через резисторы Ra + Rв. Когда его напряжение достигнет 2/3 напряжения питания, переключается вход ПОРОГ и выходной сигнал переходит в состояние НИЗКОГО уровня. Одновременно происходит отпирание транзистора Т1, разряжающего конденсатор С на землю через резистор Rв. Схема переходит в периодический режим работы. Напряжение на конденсаторе С колеблется между значениями 1/3 и 2/3 напряжения питания с периодом Т = 0,693 (Ra + 2Rв) С. При таком режиме работы с выхода схемы обычно снимается колебание прямоугольной формы.

Схема 555 представляет собой довольно приличный генератор со стабильностью около 1%. Она может работать от единственного источника питания напряжением от 4,5 до 16 В. При этом сохраняет стабильную частоту при изменениях напряжения источника питания, поскольку пороги следят за флуктуациями питания. Схему 555 можно применять также для формирования одиночных импульсов произвольной длительности и еще для многих целей. К тому же этот небольшой кристалл содержит простые компараторы, вентили и триггеры.

Предостережение: ИС 555, как и другие схемы таймеров, создает мощную (≈150 мА) токовую помеху в цепи питания во время каждого переключения выходного сигнала. Будет весьма полезным подключить к этой интегральной схеме шунтирующий конденсатор. Кроме того, ИС 555 имеет склонность к формированию выходного сигнала с удвоенной частотой переключений.
КМОП-версии интегральной схемы 555
Некоторые из неприятных свойств ИС 555, а именно:
— большой ток потребления от источника питания,
— высокий ток запуска,
— удвоенная частота переключения выходного сигнала
— неспособность функционировать при очень низких напряжениях источника питания
были устранены в ее КМОП-аналогах.

Следует отметить, в частности, способность КМОП-схем функционировать при очень низких напряжениях питания (до 1В!). Ток потребления КМОП-версий таймера не превышает сотен микроампер. Эти кристаллы также более быстродействующие, чем исходная схема NE555. Выходные КМОП-каскады дают максимальный удвоенный перепад напряжения выходного сигнала. Во всяком случае, при низких токах нагрузки. Следует отметить, что эти кристаллы не имеют мощного выходного каскада, как в типовой схеме NE555. Все перечисленные в таблице ниже кристаллы, кроме исходной схемы NE555 и XR-L555, сделаны по КМОП-технологии.

Таблица основных свойств ИС 555. 555 схема в качестве генератора
Подробные технические данные перечисленных схем можно просмотреть по ссылкам ниже:

NE555,   ICL7555TLC551,   TLC555,   LMC555,   ALD555,   XR-L555M

Последняя схема является микромощной биполярной схемой 555. Схема проявляет свою родословную в виде здоровенной нагрузочной способности и хорошей температурной стабильности.

Показанный на рисунке выше генератор на схеме 555 вырабатывает выходной сигнал прямоугольной формы. Рабочий цикл (часть времени, когда выходной сигнал имеет ВЫСОКИЙ уровень) всегда больше 50%. Это происходит вследствие того, что времязадающий конденсатор заряжается через последовательно включенную пару резисторов Ra + Rв, а разряжается (более быстро) через единственный резистор Rв.
На рисунке ниже показано, как обмануть схему 555 с тем, чтобы получить в рабочем цикле узкие положительные импульсы.
генератор с укороченным рабочим циклом
Генератор с укороченным рабочим циклом

Цепь, состоящая из комбинации диода и резистора, быстро заряжает времязадающий конденсатор через выходной каскад. Разряд же его через внутренний разряжающий транзистор происходит медленно. Этот трюк пригоден только для КМОП схем 555, поскольку в этом случае необходим полный положительный перепад выходного сигнала.

При использовании для заряда времязадающего конденсатора источника тока можно создать генератор линейного («пилообразного») напряжения. На рисунке ниже показан способ использования для этих целей простого источника тока на р-n-р— транзисторе.

Генератор пилообразных колебаний
Генератор пилообразных колебаний
Пилообразный сигнал доходит до напряжения 2/3 напряжения питания, затем быстро спадает до напряжения 1/3 напряжения питания. Разряд происходит через внутренний разряжающий n-р-n-транзистор схемы 555, контакт 7. Далее цикл начинается снова. Отметим, что этот сигнал пилообразной формы выделяется на выводе конденсатора. Необходимо обеспечить его развязку с помощью ОУ, который обладает высоким полным сопротивлением.
Ниже показан простой способ формирования с помощью КМОП-схемы 555 сигнала треугольной формы.
генератор треугольных колебаний
Генератор треугольных колебаний
В предложенной схеме соединяются последовательно два регулятора тока на полевом транзисторе. Соединяются они таким образом, чтобы получился двунаправленный регулятор тока. Каждый регулятор тока ведет себя в обратном направлении как обычный диод, из-за проводимости затвор-сток. Следовательно, с помощью выходного сигнала с удвоенным максимальным перепадом формируется постоянный ток противоположной полярности. При этом на самом конденсаторе вырабатывается треугольное колебание Напряжение колебаний обычно лежит в диапазоне от 1/2 напряжения питания до 2/3 напряжения питания.  Как и в предыдущей схеме, для развязки этого сигнала используется ОУ (источник с высоким полным выходным импедансом).

Следует отметить, что в этом случае необходимо применять КМОП-схему 555, в частности при подаче на схему напряжения питания + 5 В. Поскольку функционирование схемы зависит от максимального двойного перепада выходного напряжения. Например, напряжение выходного сигнала ВЫСОКОГО уровня биполярной схемы 555 в типовом случае будет ниже максимального положительного перепада на величину  падения напряжения на двух диодах. Напряжение составит +3,8 В при напряжении источника питания +5 В. Следовательно, остается всего 0,5 В падения напряжения (при верхнем значении сигнала) на последовательно включенную пару регуляторов тока. Этого явно недостаточно для включения регулятора тока (требуется приблизительно 1 В) и последовательного диода (0,6 В), построенного из полевого транзистора с р-n-переходом.

Существует еще несколько других интересных интегральных схем таймеров. Схема таймера LM322 имеет собственный встроенный прецизионный источник опорного напряжения, с помощью которого задается напряжение порога. Это объясняет его прекрасные свойства при формировании сигнала, частота которого должна быть пропорциональна току, подаваемому от внешнего источника, например с фотодиода.

В состав другой разновидности таймеров входят релаксационный генератор и цифровой счетчик. Они нужны для того, чтобы при формировании сигналов большой длительности избежать необходимости использования в схеме больших номиналов сопротивлений и конденсаторов. Примером таких схем могут служить схемы 74НС4060,  ICM7242. Последняя схема выполнена по КМОП-технологии и может функционировать при токе в доли миллиампера и вырабатывать выходной импульс один раз за 128 циклов генератора. Эти таймеры (и их ближайшие аналоги) пригодны для формирования задержки сигнала в диапазоне от нескольких секунд до нескольких минут.

Смотрите также:
Конструкции генераторов. Примеры схем

Конструкции генераторов. Примеры схем

Неотъемлемой частью почти любого электронного устройства является генератор гармонических или каких-либо других колебаний. Самые очевидные использования генераторов, например, в качестве источников синусоидальных сигналов, каких-либо функций, импульсов. Источник регулярных колебаний необходим в любом периодически действующем измерительном приборе, в устройствах, инициирующих измерения или технологические процессы. Вообще в любом приборе, работа которого связана с периодическими состояниями или периодическими колебаниями. Они присутствуют практически везде. Так, например, генераторы колебаний специальной формы используются в цифровых мультиметрах, осциллографах, радиоприемниках, ЭВМ, в любом периферийном устройстве ЭВМ, почти в любом цифровом приборе (счетчики, таймеры, калькуляторы и любые приборы с «многократным отображением») и во множестве других устройств, слишком многочисленных, чтобы их здесь перечислять.

К началу ↑