UKŁADY UZALEŻNIEŃ
CZASOWYCH
Opracował: Krzysztof Górski
www.ne555.com
Wiadomości ogólne
Układu uzależnień czasowych stanowią bardzo ważną
grupę układów występujących praktycznie w każdym
urządzeniu cyfrowym, zwłaszcza w jego części
sterującej. Są to wszelkiego typu generatory
monostabilne i astabilne, układy formujące impulsy.
Obecnie najczęściej wykorzystywane są układy czasowe
wykonane w technologii scalonej. Najbardziej popularne
układy czasowe to ‘121, ‘123, NE555. Wszystkie one
mogą pracować jako generatory astabilne i
monostabilne.
Generatory impulsu
Generatory impulsu, zwane inaczej uniwibratorami, przerzutnikami
monostabilnymi (Monostable Multiwibrator, One-Shot) są układami służącymi do
generowania impulsu o określonym czasie trwania pod wpływem impulsu
wyzwalającego.
Generatory impulsów
Generatory impulsów, zwane inaczej przerzutnikami astabilnymi,
multiwibratorami są układami służącymi do generowania ciągu
impulsów (fali prostokątnej) o określonej częstotliwości.
Timer NE555
Układ 555 jest uniwersalnym układem czasowym przeznaczonym do stosowania jako uniwibrator generujący impulsy o
czasie trwania od 1us do 100s oraz jako multiwibrator generujący przebiegi o częstotliwości od 0,01Hz do 3Mhz.
Oprócz tego jest on bardzo szeroko wykorzystywany w technice cyfrowej. Może być stosowany do dzielenia
częstotliwości, dyskryminacji szerokości impulsu, przetwarzania napięcia na częstotliwość lub odwrotnie. Bardzo często
znajduje zastosowanie w układach alarmowych, sygnalizacyjnych, mierników częstotliwości, pojemności i obrotomierzy.
Układ w Polsce był produkowany pod nazwą ULY7855N, na świecie układ ten występuje pod wieloma oznaczeniami
najpopularniejszymi są NE555, LM555. Wartość maksymalna generowanych częstotliwości zależy od producenta oraz
technologii w jakiej został wykonany układ i waha się w granicach od 400kHz do 3MHz.
Układ czasowy 555 został opracowany przez firmę SIGNETICS w 1972 roku i jest obecnie produkowany przez wielu
innych producentów takich jak: STMicroelectronics, Motorola, Texas Instrumens, RCA, National, Filchard, Philips,
Sanyo, KEC, JRC, Maxim, Intersil, Hitachi.
Był również produkowany u nas w kraju przez CEMI pod oznaczeniem ULY7855.
Układy 555 wykonywane są w technologii bipolarnej jak i CMOS. Podstawowa zaletą timera 555 jest to, że do
prawidłowego funkcjonowania wymagana jest minimalna ilość elementów dyskretnych.
Tak więc, układ timera 555 może pracować jako generator monostabilny, potrzebujący do funkcjonowania tylko dwóch
elementów zewnętrznych: rezystora i kondensatora. Przy pracy jako generator astabilny potrzebne są trzy elementy:
jeden kondensator i dwa rezystory. Dodatkowymi zaletami timera 555 jest duża pewność działania oraz stabilność
czasu trwania impulsu wyjściowego.
Uniwersalność układu 555 i jego prostota oraz możliwości różnorodnego wyzwalania impulsów sprawiają, że po układ
mogą sięgać zarówno amatorzy jak i profesjonaliści.
Schemat blokowy NE555
Wewnętrzna struktura timer-a 555 składa się on z następujących funkcjonalnych
bloków :
- dzielnika napięcia ustalającego progi zadziałania komparatorów
- komparatora 1 wyłączającego przerzutnik RS
- komparatora 2 włączającego przerzutnik RS
- tranzystora rozładowywującego.
Schemat blokowy wewnętrznej struktury 555 jest identyczny
dla wersji wykonanej w technologii bipolarnej jak i CMOS.
Napięcia odniesienia ustalane są w dzielniku napięciowym zawartym w strukturze wewnętrznej
układu. Dzielnik składa się z trzech rezystorów R1,R2,R3 o takiej samej wartości (5k).
Dla Komparatora 1 napięcie odniesienia zostało ustalone na poziomie 2/3 Uzasilania ,
natomiast dla komparatora 2 ustalono wartość 1/3 U zasilania. Jeżeli napięcie na wejściu
wyzwalającym (pin2 TRIGGER) spadnie poniżej 1/3 napięcia zasilającego to
na wyjściu Komparatora 2 pojawi się stan wysoki powodujący włączenie przerzutnika RS.
Wzrost napięcia na wejściu PRÓG (pin6 TRESHOLD) powyżej wartości 2/3 napięcia zasilania
powoduje pojawienie się stanu wysokiego na wyjściu komparatora 1
i natychmiastowe wyłączenie przerzutnika i przejście wyjścia układu w stan niski.
W tym stanie zostaje włączony tranzystor rozładowywujący kondensator, dołączony do
wyjścia pin7(Discharge). Przy pracy jako Uniwibrator kondensator rozładowywuje się
bardzo szybko i na tym kończy się działanie, aż do chwili przyjścia kolejnego impulsu
wyzwalającego. Jeżeli układ pracuje jako multiwibrator, kondensator jest dołączony do obu
komparatorów i gdy napięcie na kondensatorze zmniejszy się do poziomu wyzwalania
komparatora 2 równego 1/3 Uzasilania to na wyjściu komparatora pojawia się wysoki
poziom napięciowy. Wywołuje to niski stan na wyjściu przerzutnika i odcięcie tranzystora
rozładowywującego, kończąc okres rozładowania. Kondensator zaczyna się ładować i cały
cykl powtarza się.
Schemat wewnętrzny timera w technologii bipolarnej
Producenci 555
Timer 555 jest lub był produkowany przez takich wytwórców jak:
CEMI – produkcji polskiej ULY7855 wykonany w technologii bipolarnej, obecnie nie
produkowany
MAXIM - ICM7555 i ICM7556 wykonany w technologii CMOS
INTERSIL - ICM7555 i ICM7556 wykonany w technologii CMOS
HITACHI - HA17555 wykonany w technologii bipolarnej
STMicroelectronics - NE555 i SA555 w technologii bipolarnej, TS3V555 wykonany
na napięcie robocze 3V, TS555C,I,M w technologii CMOS
Fairchild Semiconductor - KA555 i KA556 wykonany w technologii bipolarnej
JRC - NJM555, NJN556 wykonany w technologii bipolarnej
SANYO - LB8555D,LB8555S, LB8555M wykonane w technologii bipolarnej.
KEC - KIA555P/F wykonany w technologii bipolarnej
MIRCEL - MIC1555, MIC1557
Dokładne dane układów zawarte są w danych katalogowych dostępnych w postaci
plików pdf na stronach internetowych poszczególnych producentów.
Opis wyprowadzeń
Przez około trzydzieści lat produkcji 555 była i jest umieszczana w różnego typu
obudowach:
- dwurzędowych DIP8 i DIP14
- okrągłej TO-99
- obudowach do montażu powierzchniowego
SSOP8,DMP14,SO8,MFP8,TSSOP8, DMP8, SOP-8, FLP8, MSOP8,
micro SMD Package,PSOP8, CQCC28,
- w obudowach jednorzędowych SIP8
Jak widać różnorodność obudów stosowanych przez producentów jest bardzo
wielka, daje to konstruktorom możliwość wyboru odpowiedniej obudowy do
konkretnego zastosowania.
Najbardziej popularnymi obudowami w których umieszcza się timery 555 są to
DIP8 oraz DIP14. W obudowie DIP8 mieści się pojedynczy timer 555 a w DIP14
umieszcza się dwie struktury 555, występujące pod oznaczeniem 556.
DIP-8
(ang. Dual In-line Package),
Przez kilka lat produkowana była wersja timera 555 w
obudowie DIP14, gdzie umieszczona była tylko jedna
struktura. To nieekonomiczne rozwiązanie obecnie wyszło z
produkcji.
DIP-14
Rysunek przedstawia okrągłą metalową obudowę TO99,
w której umieszczono pojedynczą strukturę timera 555.
TO-99
Poniższe rysunki przedstawiają dosyć egzotyczne i
bardzo rzadko używane obudowy w których
umieszczono timery 555, pierwsza z nich to
jednorzędowa SIP8 a druga czterorzędowa LCCC.
Opis poszczególnych wyprowadzeń timera 555
GND (PIN1) jest to wejście zasilania, połączone z masą układu.
TRIGGER (PIN2) wejście wyzwalające, które jest wejściem komparatora 2.
Spadek napięcia na tym wejściu poniżej 1/3 Uzasilania powoduje wyzwolenie
układu i przejście wyjścia OUT w stan wysoki. Stan ten utrzymuje się tak długo,
aż napięcie na wejściu TRESHOLD przekroczy 2/3 Uzasilania.
OUT (PIN3) jest to wyjście układu.
RESET (PIN4) jest wejściem którego zwarcie do masy zawiesza wszystkie funkcje układu.
Wyjście OUT ustawiane jest w stan niski, przerzutnik jest zerowany a kondensator
jest rozładowywany przez tranzystor. Podczas pracy jako oscylator wejście może być
używane do bramkowania pracy oscylatora.Natomiast w trybie pracy multiwibratora
monostabilnego Reset przerywa dodatni impuls wyjściowy, wprowadzając niski stan na wyjściu.
CONTROL (PIN5) jest to drugie wejście komparatora 1. W większości zastosowań
wyprowadzenie to jest podłączone do masy poprzez kondensator filtrujący
o pojemności około 10nF. Może również służyć do zamiany proporcji wartości rezystorów
wchodzących w skład wewnętrznego dzielnika napięcia. Wejście to możemy również
wykorzystać do stworzenia przy pomocy 555 prostego oscylatora przestrajanego napięciowo.
THRESHOLD (PIN6) to wejście komparatora, wyłączającego przerzutnik wewnętrzny.
Podanie na wejście napięcia większego od 2/3 Uzasilania spowoduje natychmiastowe
ustawienie stanu niskiego na wyjściu OUT.
DISCHARGE (PIN7) jest wyprowadzeniem kolektora tranzystora wewnętrznego.
W większości zastosowań podłącza się do kondensatora zewnętrznego, który jest
rozładowywany wówczas, gdy na wyjściu OUT jest stan niski.
VCC (PIN8) jest to wejście dodatniego bieguna zasilania (Uzasilania).
UKŁADY PRACY NE555
Wykorzystanie podstawowych trybów pracy oraz ich nieco zmodyfikowanych wariantów pozwala
na zastosowanie układu w setkach niesamowitych aplikacji. Wykorzystanie tego prostego timera
jest praktycznie ograniczone tylko wyobraźnią konstruktora.
Timery rodziny 555 i 556 mogą pracować w następujących układach pracy:
-generator monostabilny (uniwibrator)
-generator astabilny (multiwibrator)
-generator opóźnień czasowych
-modulator szerokości impulsów
-generator przebiegu liniowego
-detektor impulsów
-dzielnik częstotliwości
GENERATOR
MONOSTABILNY
Jednym z najczęściej stosowanych rodzajów pracy timera 555 jest praca jako generator
monostabilny. W tym rodzaju pracy układ wymaga jedynie dwóch podstawowych
elementów zewnętrznych rezystora R1 i kondensatora C1. Na rysunku przedstawiono
schemat dołączenia tych elementów do wyprowadzeń układu tak aby działał jako
generator monostabilny inaczej mówiąc uniwibrator. Pozostałe dwa elementy rezystor
R2 i kondensator C2 nie są koniecznie wymagane lecz służą one do zapewnienia
odpowiednich warunków pracy generatora. Rezystor R2 podciąga wejście wyzwalające
TRIGGER do bieguna dodatniego zasilania, wymuszając wysoki stan na wejściu oraz
eliminując wszelkiego typu zakłócenia. Kondensator C2 jest dołączony do wejścia
CONTROL i służy jako filtr.
Działanie generatora rozpoczyna się w momencie wymuszenia na
wejściu wyzwalającym TRIGGER napięcia niższego od 1/3
napięcia zasilania. Do tego momentu wyjście układu OUT
znajdowało się w stanie niskim a wewnętrzny tranzystor
rozładowywujący T14 poprzez wyprowadzenie DISCHARGE
zwierał kondensator C1 do masy układu. Podanie niskiego stanu
na wejście wyzwalające TRIGGER powoduje zadziałanie
wewnętrznego KOMPARATORA 2 i natychmiastowe ustawienie
na wyjściu Q wewnętrznego przerzutnika RS stanu niskiego co z
kolei powoduje ustawienie na wyjściu OUT stanu wysokiego oraz
zablokowanie tranzystora T14. Kondensator C1 przestaje być
zwierany do masy przez wewnętrzny tranzystor rozładowywujący
T14 co powoduje rozpoczęcie procesu ładowania C1. Czas
ładowania kondensatora C1 określa wartość jego pojemność oraz
rezystancji R1. Minimalne przekroczenie na kondensatorze C1
poziomu napięcia równego 2/3 Uzasilania powoduje włączenie
KOMPARATORA 1, który włącza przerzutnik RS ustawiając na
jego wyjściu Q stan wysoki. Tranzystor rozładowywujący T14
zostaje włączony powodując rozładowanie kondensatora C1 a na
wyjściu OUT zostaje ustawiony stan niski. Od tego momentu
układ generatora astabilnego pozostaje w stanie oczekiwania na
kolejny impuls wyzwalający.
Rysunek przedstawia przebiegi napięciowe w czasie pracy
jako uniwibrator.
Szerokość impulsu wyjściowego (czas trwania impulsu) można wyznaczyć na podstawie parametrów
zewnętrznego dzielnika R1 i C1. Przybliżona zależność do wyznaczania szerokości impulsu wyjściowego
z pominięciem upływności kondensatora wynosi:
T(s) = 1,1xR1()xC1(F)
Maksymalna wartość rezystancji R1 wynosi ok. Stosując kondensatory elektrolityczne można
uzyskać czas trwania impulsu wyjściowego rzędu kilku godzin.
Jeżeli do wejścia (CONTROL) sterowania napięciowego zamiast kondensatora filtrującego dołączymy
źródło napięcia umożliwi to modulację czasu trwania impulsu. Przy wartości napięcia większej od 2/3Ucc
nastąpi późniejsze wyzwalanie komparatora K1 i wydłużenie impulsu na wyjściu układu.
Zaznaczyć także należy fakt niezależności parametrów impulsu generowanego (jego szerokości, czasu
trwania) od wartości napięcia zasilającego.
Generator monostabilny może być wykorzystany do budowy wszelkiego typu układów czasowych tak
niegdyś popularnych zegarów ciemniowych, czasowych wyłączników lampek nocnych, grzałek i pompek
w akwarium itp.
GENERATOR ASTABILNY
Podobnie jak generator monostabilny, generator astabilny jest jednym z najczęściej stosowanych
rodzajów pracy timera 555. Aby jednak timer 555 spełniał warunki do pracy jako generator astabilny
(multiwibrator) generujący na wyjściu OUT ciąg impulsów prostokątnych, układ wymaga zastosowania
trzech podstawowych elementów zewnętrznych. Są to dwa rezystory R1 i R2 oraz kondensator C1.
Wejścia THRESHOLD i TRIGGER połączone są razem i poprzez kondensator C1 dołączone do masy
układu.
Wyjście wewnętrznego tranzystora rozładowywującego T14 dołączone jest do bieguna
dodatniego zasilania poprzez rezystor R1 a poprzez rezystor R2 dołączone do
kondensatora C1 i wejść TRESHOLD i TRIGGER. Działanie generatora rozpoczyna się
w chwili włączenia zasilania, w tym momencie kondensator C1 jest rozładowany i w
związku z tym utrzymuje się na nim napięcie niższe od 1/3Uzasilania. Spowoduje to
wyzwolenie wewnętrznego KOMPARATORA 2 i natychmiastowe ustawienie zera na
wyjściu Q przerzutnika RS, zablokowanie tranzystora rozładowywującego T14 i
ustawienie wysokiego stanu na wyjściu OUT. Po odblokowaniu przez tranzystor T14
kondensatora C1 rozpoczyna się proces ładowania poprzez rezystory R1 i R2. Napięcie
na ładującym się kondensatorze C1 rośnie i po przekroczeniu napięcia równego 2/3
Uzasilania zostaje wyzwolony KOMPARATOR 1 powodując ustawienie wysokiego stanu
na wyjściu Q przerzutnika RS. Na wyjściu OUT zostaje ustawiony stan niski.
Wewnętrzny tranzystor rozładowywujący T14 zostaje włączony powodując rozładowanie
kondensatora C1 poprzez rezystor R2. Po pewnym czasie określonym przez pojemność
kondensatora C1 i rezystancję rezystora R2 napięcie na kondensatorze spada do
wartości równej 1/3Uzasilania. W tym momencie zostaje wyzwolony KOMPARATOR 2
powodując ponowne ustawienie niskiego stanu na wyjściu Q przerzutnika RS i cały cykl
rozpoczyna się od początku. I w ten oto sposób na wyjściu OUT powstaje ciąg impulsów
prostokątnych, generowanych tak długo aż do chwili zablokowania stanem niskim na
wejściu RESET lub do wyłączenia zasilania układu. Zauważmy że w procesie ładowania
kondensatora C1 uczestniczą oba rezystory R1 i R2 a podczas rozładowania tylko R2.
Pracę generatora astabilnego określają następujące wzory:
-
czas trwania impulsu t1 = 0,693 (R1+R2)C1
-
czas przerwy pomiędzy impulsami t2 = 0,693 R2 C1
-
okres T = t1+ t2 = 0,693(R1+2R2)C1
-
częstotliwość generowanych impulsów f=1,44/(R1+2R2)C1
Przebiegi napięciowe podczas pracy układu jako multiwibrator.
W trybie astabilnym układ timera 555 ma pewną niedogodność polegającą na tym, że pierwszy
generowany dodatni impuls jest nieco dłuższy od następnych. Dzieje się tak dlatego, ponieważ zaraz po
włączeniu zasilania lub podaniu niskiego stanu na wejście RESET kondensator C1 jest całkowicie
rozładowany a pierwsze ładowanie odbywa się od 0 do 2/3Uzasilania.
Kolejne ładowanie i rozładowanie zawiera się już w granicach od 1/3 do 2/3Uzasilania. O tym zjawisku
musimy pamiętać przy projektowaniu bardziej skomplikowanych układów, jednak przy prostych
amatorskich układach możemy całkowicie ten fakt pominąć. Rysunek przedstawia przebieg wyjściowy na
wyjściu OUT podczas pracy generatora astabilny po podaniu niskiego stanu na wejście RESET. Innym
ważnym zagadnieniem jest współczynnik wypełnienia generowanego przebiegu prostokątnego, w tym
rozwiązaniu konstrukcyjnym współczynnik wypełnienia jest zawsze większy od 50%. Współczynnik
wypełnienia przebiegu wyjściowego dla impulsów dodatnich jest określony wzorem
D = t1/T = R1+R2/R1+2R2
Współczynnik wypełnienia dla impulsów ujemnych określa wzór
D = t2/T = R2/R1+2R2
W celu uzyskania przebiegów o współczynniku wypełnienia 50% lub mniejszym należy zastosować
rozwiązania przedstawione na rysunku Rys.2.2.4 i Rys.2.2.5. Pierwsze rozwiązanie polega na ładowaniu
kondensatora C1 tylko poprzez rezystor R1 i rozładowaniu przez rezystor R2. W standardowym
rozwiązaniu proces ładowania kondensatora C1 odbywał się to poprzez dwa szeregowo podłączone
rezystory R1 i R2.
Innym sposobem na osiągnięcie współczynnika mniejszego od 50% jest zastosowanie
dwóch dodatkowych diod półprzewodnikowych pracujących jako klucze. Podczas
procesu ładowania kondensatora C1 dioda D1 spolaryzowana jest w kierunku
przewodzenia bocznikując rezystor R2 z włączoną w szereg diodą D2 spolaryzowaną
zaporowo. Rozwiązanie umożliwia na ładowanie kondensatora C1 tylko przez rezystor
R1. Przy rozładowaniu kondensatora C1 dioda D2 jest spolaryzowana w kierunku
przewodzenia a Dioda D1 zaporowo.
UKŁAD OPÓŹNIAJĄCY
Układ opóźniający w działaniu przypomina generator monostabilny, gdzie po ujemnym impulsie
wyzwalającym na wejściu TRIGGER wyjście jednocześnie zmienia swój stan na wysoki i po czasie
określonym wzorem T=1,1RC wraca do stanu niskiego. W trybie pracy jako układu opóźniający, wyjście
OUTPUT nie powinno zmienić stanu równocześnie z wyzwoleniem, lecz po pewnym ustalonym przez
użytkownika czasie. Na rysunku na rysunku 2.3.1 przedstawiony jest schemat układu opóźniającego,
wymaga on zastosowania tylko trzech elementów rezystora R1, kondensatora C1 oraz zewnętrznego
tranzystora T1.
Tranzystor T1 dołączony jest pomiędzy połączonych razem wyprowadzeń TRIGGER i
THRESHOLD a masę układu bocznikując kondensator C1. Wewnętrzny tranzystor
rozładowywujący T14 nie jest wykorzystywany w układzie a wyjście jego kolektora
DISCHARGE pozostaje nie podłączone (wisi w powietrzu). Wyjście to może być użyte
do sygnalizacji stanu pracy układu sterując włączoną pomiędzy biegun dodatni zasilania
+Vcc a wyprowadzenie DISCHARGE diodą LED, przekaźnikiem, sygnalizatorem
akustycznym.
W przypadku kiedy tranzystor T1 jest w stanie przewodzenia, zwiera on zewnętrzny
kondensator C1, co powoduje ustalenie niskiego stanu na wejściach TRIGGER I
THRESHOLD. Na wejściu wewnętrznego KOMPARATORA 2 utrzymuje się stan niski
powodując na jego wyjściu ustawienie stanu wysokiego. Powoduje to ustawienie na
wyjściu Q przerzutnika RS niskiego stanu co zarazem powoduje ustawienie na wyjściu
OUTPUT timera stanu wysokiego. Po wyłączeniu zewnętrznego tranzystora T1
rozpoczyna się proces ładowania kondensatora C1 przez rezystor R1. Naładowanie
kondensatora C1 do wartości napięcia równej 2/3 Uzasilania powoduje wyzwolenie
KOMPARATOR 1 i przełączenie przerzutnika RS. Wysoki stan na wyjściu Q
przerzutnika RS powoduje ustawienie na wyjściu OUTPUT stanu niskiego, który trwa do
ponownego włączenia tranzystora wejściowego T1.
Przebieg obrazujący pracę układu opóźniającego przedstawiony został na rysunku.
Czas opóźnienia wyliczamy korzystając ze standardowego wzoru T=1.1R1C1
MODULATOR SZEROKOŚCI IMPULSÓW
Do modulacji szerokości impulsów możemy wykorzystać wejście napięcia sterującego
CONTROL. Wyprowadzenie to jest połączone z wejściem odwracającym
KOMPARATORA 1 oraz z wewnętrznym dzielnikiem napięć złożonym z trzech
jednakowych rezystorów o wartości 5k.
Napięcie występujące na tym wyprowadzeniu ustalone jest dzielnikiem i zawsze jest
równe 2/3 Uzasilania. Do tej końcówki można doprowadzić napięcie zewnętrzne
zmieniające się w czasie, ponieważ górna granica zmian napięcia na kondensatorze
dołączonym do THRESHOLD jest równa napięciu progowemu na końcówce CONTROL,
więc czas ładowania może być zmieniany za pomocą napięcia sterującego lub
modulującego przyłożonego do tej końcówki. Przy pracy jako uniwibrator wyzwalany
ciągiem impulsów uzyskuje się na wyjściu impulsy o zmiennym czasie trwania. Są to
sygnały z modulacją szerokości impulsu.
Rysunek przedstawia przebiegi charakteryzujące pracę układu
jako modulator z których wyraźnie widać wpływ napięcia na
wejściu U control na szerokość impulsów.
DZIELNIK CZĘSTOTLIWOŚCI
Układ generatora monostabilnego można również wykorzystać jako dzielnik częstotliwości. W tym celu
wykorzystuje się właściwość generator monostabilnego polegającą na tym że raz wyzwolony pozostaje w
tym stanie aż do zakończenia generacji impulsu wyjściowego i nie może być powtórnie wyzwolony. Układ
ten może być stosowany tylko wtedy gdy znana jest częstotliwość sygnału wejściowego.
Sygnał wejściowy podlegający podziałowi, doprowadzony został do wejścia
TRIGGER(pin2) timera 555. Wartości współpracujących elementów R1 i C1 można
określić ze wzoru:
1,1 x R1 x C1 = (n-0.5) 1/fi
gdzie
fi = częstotliwość sygnału wejściowego
n = stopień podziału
Na rysunku 2.6.2 przedstawiono przebiegi czasowe obserwowane w układzie dzielnika
częstotliwości o stopniu podziału n=3.
Uwagi do zastosowań układu
Układ timera 555 pracuje poprawnie dla napięć zasilających mieszczących się w granicach +4,5V do
+15V. Oczywiście większość układów będzie pracować przy napięciu Uzasilania +16V jaki i +3V. Jednak
gwarantowana niezawodność to napięcia w granicach od +4,5V do +15V. Wartości te zależą generalnie
od producentów. W tej chwili produkowane są układy 555 mogące pracować przy napięciu 1V i niższym
dochodzącym do 0,8V. Wielką zaletą układu jest to, że wszystkie funkcje czasowe nie są zależne od
napięcia zasilającego, ponieważ czas ładowania kondensatora zewnętrznego oraz progi przełączania
komparatorów są dobrane proporcjonalnie do napięcia zasilającego. Podczas konstruowania urządzeń z
wykorzystaniem timera musimy do jego poprawnej pracy zapewnić odpowiednie filtrowanie napięcie
zasilającego przez bocznikowanie kondensatorami. Bocznikowanie kondensatorem linii zasilającej jest
konieczne ze względu na to, że podczas przełączania stanów wyjścia, układ pobiera w impulsie znaczny
prąd zasilający. Zakłócenia wnoszone przez zasilanie mogą powodować zakłócenia w pracy układu,
objawiające się gorszą dokładnością generowanych powtarzalnych impulsów. Przesuwając poziom
napięcia na wejściu Control Voltage (pin5), powodujemy zmiany w aktualnym procesie ładowania
kondensatora zewnętrznego, co powoduje zmianę długości cyklu pracy. Fakt ten jest wykorzystywany w
układach modulatorów. W innych przypadkach może być źródłem błędów.
Podczas doboru zewnętrznych elementów RC, odpowiedzialnych za czasowe zależności układu, należy
wziąć pod uwagę stałość parametrów rezystorów i kondensatorów. Jest to niezbędne do utrzymania
stosunkowo wysokiej dokładności parametrów czasowych układu 555. Kondensator powinien być
wysokiej jakości i jak najmniejszej upływności. Kondensatory ceramiczne nie nadają się do osiągania
wysokiej powtarzalności generowanych impulsów a to ze względu że nie są to elementy zachowujące
swoje parametry w czasie i potrafią zmienić swoją pojemność po pewnym czasie. Dlatego poleca się
stosować kondensatory o małej upływności np. tantalowe.
Dobierając zewnętrzne rezystory należy brać po uwagę minimalną wartość prądu potrzebną do
wyzwolenia KOMPARATORA 1 (TRESHOLD). Wartość ta w zależności od producenta i technologii
wykonania timera waha się od 10pA do 250nA i na jej podstawie możemy określić maksymalną wartość
rezystora. Przy napięciu wyzwalania na wejściu TRESHOLD KOMPARATORA 1 wynoszącym 2/3Vcc
rezystancję Rmax obliczymy według wzoru Rmax =(Vcc-2/3Vcc)/Ith(nA) dla napięcia Vcc = 15V
rezystancja Rmax wynosi 20MΩ przy napięciu Vcc =+5V Rmax wynosi 6,6MΩ.
Jeżeli użyjemy rezystorów o rezystancji w pobliżu Rmax należy upewnić się czy prąd ładowania
kondensatora, który ogranicza tenże rezystor jest większy od prądu upływności kondensatora.
Niespełnienie tego warunku spowoduje złą pracę układu lub całkowicie zablokuje układ.
Minimalna wartość rezystancji, przez którą jest ładowany kondensator wynosi około 5k. Wartość ta
wynika z maksymalnego prądu przewodzenia wewnętrznego tranzystora rozładowywującego, który w
cyklu rozładowania kondensatora przewodzi prąd z kondensatora oraz źródła zasilania. Prąd jaki może
przewodzić wewnętrzny tranzystor wynosi od około 35mA do 55mA w zależności od typu układu i
producenta. Wielkość pojemności kondensatora jest w zasadzie bez znaczenia tylko dla bardzo dużych
pojemności, prąd rozładowania płynący przez wewnętrzny tranzystor może być za duży i powodować
uszkodzenie wewnętrznej struktury układu.
Nomogramy, tablice i programy do obliczeń
Korzystanie ze wzorów nie zawsze jest wygodne a niektórych sytuacjach może nawet przyprawiać o ból
głowy. W codziennej amatorskiej praktyce nie potrzebujemy dużej dokładności obliczeń i dlatego na co
dzień warto posługiwać się nomogramami. Poniżej na rysunku przedstawione są nomogramy do
wyznaczania wartości elementów dla generatora astabilnego i monostabilnego.
Innym sposobem doboru elementów dla timera 555 jest korzystanie z prostych tabel zawierających dane
o elementach R,C o wartościach najczęściej spotykanych oraz gotowy wynik obliczeń.
Tabela 1 Generator Monostabilny T=1.1RC
0,001F
0,01F
0,1F
1k
11s
110s
1,1ms
10k
11s
110s
1,1ms
11ms
100k
110s
1,1ms
11ms
110ms
1M
1F
1,1ms
11ms
110ms
1,1s
10F
11ms
110ms
1,1s
11s
100F
110ms
1,1s
11s
110s
1000F
1,1s
11s
110s
1100s
Tabela 2 Generator Astabilny T=0,7(Ra+2Rb)C
0,001F
0,01F
0,1F
1k
7s
70s
10k
7s
70s
700s
7ms
100k
70s
700s
7ms
70ms
1M
700s
1F
700s
7ms
70ms
700ms
10F
7ms
70ms
700ms
7s
100F
70ms
700ms
7s
70s
1000F
700ms
7s
70s
700s
Korzystanie z programów komputerowych które wspomagają proces doboru elementów w sposób
znaczny zwiększyło dokładność obliczeń oraz skróciło czas wykonywania obliczeń. W sieci internet
dostępnych jest wiele programów pomocnych przy budowaniu generatorów astabilnych i monostabilnych
w oparciu o układ timera 555, są to zazwyczaj proste programy typu freeware napisane przez amatorów
lub studentów. Są bardzo łatwe w obsłudze praktycznie zaraz po uruchomieniu możemy przystąpić do
obliczeń. Podczas wykonywania obliczeń zazwyczaj należy podać interesującą nas częstotliwość,
współczynnik wypełnienia a w przypadku generatora monostabilnego czas trwania impulsu a program
automatycznie wylicza wartości potrzebnych nam elementów. Lub też w sposób odwrotny gdy podając
wartości elementów program wylicza częstotliwość, współczynnik wypełnienia, czas trwania impulsu.
Jednym z takich programów jest 555TIMER DESING dostępny za darmo na stronie
http://www.schematica.com/555_Timer_design/555.htm
Program ten nie ma wygórowanych wymagań, działa praktycznie na wszystkich systemach operacyjnych
Windows 95,98, NT,ME,2000,XP. Plik instalacyjny ma rozmiar 468KB.
Po instalacji program jest gotów do pracy. Program umożliwia obliczenie elementów dla timera
pracującego w układzie astabilnym i monostabilnym. Oprócz obliczeń program zawiera schematy
czternastu aplikacji oraz podstawowe dane timera 555. Okno programu 555TIMER DESING przedstawia
rysunek .
Obsługa programu jest bardzo prosta. Po wprowadzeniu danych w polach Frequency (częstotliwość) i
Duty Cycle (wypełnienie) i naciśnięciu przycisku Calculate (przelicz) na schemacie przy elementach
pojawią się wartości elementów odpowiadające zadanej częstotliwości i wypełnieniu. Oprócz tego w oknie
Vout pojawi się kształt przebiegu z czasami trwania impulsów i przerw między nimi. Przyciskami Adjust
(regulacja) przy zaznaczonej opcji C1 program dobiera pojemność kondensatorów według podstawowego
szeregu. Przy opcji Timer przyciskami wybieramy rodzaj timera 555, 556A, 556B a na rysunku zmienia się
numeracja wyprowadzeń odpowiadająca wybranemu timerowi. Jak widać obsługa programu jest bardzo
prosta i nie wymaga specjalnego przygotowania.
Projekty z zastosowaniem NE555
LATARECZKA
Krzysztof Górski WWW.NE555.COM
Prezentowany układ w swojej konstrukcji wykorzystuje znany wszystkim czytelnikom timer 555. Prosta konstrukcja umożliwia wykonanie
układu praktycznie przez każdego początkującego elektronika amatora. Układ możemy z powodzeniem zastosować jako światło zastępcze
w różnego typu awaryjnych sytuacjach.Schemat ideowy przedstawiono na rys 1. Z konstrukcji układu możemy wyodrębnić dwie zasadnicze
części:
generator impulsów z zasilaniem bateryjnym
część wykonawcza.
W generatorze zastosowano timer 555 pracujący jako generator impulsów o zmiennym wypełnieniu.
Jest to standardowa aplikacja 555 szeroko stosowana w różnego typu regulatorach.
Cześć wykonawcza to sześć diod świecących umieszczonych na tarczy i sterowanych tranzystorem BD135.
Działanie układu jest bardzo proste i nieskomplikowane. Po naciśnięciu przycisku P1 do układu zostaje
przyłączona bateria zasilająca. W wyniku czego generator zaczyna generować impulsy o zmiennym współczynniku wypełnienia,
regulacji dokonujemy potencjometrem POT1. Impulsy sterują pracą tranzystora T1 oraz sześciu diod świecących.
Diody są najbardziej energochłonnymi elementami w układzie, impulsowe zasilanie pozwala na uzyskanie bardziej sprawnego
strumienia świetlnego oraz ograniczenie mocy pobieranej z baterii a co za tym idzie oszczędzenie baterii.
Na rysunku 2 przedstawiono mozaikę płytek drukowanych. Od razu rzuca się w oczy nietypowy ich kształt.
Układ zbudowany jest z dwóch płytek, jedną dwustronna w kształcie koła i drugą wąską z rozszerzeniem na baterię zasilającą.
Płytki zostały tak zaprojektowane aby po zmontowaniu układu otrzymać gotową do użytku latarkę.
REGULATOR WENTYLATORA
W obecnej chwili w handlu jest dostępnych wiele miniaturowych wentylatorów
używanych w sprzęcie elektronicznym. Większość tych wentylatorów
przeznaczona jest do pracy przy napięciu roboczym 12V. Zadaniem ich jest
wymuszanie przepływu powietrza w celu chłodzenia podzespołów elektronicznych.
Sam wentylator nie posiada żadnych elementów regulacyjnych umożliwiających
sterowanie ilością przepływu powietrza. Aby móc w sposób sprawny dokonywać
regulacji należy zmieniać prędkość obrotową wirnika wentylatora. O
skonstruowanie regulatora poproszony zostałem przez kolegów elektroników
hobbystów. Poproszono mnie również o to aby układ był możliwe jak najprostszy i
jak najtańszy bez zastosowania tak modnych w dzisiejszych czasach
mikrokontrolerów. Aby obniżyć koszty układu przy jednoczesnym zachowaniu w
miarę nowoczesnego charakteru regulatora postanowiłem wykorzystać stary lecz
niezawodny układ scalony typu NE555. Zastosowanie tej kostki uprościło
konstrukcję do tego stopnia że każdy początkujący elektronik amator wykona ją
bez problemu w kilka minut.
Całą konstrukcje możemy podzielić na dwa bloczki Rys.1: sterowanie, układ wykonawczy.
Blok sterowania jest to generator impulsów o zmiennym współczynniku wypełnienia. Zakres regulacji od 1% do 99%.
Częstotliwość generowanych impulsów jest stała i w urządzeniu modelowym wynosi 4kHz. Oczywiście wartość ta może być
modyfikowana poprzez odpowiedni dobór wartości kondensatora C2 i potencjometru regulacyjnego POT1.
Układ wykonawczy to nic innego jak najzwyklejszy w świecie tranzystor NPN typu BD135 wraz z miniaturowym wentylatorem,
sterowany z wyprowadzenia Q (pin3) NE555. Schemat całego urządzenia przedstawiony jest na poniżej.
Montaż i uruchamianie: Z montażem i uruchomieniem układu nie powinnyśmy mieć żadnych problemów.
Poniższy rysunek przedstawia mozaikę ścieżek płytki drukowanej wykonanej na jednostronnym laminacie na którym
umieszczono wszystkie elementy regulatora, kształt płytki również przewiduje zamocowanie wentylatora.
Układ zmontowany ze sprawnych elementów nie wymaga uruchomiania i od razu pracuje poprawnie.
Z zastosowaniem regulatora nie powinniśmy mieć żadnych problemów, bajecznie prosta i tania konstrukcja są
dodatkowymi zaletami układu przemawiającymi za stosowaniem.
Download

UKŁADY UZALEŻNIEŃ CZASOWYCH