Как работает таймер NE555 в режиме генератора импульсов. Какие компоненты нужны для создания генератора на NE555. Как рассчитать частоту и скважность импульсов. Какие практические применения имеет генератор на NE555.

Принцип работы таймера NE555 в режиме генератора импульсов

Микросхема NE555 представляет собой универсальный таймер, который может работать в нескольких режимах. Одним из самых распространенных является режим генератора прямоугольных импульсов.

В этом режиме NE555 генерирует на выходе последовательность прямоугольных импульсов с заданной частотой и скважностью. Частота и скважность определяются внешними резисторами и конденсатором.

Принцип работы генератора на NE555 заключается в следующем:

1. Конденсатор C заряжается через резисторы R1 и R2
2. Когда напряжение на конденсаторе достигает 2/3 от напряжения питания, срабатывает внутренний компаратор
3. Выход микросхемы переключается в низкий уровень
4. Конденсатор начинает разряжаться через R2
5. Когда напряжение падает до 1/3 питания, срабатывает другой компаратор
6. Выход переключается обратно в высокий уровень
7. Цикл повторяется

Таким образом, на выходе формируется последовательность прямоугольных импульсов.

Компоненты, необходимые для построения генератора на NE555

Для создания простейшего генератора импульсов на базе NE555 потребуются следующие компоненты:

• Микросхема NE555
• Резистор R1 (обычно 1-100 кОм)
• Резистор R2 (обычно 1-100 кОм)
• Конденсатор C (0.01-100 мкФ)
• Источник питания 5-15 В

Дополнительно могут потребоваться:

• Развязывающий конденсатор 0.1 мкФ
• Светодиод с токоограничивающим резистором для индикации
• Потенциометр для регулировки частоты

Все эти компоненты легко доступны и недороги, что делает NE555 отличным выбором для построения простых генераторов.

Расчет частоты и скважности импульсов генератора на NE555

Частота и скважность импульсов, генерируемых схемой на NE555, зависят от номиналов внешних компонентов и рассчитываются по следующим формулам:

• Частота: F = 1 / (0.693 * (R1 + 2R2) * C)
• Длительность высокого уровня: T1 = 0.693 * (R1 + R2) * C
• Длительность низкого уровня: T2 = 0.693 * R2 * C
• Скважность: D = (R1 + R2) / (R1 + 2R2)

где R1, R2 — сопротивления в Омах, C — емкость в Фарадах.

Используя эти формулы, можно легко подобрать компоненты для получения нужных характеристик сигнала. Например, для частоты 1 кГц при R1 = 10 кОм, R2 = 4.7 кОм понадобится конденсатор C ≈ 100 нФ.

Практические применения генератора импульсов на NE555

Генератор на базе NE555 находит широкое применение в различных областях электроники:

• Звуковые генераторы и сигнализаторы
• Формирование тактовых сигналов для цифровых схем
• Генераторы ШИМ для управления двигателями
• Мигающие светодиодные индикаторы
• Генераторы сигналов для тестирования аудиоаппаратуры
• Таймеры и реле времени

Универсальность и простота NE555 делают его популярным выбором как для любительских, так и для профессиональных проектов.

Преимущества и недостатки генератора на NE555

Генератор импульсов на базе NE555 имеет ряд достоинств:

• Простота схемы
• Низкая стоимость компонентов
• Широкий диапазон рабочих частот (от долей Гц до сотен кГц)
• Возможность регулировки частоты и скважности
• Стабильность работы

Однако есть и некоторые ограничения:

• Невысокая точность частоты (зависит от точности компонентов)
• Ограниченный максимум частоты (около 500 кГц)
• Нестабильность при малых значениях емкости

Для многих применений эти недостатки несущественны, что обеспечивает популярность NE555 в качестве генератора.

Модификации базовой схемы генератора на NE555

Базовую схему генератора на NE555 можно модифицировать для получения дополнительных возможностей:

• Добавление потенциометра для плавной регулировки частоты
• Использование переключаемых конденсаторов для ступенчатого изменения диапазона частот
• Подключение диодов для независимой регулировки длительности импульсов и пауз
• Добавление транзистора для увеличения нагрузочной способности
• Использование второго таймера NE555 для модуляции частоты

Эти модификации позволяют адаптировать схему под конкретные задачи и расширить функциональность генератора.

Советы по сборке и отладке генератора на NE555

При сборке генератора импульсов на NE555 следует учитывать несколько моментов:

• Используйте качественные компоненты с малым разбросом параметров
• Добавьте развязывающий конденсатор 0.1 мкФ между выводами питания микросхемы
• Минимизируйте длину проводников, особенно при работе на высоких частотах
• При отладке используйте осциллограф для контроля формы сигнала
• Проверьте стабильность частоты при изменении напряжения питания

Соблюдение этих рекомендаций поможет собрать надежно работающий генератор с предсказуемыми характеристиками.

Применение таймера NE555. Часть 2 — генератор прямоугольных импульсов на NE555

Продолжение начатой темы применения таймера NE555

Пример №7 — Простой генератор прямоугольных импульсов на NE555

 

В момент включения схемы, конденсатор C1 разряжен и на выходе 3 таймера NE555 находится высокий уровень. Затем конденсатор C1 через резистор R1 начинает постепенно заряжаться.

В момент, когда потенциал на конденсаторе, и соответственно на выводе 6 (стоп) таймера, достигнет примерно 2/3 напряжения питания, сигнал на выводе 3 переключится на низкий уровень. Теперь конденсатор через сопротивление R1 начинает разряжаться. Когда уровень напряжения на входе 2 (запуск) упадет до 1/3 Uпит., на выходе снова будет высокий уровень. И процесс повторится снова.

Если к выходу добавить еще RC-цепь (выделено красным цветом), то выходной сигнал по форме будет приближен к синусоиде.

Пример №8 — Генератор высокой частоты на NE555

Для таймера NE555 – частота в 360кГц является максимальной, поскольку при увеличении ее, работа схемы становится нестабильной.

Пример №9 — Генератор низкой частоты на NE555

 

Генератор низкой частоты по сути своей являются таймером времени. Увеличивая емкость электролитического конденсатора можно растянуть временной интервал. При интервале более 30 минут, показания схемы будут неточными.

Пример №10 — Регулируемый генератор прямоугольных импульсов на NE555

Данная схема позволяет устанавливать на выходе таймера необходимую частоту генератора в пределах от 1 Гц до 100 кГц.

Пример №11 — Одновибратор на NE555

При подаче питания на схему одновибратора, на выводе 3 таймера NE555 будет низкий уровень. Запуск одновибратора происходит в момент подачи отрицательного импульса на вход 2 (запуск), при этом на его выходе будет высокий уровень в течение времени определяемое значениями R1 и C1.

Следует иметь в виду, что запускающий импульс должен быть короче выходного. Если же входной сигнал будет дольше, то пока на входе низкий уровень на выходе все время будет высокий. Подробнее о работе одновибратора на 555 таймере читайте здесь.

Пример №12 — Генератор, управляемый напряжением (ГУН) на NE555

 

Данный генератор иногда называют преобразователь частоты напряжением, так как частота может быть изменена путем изменения входного напряжения.

Как известно вывод 5 таймера 555 предназначен для управления длительностью импульсов на выходе путем подачи на него напряжения, которое должно составлять 2/3 от Uпит. При увеличении управляющего напряжения, увеличивается время заряда/разряда конденсатора и как следствие уменьшается частота на выходе генератора.

Источник: «Применение микросхемы 555», Колин М.

www.joyta.ru

Эксперимент 16. Собираем генератор импульсов на микросхеме NE555

Я собираюсь представить вам наиболее удачную среди всех выпускаемых микросхем — это таймер 555 (Рис.1). Поскольку в Интернете вы можете найти большое количество руководств, в которых рассматривается это устройство, и, следовательно, можете спросить, зачем же нам нужно здесь его обсуждать, то у меня для этого есть, по меньшей мере, три причины:

1. Этого нельзя избежать. Вы просто должны знать эту микросхему. По оценке некоторых источников ежегодное производство этих микросхем составляет более 1 миллиона штук ежегодно. Микросхема таймера 555 будет использоваться тем или иным способом в большинстве схем, которые нам еще придется рассмотреть.

2. Микросхема таймера 555 представляет собой отличное введение в интегральные микросхемы, поскольку она является надежными, универсальным устройством и демонстрирует сразу две функции, с которыми мы познакомимся позднее: функцией компаратора и триггера (flip-flop).

3. После чтения всех руководств по ИС 555, которые я смог найти, начиная с исходного текста оригинального технического описания от компании Fairchild Semiconductor и завершая различными описаниями, посвященными электронике в качестве хобби, я пришел к заключению, что его внутреннее функционирование редко объясняется достаточно понятно. Я хочу предоставить вам графическое изображение того, что происходит внутри, поскольку, если вы не будете иметь его, то не получите возможность творческого использования данной микросхемы.

Рис.1. Внешний вид микросхемы 555 (полное название NE555)

Вам понадобятся:

1.    Источник питания с напряжением 9 В.

2.    Макетная плата, провода для перемычек и мультиметр.

3.    Потенциометр с линейной характеристикой и сопротивлением 5 кОм. Количество — 1 шт.

4.    Микросхема таймера 555. Количество — 1 шт.

5.    Набор резисторов и конденсаторов.

6.    Однополюсные однопозиционные кнопки без фиксации. Количество — 2 шт.

7.    Светодиод (любого типа). Количество — 1 шт.

Порядок действий

Микросхема таймера 555 очень надежный электронный компонент, но все же, теоретически, разрядом статического электричества вы можете вывести ее из строя. Поэтому, чтобы это исключить, перед тем, как начинать работу с микросхемой, вам надо будет заземлиться. Эта процедура подробно описана далее в Эксперименте 18. в примечании «Заземление себя». Хотя это примечание прежде всего относится к такому типу микросхем, которые называются CMOS (от англ. Complementary Metal-Oxide Semiconductor — комплементарный металлооксидный полупроводник — КМОП) и которые особенно уязвимы, заземление это именно та предосторожность, которой не следует пренебрегать в любом случае.

Посмотрите на маленький идентификационный элемент в форме круглого точечного углубления, на корпусе микросхемы и поверните корпус таким образом, чтобы эта метка (или иначе ключ) находилась в левом верхнем углу при направленных от вас выводах микросхемы. Если же на вашей микросхеме идентификационный элемент (ключ) выглядит как полукруглая выемка на середине одного из торцов корпуса, то надо повернуть микросхему таким образом, чтобы эта выемка находилась вверху.

При таком расположении микросхемы ее выводы нумеруются против часовой стрелки, начиная с левого верхнего вывода (находящегося рядом с ключом). Обратите внимание на рис. 2, на котором, кроме того, приведены наименования выводов микросхемы таймера 555, хотя вам пока нет необходимости знать о них что-то больше.

Рис. 2. Обозначение выводов микросхемы таймера 555. Выводы всех подобных микросхем нумеруются против часовой стрелки, начиная с левого верхнего угла. При этом метка (ключ) на корпусе должна находиться в верхней части корпуса

Вставьте микросхему в вашу макетную плату таким образом, чтобы его выводы попали в отверстия посередине платы. Теперь можно легко подать напряжение питания на одни выводы и получить сигналы с других выводов. Для более точного определения положения микросхемы в первом устройстве посмотрите на рис. 3. Таймер на нем обозначен, как «IC1», поскольку «IC» является общепринятым сокращением словосочетания «Integrated Circuit» (интегральная схема — ИС).

Рис. 3. Эта схема дает возможность исследовать поведение микросхемы таймера 555. Используйте ваш мультиметр, чтобы осуществлять контроль напряжения на выводе 2, как это показано на рисунке. Обращаю ваше внимание на то, что на схеме нет резисторов с обозначениями R1, R2 или R3 и нет конденсаторов C1 или C2, поскольку они будут добавлены в схему позднее. В схеме используются следующие элементы: R4 — резистор с сопротивлением 100 кОм; R5 — резистор с сопротивлением 2,2 кОм; R6 — резистор с сопротивлением 10 кОм; R7 — резистор с сопротивлением 1 кОм; R8 — потенциометр с линейный характеристикой и сопротивлением 5 кОм; C3 — конденсатор электролитический емкостью 100 мкФ; C4 — конденсатор электролитический емкостью 47 мкФ; C5 — конденсатор керамический 0,1 мкФ; IC1 — микросхема таймера 555; S1, S2 — кнопочные однополюсные однопозиционные переключатели без фиксации; D1 — светодиод общего назначения. Резистор R5 поддерживает положительный потенциал на выводе 2 (Запуск) до тех пор, пока не будет нажата кнопка S1, которая понижает напряжение в этой точке до значения, задаваемого положением оси потенциометра R8. Когда напряжение на входе «Запуск» падает ниже 1/3 напряжения питания, выход микросхемы (вывод 3) переходит в состояние высокого уровня в течение периода времени, которое определяется номиналами R4 и C4. Кнопочный переключатель S2 осуществляет сброс таймера путем уменьшения напряжения на выводе 4 (Сброс). Конденсатор C3 сглаживает пульсации напряжения питания, а конденсатор С5 изолирует вывод 5 (Управляющее напряжение), чтобы он не смог оказать влияние на функционирование этой схемы. (Мы будем использовать вывод 5 в следующем эксперименте.)

Для всех интегральных схем необходим источник питания. На микросхему таймера 555 напряжение питания должно быть подано следующим образом — отрицательное напряжение на вывод 1, а положительное на вывод 8. Если вы случайно перепутаете полярность, то это может привести к выходу ИС из строя, поэтому будьте очень внимательны при подключении ваших перемычек для подачи питания.

Установите на вашем сетевом адаптере выходное напряжение равным 9 В. Это вполне подходящее значение напряжения для выполнения эксперимента, если вы присоедините плюс питания к правой стороне макетной платы, а минус к левой стороне, как это показано на рис. 3. C3 — это электролитический конденсатор большой емкости, по меньшей мере 100 мкФ, который подключен параллельно источнику напряжения для сглаживания его пульсаций и для обеспечения накопления определенного заряда при подаче напряжения питания на микросхему, которая осуществляет переключения. Кроме этого, он также ограничивает другие быстрые перепады напряжения. Хотя микросхема таймера 555 не является устройством, которое было специально спроектировано для очень быстрого переключения. Однако существуют и другие микросхемы, являющиеся таковыми, и поэтому вы должны взять за правило применять такого рода средства защиты от быстрых переключений.

Сначала повернем ось потенциометра против часовой стрелки до конца для того, чтобы максимально увеличить сопротивление между точками, к которым он подключен. После этого, когда вы приложите измерительный провод вашего тестера к выводу 2, то вы должны получить напряжение 6 В после нажатия кнопки S1.

Теперь поверните потенциометр по часовой стрелке и снова нажмите кнопку S1. Если светодиод D1 не загорится, то продолжайте вращать потенциометр и нажимать и отпускать эту кнопку. Когда вы повернете ось потенциометра примерно на две трети ее полного хода, то вы должны увидеть, что светодиод после каждого нажатия кнопки S1 будет загораться и светиться примерно 5 сек. Далее приведены некоторые факты, в справедливости которых вам следует убедиться самостоятельно.

•    Светодиод продолжает гореть после того, как вы отпускаете кнопку S1.

•    Вы можете удерживать нажатой кнопку S1 достаточно долго (но меньше продолжительности цикла таймера) и светодиод всегда будет выдавать световой импульс одной и той же длительности.

•    Таймер срабатывает после снижения напряжения на выводе 2. Вы можете проверить это своим мультиметром.

•    Светодиод D1 будет либо полностью включен, либо полностью выключен. Вы не сможете увидеть слегка мерцающий светодиод, когда он находится в выключенном состоянии, а переход из положения «выключено» и «включено» происходит очень быстро и четко.

Посмотрите на соответствующую электрическую схему устройства (рис. 4) и на расположение всех компонентов на вашей макетной плате (рис. 5). Согласно справочной информации, представленной в листах технических данных таймера 555, в схему нужно будет добавить некоторые компоненты, которые мы обозначим как R1, R2, C1 и C2. Поэтому в этой исходной схеме резисторы обозначены, начиная с R4, а конденсаторы, начиная с C3.

Рис. 4. Графическое представление электрической схемы устройства, монтажная схема которого показана на рис. 3. Мы будем рассматривать принципиальные схемы, которые выполнены таким образом, что они максимально похожи на расположение компонентов на макетной плате. Это не всегда самое оптимальное изображение компоновки, но пользуясь этим изображением проще всего выполнять монтаж. Номиналы всех компонентов схемы представлены на рис. 3

Когда кнопка S1 не нажата, на вывод 2 таймера 555 через резистор R5, который имеет сопротивление 2,2 кОм, поступает положительное напряжение. Поскольку внутреннее входное сопротивление таймера на выводе 2 имеет очень высокое значение, то напряжение на нем будет почти равно напряжению источника питания, т. е. 9 В.

Рис. 5. Здесь показано, как выглядят компоненты схемы после их установки на макетную плату. Зажимы типа «крокодил» присоединены к проводу, который соединяет электролитический конденсатор С3 емкостью 100 мкФ с потенциометром R8. Напряжение питания на плату не подано

Если же нажать на кнопку S1, то помимо этого к выводу 2 через резистор R8 (потенциометр с сопротивлением 5 кОм) будет подключен еще и минусовой вывод источника питания. Таким образом, для вывода 2 резисторы R8 и R5 образуют делитель напряжения. Вы, наверное, можете вспомнить аналогичное решение, когда вы выполняли тестирование транзисторов. Напряжение между этими резисторами будет меняться в зависимости от значений их сопротивлений.

Если ось потенциометра R8 повернуть примерно наполовину, то сопротивление потенциометра будет примерно равно сопротивлению резистора R5, т. е. в средней точке делителя, подключенной к выводу 2, напряжение будет равно примерно половине напряжения источника питания. Но когда вы будете поворачивать ось потенциометра таким образом, чтобы его сопротивление уменьшалось, напряжение на выводе 2 микросхемы начнет постепенно уменьшаться.

Если у вас есть зажимы на измерительных проводах вашего мультиметра, то вы можете закрепить их на соответствующих выводах элементов, а затем следить за тестером при повороте потенциометра в одну и в другую сторону, после чего каждый раз следует нажимать на кнопку S1.

Графики на рис. 6 иллюстрируют происходящее. На верхнем графике показано напряжение, которое приложено к выводу 2 микросхемы при произвольных нажатиях кнопки и различных положениях оси потенциометра. На нижнем графике показано, что микросхема таймера 555 срабатывает тогда, и только тогда, когда напряжение на выводе 2 становится меньше напряжения 3 В. Что такого особенного в этой величине 3 В? Это одна треть от напряжения питания 9 В.

Рис. 6. На верхнем графике показано напряжение запуска (вывод 2), когда нажата кнопка, причем интервалы нажатия и отпускания кнопки разные при различных положениях оси потенциометра. Нижний график иллюстрирует выходной сигнал (вывод 3), который скачкообразно меняется от нуля до напряжения питания, в тот момент времени, когда напряжение на выводе 2 станет меньше 1/3 напряжения питания

Далее следуют пункты, которые надо проверить при выполнении домашнего задания.

• Выход микросхемы таймера 555 (вывод 3) выдает положительный импульс только тогда, когда напряжение запуска (вывод 2) становится меньше одной трети напряжения питания схемы.

• Микросхема таймера 555 каждый раз формирует положительной импульс одной и той же длительности (начиная с момента выдачи запускающего напряжения на выводе 2).

• Чем больше сопротивление резистора R4 или емкость конденсатора C4, тем больше длительность выходного импульса.

• Когда на выходе (вывод 3) будет напряжение высокого уровня, то это напряжение будет практически равно напряжению питания. Когда на выходе напряжение низкого уровня, то оно почти равно нулю.

Микросхема таймера 555 преобразует хаотичный мир входных запускающих импульсов в прецизионный и регулируемый на выходе. Микросхема на самом деле не включается и не выключается абсолютно мгновенно, но все-таки достаточно быстро, чтобы каждый раз можно было бы считать ее изменяющейся мгновенно.

Теперь осталась еще одна вещь, которую следует попробовать. Срабатывание таймера приводит к тому, что загорается светодиод D1. Если же в это время нажать на кнопку S2, то она на вывод 4 (Сброс) подаст нулевое напряжение. При этом светодиод должен мгновенно погаснуть.

Когда напряжение на выводе «Сброс» станет низким, выход тоже становится низким вне зависимости от напряжения, которое приложено к выводу «Запуск».

Есть еще одна вещь, о которой я хотел бы упомянуть до начала использования таймера в более интересных схемах. Я включил резисторы R5 и R6 таким образом, что как только вы подадите питание на таймер, он не должен формировать импульсы, но был бы готов к выполнению этого. Данные резисторы задают положительные напряжения соответственно на выводах «Запуск» и «Сброс», что создает такие условия, при которых таймер 555 будет готов запуститься, как только на него подадите напряжение питания.

Пока напряжение на выводе «Запуск» будет оставаться высоким, таймер не будет генерировать импульсы. (Он генерирует импульсы только, когда это напряжение будет меньше некоторого порогового значения.)

Пока напряжение на выводе «Сброс» будет оставаться высоким, таймер будет в состоянии формировать импульсы. (Генерация прекращается, когда напряжение на этом выводе будет иметь низкий уровень.)

Резисторы R5 и R6 известны, как подтягивающие резисторы, поскольку подтягивают напряжение в точках их подключения к напряжению питания. Вы с легкостью можете подавить это напряжение, используя непосредственное подключение этих точек к отрицательному выводу источника питания. Типичное значение сопротивления подтягивающего резистора для таймера 555 составляет 10 кОм. В соответствии с законом Ома при наличии источника питания с напряжением 9 В через резистор будет протекать ток, равный 0,9 мА.

Наконец, вы можете задаться вопросом о назначении конденсатора C5, присоединенного к выводу 5. Этот вывод известен, как вывод «Управляющего напряжения», что означает, что если вы подаете на него напряжение, то вы можете управлять чувствительностью таймера. Я вернусь и рассмотрю это более подробно несколько позднее. Поскольку мы не используем эту функцию прямо сейчас, то в качестве нормального решения будет подключение к выводу 5 конденсатора, чтобы защитить его от колебаний напряжения питания и предотвратить попадание на него какого-либо сигнала, который окажет на этот вывод негативное воздействие при нормальном функционировании.

Прежде чем продолжите чтение, убедитесь, что вы знакомы с основными функциями таймера 555.

Теория

Внутри таймера 555.Режим одновибратора (моностабильный) Пластмассовый корпус таймера 555 содержит пластинку кремния (кристалл), на которой вытравлены сотни транзистор­ных переходов согласно схеме, которая слишком сложна, чтобы ее можно было сразу. Тем не менее я смог обобщить функции этих внутренних элементов, разделив их на основные группы, которые показаны на рис. 7. Кроме этого на этой схеме показаны внешний резистор R4 и два внешних конденсатора С4 и С5, которые обозначены так же, как и на схе­ме, приведенной на рис. 4. Символами питания с минусом «-» и плюсом «+» внутри ин­тегральной микросхемы отмечено напряжение питания, кото­рое подается на ее выводы 1 и 8 соответственно. Я опустил вну­тренние соединения этих выводов, чтобы сделать схему более понятной. Два желтых треугольника, обозначенных буквами «А» и «В», означают два внутренних компаратора. Каждый компаратор сравнивает два напряжения на двух входах (в основании тре­угольника) и выдает выходное напряжение (из вершины тре­угольника) в зависимости от того, одинаковый сигнал на входах или различный. В дальнейшем мы обязательно будем использовать компараторы для различных целей. Прямоугольник зеленого цвета, который внизу обозна­чен буквами «FF», означает триггер (flip-flop) . На структурной схеме я показал его в виде двухполюсного двухпозиционного переключателя, поскольку в данном случае он функционирует именно так, хотя, естественно, это твердотельный полупроводниковый переключатель. Рис. 7. Внутренняя структурная схема таймера 555. Белыми линиями показаны резисторы и соединения внутри микросхемы. Треугольниками с буквами «А» и «В» обозначены два компаратора. Прямоугольник, обозначенный «FF» — это триггер (flip-flop), который находится либо в одном, либо в другом стабильном состоянии, аналогично двухполюсному двух-позиционному переключателю. Снижение уровня напряжения на выводе 2 контролируется компаратором «А», который при определенном значении напряжения переключает триггер (переключатель) в нижнее по схеме положение (DOWN), и таким образом формирует положительный импульс на выходе микросхемы (вывод 3). Когда конденсатор C4 зарядится до напряжения, равного 2/3 напряжения питания, что определяется компаратором «В», который в это время переключает триггер (переключатель) в верхнее по схеме положение (UP). В этом состоянии триггера заряженный ранее конденсатор C4 разряжается через вывод 7 Изначально, когда вы подаете напряжение питания на микросхему, триггер находится в верхнем по схеме положении (которое и показано на рис. 7), когда отрицательный (общий) вывод источника питания, обозначенный символом «-», поступает на выход микросхемы (вывод 3). Если на триггер приходит сигнал (DOWN) от компаратора «А», то он переключается в нижнее по схеме положение и затем какое-то время остается в этом состоянии. Когда же на триггер приходит сигнал (UP) от компаратора «В», то он снова переключается в верхнее по схеме положение и фиксируется уже в этом состоянии. Обозначения «UP» (вверх) и «DOWN» (вниз) на выходах соответствующих компараторов будут напоминать вам, что каждый из них делает, когда переходит в активное состояние. Триггер является основным элементом в цифровой электронике. Компьютеры не смогли бы функционировать без использования этого элемента. Обратите внимание на внешний провод, который присоединяет вывод 7 к конденсатору С4. Пока триггер находится в верхнем по схеме положении, на этот вывод поступает «-» источника питания, что препятствует заряду конденсатора от «+» источника питания через резистор R4. Если напряжение на выводе 2 падает до 1/3 напряжения питания, то компаратор «А», замечая это, выполняет переключение триггера. Это приводит к началу формирования положительного импульса на выводе 3, а также к отключению «-» источника питания от вывода 7. Поэтому в это время конденсатор C4 через резистор R4 начинает заряжаться от «+» источника питания. Пока выполняется заряд конденсатора, на выходе таймера продолжает присутствовать «+» источника питания, т. е. продолжается формирование положительного импульса. По мере заряда конденсатора C4 компаратор «В» через вывод 6, который называется «Порог» (Threshold), отслеживает возрастающее на конденсаторе напряжение. Когда конденсатор зарядится до значения, равного 2/3 напряжения источника питания, компаратор «В» сработает и выдаст сигнал «UP» (вверх) на триггер, возвращая его обратно в исходное состояние, которое показано на рисунке. Это приводит к разряду конденсатора через вывод 7, который так и называется «Разряд» (Discharge). В это время триггер прекращает формирование положительного импульса на выходе микросхемы (вывод 3) и выдает на него «-» источника питания. Таким образом таймер 555 возвращается в исходное состояние. Обобщая все предыдущее, приведу последовательность основных выполняемых событий: 1.    Изначально триггер через источник питания закорачивает (разряжает) конденсатор C4 и выдает на выходе микросхемы (вывод 3) низкий уровень сигнала («-» источника питания). 2.    После уменьшения напряжения на выводе 2 до значения, равного 1/3 напряжения питания или менее того, микросхема на выходе (вывод 3) начинает формирование положительного импульса и предоставляет возможность конденсатору C4 начать заряжаться через резистор R4. 3.    Когда конденсатор достигает 2/3 напряжения питания, микросхема разрядит конденсатор C4, завершится формирование положительного импульса и на выходе (вывод 3) снова будет напряжение низкого уровня. В рассмотренном случае таймер 555 работает в режиме ждущего одновибратора, что означает, что он выдает только по одному импульсу, а вы, чтобы получить каждый следующий импульс, должны заставить его сработать.

Длительность формируемого импульса можно регулировать за счет изменения значений сопротивления резистора и емкости конденсатора С4. Каким же образом вам узнать какие значения надо выбрать? Обратитесь к следующему разд. «Фундаментальные сведения» и посмотрите на табл. 1 с приблизительными уже рассчитанными данными. В этом же разделе имеется формула, воспользовавшись которой, вы можете рассчитать и свои собственные значения.

Я не побеспокоился о том, чтобы в данную таблицу включить импульсы длительностью менее 0,01 сек, поскольку одиночный импульс такой длительности, как правило, не имеет практической ценности. Кроме того, я округлил значения в таблице до 2 цифр после запятой, поскольку значения емкости конденсатора редко бывают более точными.

Фундаментальные сведения

Таблица. 1 показывает длительность фор­мируемого таймером 555 импульса в режиме одновибратора. •  Длительность импульса приводится в секундах с округлени­ем до двух значащих цифр после запятой. •  Горизонтальная шкала показывает значение сопротивления меж­ду выводом 7 и положительным выводом источника питания. •  Вертикальная шкала показывает общие значения емкости меж­ду выводом 6 и отрицательным выводом источника питания. Чтобы рассчитать различную длительность импульса, надо выполнить умножение по формуле: tи = сопротивление х емкость х 0,0011, где сопротивление приводится у килоомах, емкость в микрофа­радах, а длительность получается в секундах.  Таблица 1.

Базовые сведения

Как родился таймер В конце 1970 года, когда имелось полдюжины корпораций, пустивших корни на плодородной почве Силиконовой долины, компания Signetics приобрела идею у инженера по имени Ханс Камензинд (Hans Camenzind). Это не была такая уж революцион­ная идея — имелось всего 23 транзистора и набор резисторов, которые могли работать, как программируемый таймер. Таймер обещал быть универсальным, стабильным и простым, но все эти достоинства бледнели при обращении к его начальной стои­мости. Используя революционную технологию создания инте­гральных микросхем, компания Signetics смогла оформить все устройство в одном кремниевом чипе. Рис. 8. Ханс Камерзинд (Hans Camenzind) изобретатель и разработчик микросхемы таймера 555 производства компании Signetics Разработка предполагала пройти некоторый путь проб и ошибок. Камензинд, работая один, выполнил все устройства в большом масштабе, используя имеющиеся в наличии транзисто­ры, резисторы и диоды, установленные на макетной плате. Он начал с того, что немного поменял номинальные значения раз­ных компонентов, следя за тем, каким образом схема будет реа­гировать на разные изменения в процессе производства и такие факторы, как, например, изменение температуры в процессе эксплуатации. Он сделал, по меньшей мере, около 10 различных вариантов схемы. На это ушло несколько месяцев работы. Затем настало время ручной работы. Камензинд садился за рабочий стол и, используя специально изготовленный компа­нией нож «X-Acto», наносил свою схему на большой лист пла­стика. Компания Signetics затем уменьшила это изображение с помощью фотографии в масштабе примерно 300 : 1. Они про­травили ее в тонкой кремниевой пластине, а затем поместили всю эту конструкцию в прямоугольный пластмассовый корпус с номером изделия, который был отпечатан на крышке. Таким образом родился таймер 555. Ему была уготована судьба наиболее популярной микросхе­мы в истории, как по количеству проданных единиц (десятки миллионов, и этот счет растет) и продолжительности существо­вания конструкции (она остается неизменной вот уже сорок лет). Микросхема таймера 555 использовалась везде — от ракет до детских игрушек. Он может заставить мигать огни, приводить в действие охранную сигнализацию, менять длительность меж­ду звуковыми сигналами и создавать сами звуковые сигналы. В настоящее время ИС разрабатываются большими коман­дами производителей и тестируются путем моделирования их поведения с помощью программного обеспечения компьютера. Таким образом, микросхемы, расположенные внутри компьюте­ра, предоставляют возможность спроектировать новые ИС. Зо­лотые дни конструкторов-одиночек, таких как Ханс Камерзинд, давно прошли, но его гений до сих пор живет внутри каждого таймера 555, который выходит с заводского конвейера.

 

 

Фундаментальные сведения

Почему таймер 555 так полезен? В своем режиме одновибратора (моностабильном), кото­рый мы только что рассмотрели, таймер 555 генерирует один импульс фиксированной (но программируемой) длительности. Есть ли у вас какие-либо мысли, как можно было бы использо­вать этот прибор? Подумайте о продолжительности времени, когда импульс от таймера 555 управляет некоторым другим компонентом. Датчик движения для включения наружного освещения, например. Когда инфракрасный детектор «видит», что что-то движется, то загорается свет на определенный пери­од времени, который может задаваться таймером 555. Другим применением может быть тостер. Когда кто-то опу­скает кусок хлеба, переключатель замыкает контакты, что при­водит к включению цикла работы тостера. Чтобы изменять длительность этого цикла, вы вместо сопротивления R4 можете использовать потенциометр и присоединить его к ручке, уста­новленной на корпусе устройства, чтобы с его помощью за­давать необходимый уровень прожаренности хлеба. В конце цикла тостера выходной сигнал от таймера 555 должен пройти через мощный транзистор, который в свою очередь подает на­пряжение питания на катушку электромагнита (это что-то вроде реле, за исключением того, что у нее нет контактов для включе­ния/выключения), выбрасывающего прожаренный кусок хлеба. Еще одно применение. Периодически включаемые дворни­ки автомобиля могут управляться таймером 555 — и в прежних моделях автомобилей это было именно так. А что можно сказать об охранной сигнализации, которую мы описывали в Эксперименте 15? Одна из функций, которую я упо­минал, и которая не была реализована, это возможность само­стоятельного отключения системы сигнализации через опреде­ленный, фиксированный интервал времени. Для выполнения этого мы можем использовать регулируемый выходной сигнал таймера. Эксперимент, который вы сейчас будете выполнять, выгля­дит примитивным, но в нем фактически реализуются все его возможности.

 

Ограничения при использовании микросхемы таймера 555

1.    Таймер может запускаться от стабильного источника питания с напряжением от 5 до 15 В.

2.    Большинство производителей рекомендуют регулирующий резистор, присоединенный к выводу 7, в диапазоне сопротивлений от 1 кОм до 1 МОм.

3.    Величина емкости времяопределяющего конденсатора может быть настолько высокой, насколько продолжительным вы хотите получить временной интервал, но точность при увеличении длительности интервала будет падать.

4.    На выходе микросхемы может быть получена мощность до 100 мА при напряжении питания 9 В. Этого достаточно для большинства небольших реле или миниатюрных динамиков, что вы увидите в следующих экспериментах.

Остерегайтесь, чтобы не перепутать выводы!
Во всех схемах я привожу микросхемы точно с таким расположением, как было показано ранее — вывод 1 находится вверху слева. В других схемах, которые вы можете найти на веб-сайтах, все может быть показано иначе. Для удобства изображения схем некоторые часто указывают номера выводов микросхем таким образом, что вывод 1 необязательно находится рядом с выводом 2.

Рис. 9. Многие рисуют схемы, в которых номера выводов микросхем располагаются в произвольном порядке, что значительно уменьшает схему и упрощает понимание ее функций. Это не помогает, когда вы начинаете реально выполнять подключения. Здесь приведена точно такая же схема, как и на рис. 4. Однако этот вариант схемы будет труднее реализовать на макетной плате

Автор: Чарльз Платт

Возможно, вам это будет интересно:

meandr.org

Генератор прямоугольного сигнала 100КГц на микросхеме 555

Музыкальный сигнал совсем не похож на меандр. Частотный диапазон, воспринимаемый средним взрослым человеком редко превышает 17КГц. Поэтому я считаю, что эмоциональные обсуждения того, как тот или иной усилитель справляется с «прямоугольником» 100КГц — не слишком убедительны. Но как инженер-электронщик могу подтвердить, что «просвистеть» усилитель меандром 100КГц может помочь обнаружить проблемы в конструкции, совсем неочевидные при тестировании сигналами в звуковом диапазоне частот. Например выбросы перерегулирования петлевой ООС, влияние (преимущественно входных и миллеровских) емкостных нагрузок и т.п.

Прежде, чем собрать данный генератор на КМОП 555 таймере, я опробовал К561ЛА7, К561ЛН2, 74HC04 и 74HCT04, а так же обычный 555 — в различных вариантах схем релаксационных генераторов. Они все звенят ужастно. Так что из моего опыта получилось лишь два приемлимых бюджетных варианта:

Микросхема таймера 555

Важно: в данной конструкции необходимо использовать только качественный КМОП вариант 555 таймера. Обычные биполярные 555, к которым относится и КР1006ВИ1, работают плохо. Пример хорошего КМОП таймера: TLC555 datasheet от TI.

На мой взгляд, одна из наиболее наглядных отрисовок блок-схемы микросхемы 555:

Блок-схема КМОП таймера 555

1. GND — Ground = «Земля», отрицательный вывод питания
2. TRIG — Trigger = Триггер
3. OUT — Output = Выход
4. RESET = Сброс
5. CONT — Control voltage = Управляющее напряжение
6. THRES — Threshold = Порог
7. DISCH — Discharge = Разряд
8. VDD — Positive supply voltage = Положительное напряжение питания

Апологеты микроконтроллеров могут смеяться. Впрочем, я и сам подумывал, отчего бы не замутить универсальный генератор на ATmega-8, который к тому же всегда под рукой. Потом стало лень программить, да и намучался я уже с присвистами ото всех этих цифровых штуковин. Для проверки качественного аудио аппарата хотелось иметь и качественный же тестовый сигнал 😉

 

Простота — залог успеха

Надеюсь, что описывая конструкцию по схеме практически из datasheet’ов, всё же помогу кому-нибудь из моих читателей сэкономить немного времени и собрать сразу удобный генератор тестовых сигналов, при этом избежав нескольких ненужных проб и ошибок.

Генератор прямоугольного сигнала (меандра)

• C1 = 1 нФ
• R1 = 6.2 кОм
• R2 = 1 кОм
• R3 = 300 Ом
• R4 = 5 кОм
• C2 = 1 мкФ
• C3 = 10 мкФ 25 В
• C4, C5 = 0.1 мкФ

Для тестирования аудио-конструкций удобно иметь источник сигнала центрированный относительно земли. Но и «смещённый» (с ощутимой постоянной состовляющей) сигнал бывает полезен, к примеру чтобы проверить работу серво-цепи, обеспечивающей нулевое смещение по выходу. Так что предлагаю предусмотреть возможность закорачивать проходной конденсатор на выходе генератора.

 

Все частоты хороши — выбирай на вкус

Раз уж греть паяльник — почему бы не обеспечить возможность выбора частоты генерируемого сигнала? Рядок DIP-переключателей, несколько дополнительных емкостей и резисторов, небольшой потенциометр — и генератор на все случаи жизни готов 🙂

В теории частоту на выходе генератора можно прикинуть как:

f = 0.72 / (R1 * C1)

На практике частота получается чуть ниже рассчётной, особенно на высоких частотах.

Я ограничился следующим набором емкостей и резисторов:

• C1: 1 нФ, 10 нФ, 0.1 мкФ, 1 мкФ
• R1: 2.2 кОм, 6.2 кОм, 150 кОм, подстроечник 220 кОм

Удобные комбинации R1 и C1:

• 250 кГц — 1 нФ 2.2 кОм
• 100 кГц — 1 нФ 6.2 кОм
• 30 кГц — 10 нФ 2,2 кОм
• 10 кГц —  10 нФ 6,2 кОм
• 3.1 кГц — 0.1 мкФ 2.2 кОм
• 1.1 кГц — 0.1 мкФ 6.2 кОм
• 465 Гц — 10 нФ 150 кОм
• 46 Гц — 0.1 мкФ 150 кОм
• 4.5 Гц — 1 мкФ 150 кОм

Конечно, частоты даны очень приблизительно, всё зависит от применённых компонентов.

 

Собираем — Проверяем

Данную конструкцию удобно запитывать от батареек или маленького сетевого блока с обычным трансформатором и выпрямителем прямо в коробочке-вилке. Во избежание выжигания столь любимых мною КМОП 555 таймеров защита от переполюсовки тут весьма уместна.

Генератор меандра с защитой от переполюсовки питания

Монтаж паутинкой «Kynar wire» — быстро и недорого

myelectrons.ru