Spis treści:
- 1 NE555 - časovací obvod a další!
- 2 Časovač NE555 - obecná charakteristika
- 3 Časovač NE555 - blokové schéma a vývody
- 4 Časovač NE555 jako monostabilní generátor
- 5 Časovač NE555 jako astabilní generátor
- 6 Časovač NE555 jako bistabilní měřicí zařízení
- 7 Časovač 555 - klíčové funkce
- 8 Časovač 555 - Příklady aplikací
Existuje integrovaný obvod, který, přestože se vyrábí již půl století, nezestárl a jeho využití je tak široké, že o něm bylo napsáno mnoho knih. Seznamte se s časovačem NE555!
NE555 - časovací obvod a další!
Tento článek představuje historii, hardwarovou konstrukci a příklady aplikací integrovaného obvodu NE555, který se zapsal do historie elektroniky jako miniaturní stroj času kombinující prvky digitální a analogové technologie.
Časovač NE555 - obecná charakteristika
Časovač NE555 je univerzální integrovaný obvod, který má širokou škálu použití – lze na něm postavit elektronické obvody, ať už jde o hračky, domácí elektrické spotřebiče, motorová vozidla nebo raketoplán. Jeho konstrukce umožňuje pracovat ve třech základních režimech – monostabilní generátor, astabilní generátor a bistabilní flip-flop. Autorem integrovaného obvodu NE555 je švýcarský inženýr Hans Rudolph Camenzind (1934-2012). Na počátku 70. let 20. stol. Na počátku 70. let 20. století měl vynálezce na základě smlouvy se společností Signetics (nyní NXP Semiconductors) vyvinout návrh integrovaného obvodu realizujícího fázovou synchronizační smyčku (PLL). Díky tomu konstruktér získal oscilátor pro fázovou synchronizační smyčku, jehož oscilační frekvence nebyla závislá na napájecím napětí a teplotě.
Bohužel hospodářská krize, která v té době panovala, donutila vedení společnosti Signetics propustit téměř polovinu zaměstnanců, což vedlo k pozastavení projektu. Camenzind však navrhl alternativní řešení, kterým byl vývoj univerzálního čipu na bázi oscilátoru pro smyčku PLL. Proti tomuto projektu se zpočátku postavili ostatní inženýři tehdejší společnosti. Argumentovali tím, že čip lze sestavit ze součástek, které již byly k dispozici v jejich sortimentu. Vytvoření a uvedení integrovaného obvodu NE555 na trh v roce 1972 bylo navíc poměrně riskantním krokem nejen kvůli všudypřítomné krizi. Netrvalo dlouho a do sériové výroby vstoupil čip Intel 4004, první mikroprocesor – programovatelný čip pro civilní použití -, který otevřel zcela novou kapitolu v historii elektroniky i výpočetní techniky. Nakonec marketingové a obchodní oddělení společnosti Signetics Camenzindův návrh přijalo. Původní prototyp čipu NE555 byl umístěn v kovovém pouzdře TO-5 s 9 vývody, ale již po několika dnech neúnavný konstruktér upravil čip tak, aby se vešel do plastového pouzdra typu DIL8 – jednoduše vyměnil vnitřní zdroj proudu za rezistor. Nakonec se čip NE555 začal prodávat v pouzdrech TO-5 i DIL8. V roce 1972 tento integrovaný obvod vyrábělo již 12 společností specializujících se na hromadnou výrobu polovodičů.
Časovač NE555 - blokové schéma a vývody
Na obr. 1 ukazuje zjednodušené blokové schéma časovače 555, včetně klíčových bloků, které tvoří obvod.
Obr. 1 – zjednodušené blokové schéma časovače 555:
Legenda:
A – vstupní odporový dělič 3x 5kΩ;
B – komparátor napětí horního vypínacího prahu;
C – komparátor spodního prahového napětí;
D – flip-flop SET/RESET;
E – sekundární výstup;
F – vybíjecí tranzistor časovacího obvodu
Časovací obvod NE555 obsahuje ve své struktuře 23 tranzistorů (bipolárních v provedení TTL nebo polních v provedení CMOS) a také diody a rezistory. Základními funkčními prvky časovacího obvodu NE555 jsou odporový dělič napětí, komparátory a SR flip-flop. Úkolem komparátorů je porovnávat napětí na invertujícím a neinvertujícím vstupu. Pokud je napětí na neinvertujícím vstupu komparátoru vyšší než napětí na invertujícím vstupu, komparátor vydá na výstupu vysoký stav. Protože komparátory mají vysoký vstupní odpor, napětí se rozdělí rovnoměrně na každém ze tří rezistorů tvořících vstupní dělič napětí. Naproti tomu SR flip-flop je druh jednobitové paměti. Když je vstup S ve vysokém stavu, výstup klopného obvodu je vysoký. A naopak, když je vstup R ve vysokém stavu, výstup klopného obvodu je v nízkém stavu.
Obr. 2 – vývody integrovaného obvodu NE555 v pouzdře typu DIL8
Na obr. 2 ukazuje schéma vývodů integrovaného obvodu NE555 ve standardním plastovém pouzdře typu DIL8. Jednotlivé vývody mají následující funkce:
1 – GROUND – uzemnění napájecího zdroje;
2 – TRIGGER – přivedení krátkého impulsu z vysokého do nízkého stavu na tento pin spustí časovač;
OUTPUT – výstup impulsů;
4 – RESET – zkratováním tohoto pinu na zem (při nízkém stavu) se obvod resetuje;
5 – CONTROL VOLTAGE – přivedením externího řídicího napětí na tento pin můžeme měnit prahové hodnoty vypínacího napětí vnitřních komparátorů;
6 – THRESHOLD – když napětí na tomto pinu překročí ⅔ napájecího napětí, na pinu 3 se objeví impulzy;
7 – DISCHARGE – kolektor (v provedení CMOS: drain) tranzistoru, který vybíjí časovací obvod;
8 – POWER SUPPLY (VCC) – napájecí napětí (od +5V do +15V vzhledem k potenciálu pinu 1)
Časovač NE555 jako monostabilní generátor
V režimu monostabilního generátoru (obr. 3), kdy je na vývod č. 2 přiveden krátký impuls z vysokého stavu do nízkého stavu zkratováním S1, generuje časovač 555 na vývodu č. 3 impuls vysokého stavu, jehož trvání T závisí na zvolených hodnotách odporu rezistoru R1 a kondenzátoru C1 podle vztahu (1.1):
T = 1,1*R1 * C1 (1,1)Impuls vysokého stavu se sníží, když napětí na vývodu 6 dosáhne ⅔ napájecího napětí na vývodu 8. To je také okamžik, kdy vnitřní tranzistor vybije kondenzátor časovacího obvodu až do konce. Čím delší je požadovaná doba trvání impulzu vysokého stavu, tím větší hodnoty prvků R1 a C1 je třeba zvolit.
Obr. 3 – Časovač NE555 jako monostabilní generátor
Časovač NE555 jako astabilní generátor
Vrežimu astabilního generátoru (obrázek 4) je uspořádání připojení vnějších součástek mírně odlišné než vmonostabilním režimu. V tomto režimu jsou vývody 2 a 6 vzájemně zkratovány, což znamená, že časovač 555 bude generovat periodický průběh na vývodu 3. Frekvence tohoto průběhu bude záviset na zvolených odporech Ra a Rb a kapacitě C podle vztahu (2.1):
V tomto režimu můžeme volbou vhodných hodnot prvků měnit také činitel plnění tvaru vlny na výstupu (vývod 3) podle vztahu (2.2):
Obr. 4 – časovač NE555 jako generátor astabilních hodnot
Časovač NE555 jako bistabilní měřicí zařízení
Časovač 555 má ještě třetí základní režim činnosti – bistabilní flip-flop (obrázek 5). V této konfiguraci může obvod na výstupu (pin 3) dosáhnout dvou stabilních stavů, tj. nízký nebo vysoký stav. V tomto případě je kondenzátor časovacího obvodu zbytečný. Stačí zapojit dva monostabilní spínače, tj. S1 a S2. Krátké stisknutí S1 uvede pin 2 do nízkého stavu a trvale překlopí pin 3 do nízkého stavu. Naopak krátké stisknutí tlačítka S2 přivede nízký stav na pin č. 4 a trvale překlopí pin č. 3 do vysokého stavu.
Obr. 5 – Časovač NE555 jako bistabilní měřicí zařízení
Časovač 555 - klíčové funkce
Jednoduchá implementace základních konfigurací není jedinou výhodou časovače 555. Za zmínku stojí také široký rozsah napájecího napětí (od +5 V do +15 V) a maximální výstupní proudová kapacita 200 mA, která umožňuje spolupráci s logickými obvody TTL. Zde je třeba zmínit, že vývody 2 a 6 jsou vzájemně kompatibilní z hlediska logických úrovní spínacích napětí mezi nízkým a vysokým stavem. Výběrem vhodných externích součástek můžete časovač 555 nastavit tak, aby v monostabilním režimu pracoval až několik minut, a maximální frekvence průběhu, kterou jste schopni na výstupu v astabilním režimu získat, je až 500 kHz. Činitel plnění lze také nastavit v reálném čase nahrazením rezistoru potenciometrem. Přitom teplotní stabilita čipu NE555 se řadí k 50 ppm/°C.
Časovač 555 - Příklady aplikací
Časovač 555 se používá v mnoha elektronických projektech ke generování impulzů. Nyní představíme některé z hlavních projektů založených na IC NE555, které jsou jednoduché a velmi praktické. Tyto projekty lze realizovat pomocí snadno dostupných diskrétních součástek.
Časovač 555 jako DC/DC měnič napětí
Toto zapojení umožňuje pomocí principu násobiče napětí vytvořit napětí téměř dvojnásobné oproti vstupnímu napětí. Pokud je například vstupní napětí přibližně 5 V DC, lze získat výstupní napětí přibližně 10 V DC. Tento návrh na časovači 555 pracuje v konfiguraci astabilního generátoru. Kondenzátory jsou zapojeny do série a k jejich nabíjení poskytuje časovač NE555 hodinové impulsy. Nabité kondenzátory mění napětí, které se rovná téměř dvojnásobku vstupního napětí. Výstupní napětí lze měřit multimetrem.
Časovač 555 jako generátor akustického signálu pro poplach proti vloupání
Tento obvod umožňuje identifikovat zloděje, který rozbije okenní sklo, spuštěním alarmu. Konstrukce založená na časovém čipu 555 se používá jako bezpečnostní systém. Když dojde k rozbití smyčky, čip aktivuje bzučák, který upozorní na vloupání.
Časovač 555 jako dotykový spínač elektrické zátěže
Cílem tohoto projektu je krátkodobá regulace zátěže pomocí dotykového spínače a časovače 555. Časovač zde pracuje v monostabilním režimu a je aktivován dotykovou deskou připojenou k jejímu pinu č. 2. Vývod č. 3 čipu NE555 poskytuje vysoký logický stav po pevný časový interval, který je určen časovou konstantou RC. Vysoký stav na výstupu způsobí, že relé sepne zátěž na příslušnou dobu, poté se automaticky vypne.
