Микросхема NE555

Популярная микросхема NE555В этой статье мы расскажем вам об одной неприметной интегральной схеме, которая изменила мир электроники. Разнообразие ее применений настолько велико, что о ней написано огромное количество статей и напечатано множество книг!

В чем причина популярности микросхемы NE555? Ответ на этот вопрос станет ясен, когда расскажем о конструкции и применении этой схемы.

Основная цель этой статьи — общий обзор конструкции NE555. Мы также будем использовать эту популярную ИС (интегральная схема) для создания очень простого первого проекта. А потом, в следующей статье мы сможем построить более сложные схемы — датчик препятствий и сервоконтроллер.

Краткая история NE555

Микросхема NE555 была разработана в 1970 году и запущена в серийное производство 12 месяцев спустя. Ее создатели не ожидали, что она будет производиться более 40 лет. Более того, сегодня никто даже не думает о прекращении производства этого чипа.

В каталогах производителей NE555 описана как универсальная машина времени, то есть схема, которая может генерировать импульсы заданной длительности.
Вариант микросхемы NE555
Один из вариантов микросхемы NE555

Универсальность данной микросхемы является результатом простоты. В структуре этой схемы выделяется всего пять блоков, которые можно настраивать по-разному. С помощью нее можно изготавливать множество устройств: от простого мигающего светодиода, через сервоприводы и звуковые сигналы, до регуляторов мощности двигателя. Каждая из этих схем требует времени, и именно для этого был разработан NE555 .

NE555 продается в 8-контактных корпусах. Также существует вариант, содержащий две такие схемы таймера в одном корпусе — он известен как NE556 (такая схема замкнута в куб с 14 выводами). Однако эта версия не так популярна.

У NE555 есть множество модификаций, не меняющих ее принцип работы. По этой причине в продаже имеются LF555, CD555, LM555 и др.

Когда вы начинаете работать с новой интегральной схемой, у вас должна быть под рукой ее каталожная запись — ее стоит просмотреть даже просто из любопытства. Однако на данный момент, нам нужна только распиновка, т.е. описание пинов.

Описание выводов микросхемы NE555
Описание выводов (ножек) микросхемы NE555

Внутренняя структура NE555

Каждая интегральная схема состоит из таких компонентов, как транзисторы и резисторы. Конечно, их можно сгруппировать в функциональные блоки. Мы уже анализировали такие блоки при обсуждении интегрированного инфракрасного приемника (TSOP) — на этот раз наш анализ работы схемы будет намного точнее.

На блок-схеме NE555 ниже показано соединение блоков, показывающих суть ее работы. Это значительно упрощает анализ компоновки. Благодаря этому очень легко увидеть, за что «изнутри» отвечает каждый вывод (ножка).

На рисунке ниже, номера ножек отмечены синим цветом. Конечно, ни их порядок, ни расположение, не такие, как в реальной раскладке. Представлять ее в другой форме на схеме — совершенно нормально — и производители делают то же самое.
Блок-схема микросхемы NE555
Блок-схема микросхемы NE555

Важно отметить, что на таких блок-схемах не рисуются дорожки, по которым проходит ток, между блоками, чтобы изображение было более понятным. Изначально предполагается, что на каждый блок подается питание и заземление. В противном случае, автор схемы должен это четко указать.

Чтобы у всех было одинаковое понимание того, как работает NE555, мы подробно обсудим отдельные блоки, показанные на схеме. Вам не нужно делать этот анализ при изучении каждой новой интегральной схемы. Однако NE555 — настолько культовый чип, что им стоит заняться — хотя бы для удовлетворения собственного любопытства.

Для справки: элементы, которые мы сейчас обсуждаем, находятся внутри ИС!

Блок 1: Делитель напряжения

Три резистора одинакового номинала (обычно 5 кОм) образуют делитель напряжения, уже хорошо известный нам, внутри схемы. Они делят напряжение питания, приложенное между контактом 8 (VCC) и контактом 1 (GND), на три равные части, то есть 1/4 этого напряжения отдается каждому резистору. Например, напряжение питания системы 6 В, нижний узел имеет потенциал 2 V, а верхняя 4 V.

NE555 Делитель напряжения
NE555, Блок 1: Делитель напряжения

Блок 2: Компараторы напряжения

Треугольники с двумя входами и одним выходом — это, конечно, компараторы напряжения. Их работа уже подробно описывалась ранее, поэтому нам больше не нужно здесь обсуждать этот вопрос. Однако их конкретная задача, конечно же, будет представлена ​​в следующих статьях.

NE555 Компараторы напряжения
NE555 Блок 2: Компараторы напряжения

Блок 3: RS-триггер

Прямоугольник с пятью отведениями называется RS-триггером. Это цифровой компонент, который запоминает состояния выходов компаратора напряжения. Напряжение, близкое к положительной силовой шине на выходе компаратора, обозначается логической 1, а напряжение, близкое к отрицательной силовой шине (земля, 0 В), — логическим 0.

Триггер поддерживает заданное состояние выходов до тех пор, пока не будет получен сигнал, принудительно изменяющий их.
NE555 триггер RS
NE555, Блок 3: триггер RS

Функции его выводов следующие:

  • S (set) — при высоком уровне выход Q устанавливается на высокий уровень,
  • R (сброс) — когда статус высокий, выход Q устанавливается на низкий,
  • RES с кружком, обозначающий отрицание — передача низкого состояния этому входу сбрасывает схему, т.е. устанавливает 0 на выходе Q, независимо от состояния двух других входов,
  • Q — выход триггера,
  • Q с чертой, обозначающей отрицание — перевернутый выход триггера (напротив Q).

Триггер — это тема, связанная с цифровыми технологиями. Вам не нужно сейчас слишком углубляться в это. Самое главное — это общее понимание того, как работает этот элемент, то есть на практике:

  • Предоставление на мгновение высокого состояния входу S триггера приведет к тому, что выход Q будет постоянно высоким. Изменение состояния входа больше не повлияет на выход — он все время будет оставаться на высоком уровне.
Работа триггера RS
Работа триггера RS: а) начальное состояние (состояние 0 на выходе), б) состояние 1 на входе SET (состояние 1 на выходе), в) отключение сигнала 1 на входе SET (устойчивое состояние)
  • Применение высокого состояния к входу R приведет к сбросу триггера, то есть установит выход Q в низкое состояние.
Работа триггера RS 2
Работа триггера RS: г) начальное состояние (состояние 1 на выходе), д) состояние 1 на входе RESET (состояние 0 на выходе, после затухания сигнала состояние будет сохраняться)
Второй выход (инвертированный Q) — это просто инвертированное значение выхода Q. Что касается Q, если здесь 1, то для инвертированного Q это 0; и наоборот — если для Q это 0, то для Q с отрицанием равно 1.

Блок 4: выходной буфер

Есть так называемый выходной буфер, задача которого увеличить текущий КПД этого выхода. Благодаря ему, например, диоды или реле можно подключать напрямую к выходу NE555.

Выход триггера не справился бы с этой задачей, потому что логическая структура не предназначена для передачи больших токов. Буфер «сам по себе» не влияет на логическое состояние на выходе — он только следует за тем, что он получает на своем входе, то есть за выходом триггера.

NE555 выходной буфер
NE555 Блок 4: выходной буфер

Блок 5: Транзистор

Как упоминалось ранее, интегральная схема (ИС) в основном состоит из транзисторов. Так почему же здесь он выделен как особенный? У него особая функция: он разряжает внешний конденсатор, который мы позже подключим к NE555.

Этот транзистор управляется с выхода инвертированного триггера, то есть он открывается, когда выход Q низкий, и тогда инвертированный Q высокий. Это, конечно, транзистор с достаточно высокой токовой емкостью, чтобы он не повредился при открытии — его роль заключается в быстрой разрядке конденсатора.

NE555 Транзистор
NE555 Блок 5: Транзистор

Как работает NE555?

Сам NE555 не может делать ничего конструктивного — он должен быть огражден внешними элементами. Их значения и схема подключения определяют функции схемы.

В этом случае две наиболее важные функции, которые может выполнять NE555:

  1. нестабильный генератор,
  2. моностабильный генератор.

Нестабильный генератор — это схема, которая начинает работать сразу после включения питания и изменяет выходное состояние с высокого на низкое и наоборот. Каждое состояние длится определенное время. Такие изменения создают прямоугольную волну, потому что в ней всего два уровня напряжения. Одно из простых применений такого генератора — мигание светодиода.

Моностабильный генератор выдает только один импульс. Сигнал для его генерации исходит извне и представляет собой напряжение с определенным логическим уровнем. Как только импульс закончится, он готовится и ждет следующего триггера. Этот тип генератора полезен, когда мы хотим построить временные цепи или, например, делители частоты.

Работа нестабильного генератора

Легче всего разобрать нестабильную схему, хотя в ней больше элементов, чем в моностабильной. Его принципиальная схема представлена ​​ниже. Резисторы RA, RB и конденсатор C1 используются для отсчета времени. Конденсатор C2 не является обязательным (его роль будет рассмотрена позже).

NE555 нестабильный генератор
NE555 в нестабильном режиме

Если приведенное ниже описание слишком сложно для вас, не беспокойтесь об этом. Продолжайте, выполняйте практические упражнения и только потом возвращайтесь к этому описанию. Однако помните, что это сложная тема, и вам не обязательно в ней разбираться. Если понять, как эта схема работает изнутри, это будет здорово, но это не обязательно — вряд ли кто-то в начале своих экспериментов с электроникой так тщательно разбирался в этой теме.

Самое главное, что после этой статьи вы сможете использовать NE555 на практике. Хорошее знание внутреннего устройства этой микросхемы не является обязательным.

Теперь используйте свое воображение и следите за текстом. Мы предполагаем, что вся система питается от 6 В (т.е. от четырех батареек АА). Конденсатор С1 разряжается после включения питания. Компаратор нижнего уровня реагирует на это отображением высокого состояния на своем выходе, и потенциал на неинвертирующем входе (+) намного выше, чем потенциал на инвертирующем входе (-), подключенном к конденсатору.

Это вызывает установку в логическом триггере 1, т.к. этот компаратор управляет входом S. Напряжение на выходе схемы близко к напряжению питания.

Разрядный транзистор, управляемый инвертированным выходом, забит и не проводит электричество. На входе R низкий уровень, т.к. инвертирующий вход компаратора высокого уровня (-) находится под потенциалом ⅔ напряжения питания, то есть 4 В.

Конденсатор медленно заряжается через последовательно включенные резисторы RA и RB.

Через некоторое время, когда конденсатор заряжается до напряжения, превышающего порог переключения нижнего компаратора (т.е. выше 2 В), компаратор перейдет в низкое состояние на своем выходе. Однако это ничего не меняет в работе триггера — он запомнил состояние high с входа S до и ждет. Конденсатор продолжает заряжаться.

Работа NE555 в анимации
Анимированная работа NE555

После того, как конденсатор зарядится выше 4 В, верхний компаратор меняет свой выход на высокий и сбрасывает выход триггера. На выходе Q установлен низкий уровень, а разрядный транзистор «включен» и насыщен.

Ток через транзистор протекает от 2 источников: через резистор RA (от источника питания) и RB (от конденсатора, заряженного до напряжения 4 В). Первое не имеет значения, второе очень важно. Когда конденсатор разряжается, на выходе OUT низкий уровень, и он длится до тех пор, пока напряжение на конденсаторе не превышает 2 В.

Стоит отметить, что верхний компаратор активен только на мгновение: разряд начинается, как только обнаруживается порог переключения, поэтому его выход быстро возвращается в низкое состояние.

Разряд заканчивается, когда нижний компаратор сигнализирует, что напряжение на конденсаторе упало ниже 2 В. Он устанавливает вход S триггера, выход схемы становится высоким и разрядный транзистор забивается. Цикл закрывается и начинается заново.

Описание дополняется схемой хронологии наиболее важных напряжений в цепи: на конденсаторе, на выходе схемы и на входах триггера. Зарядка и разрядка конденсатора происходит дугой, поскольку конденсатор, питаемый резистором, изменяет свое напряжение экспоненциально.

Ход напряжений внутри NE555
Ход наиболее важных напряжений внутри NE555

Какую роль играет второй конденсатор?

На принципиальных схемах многих NE555 есть небольшой конденсатор (порядка 10 нФ), подключенный между контактом 5 и землей. Он фильтрует напряжение, генерируемое в верхнем узле резистивного делителя. Некоторые говорят, что этот конденсатор является избыточным, потому что вся схема, в любом случае, питается от постоянного напряжения, поэтому потенциал этого узла не может измениться.

Вышеприведенные рассуждения верны до тех пор, пока не произойдет переключение триггера RS. Однако этот короткий момент, в течение которого в схеме происходит много всего, должен находиться под постоянным контролем компараторов. Эталонные напряжения, выдаваемые резисторами делителя, не должны изменяться, потому что это повлияет на длительность импульсов.

По этой причине рекомендуется добавить керамический конденсатор емкостью 10–100 нФ, который легко блокирует резкие изменения этого напряжения — создается RC-фильтр. Долгосрочные изменения, такие как медленная разрядка аккумулятора, не будут заблокированы им и не нарушат работу схемы.

Первый проект на NE555

Пришло время самого интересного в этой статье, то есть практического примера. На этот раз мы построим простую схему, которая будет мигать светодиодами. Вам понадобятся следующие компоненты:

  • 1 × микросхема NE555,
  • Резистор 4 × 1 кОм,
  • Конденсатор 2 × 100 нФ,
  • 1 × 220 мкФ конденсатор,
  • 1 × зеленый светодиод,
  • 1 × красный светодиод,
  • Батарея 4 × AA,
  • 1 × корзина для 4 батареек АА,
  • 1 × макетная плата,
  • комплект соединительных проводов.

Принципиальная схема существенно не отличается от рассмотренной здесь. Был добавлен только дополнительный конденсатор 100 нФ, который фильтрует напряжение питания всей схемы — это хорошая практика при создании чего-либо большего. Будет лучше, если этот элемент будет физически установлен рядом с микросхемой NE555, в частности с ее контактами 1 и 8, то есть теми, которые питают его. С другой стороны, выход системы соединен с диодами, которые показывают логическое состояние: зеленый низкий и красный высокий.

Схема мигания светодиодов
Схема мигания светодиодов на NE555

Светодиод LED1, светящийся зеленым светом, был подключен анодом к положительной батарее. Это означает, что он загорится только тогда, когда на выходе NE555 низкий уровень (потенциал близок к 0 В). Ток сможет протекать через него и достигать входа микросхемы NE555. Резистор R1 будет стоять на пути этого тока и ограничит его интенсивность до безопасного для диода значения.

Красный диод LED2 подключен катодом к минусу блока питания. Вам нужно дать его аноду положительный потенциал, чтобы через него протекал ток. Это также можно сделать с помощью NE555, когда его выход высокий (потенциал около 6 В). Ток через этот диод, в свою очередь, ограничивает резистор R2.

Диоды LED1 и LED2 горят поочередно, потому что микросхема NE555 может находиться в одном из двух состояний в данный момент (низкое или высокое).

Одновременно будет гореть только один светодиод. Когда светодиод LED1 горит, на выходе NE555 низкий уровень (около 0 В) и на LED2 больше нет напряжения, оба вывода имеют почти одинаковый потенциал. Такая же ситуация возникает при включении LED2 — тогда LED1 «не хватает» напряжения, т.к. выход NE555 имеет потенциал почти такой же, как и его анод (6В).

Поначалу создание такой схемы может показаться довольно запутанным. Однако, конечно же, в рамках этой статьи мы также подготовили подробную инструкцию.

Вы должны помнить, что с интегральными схемами вам нужно обращать внимание на номера контактов — они часто расположены на схеме в другом порядке, чем на физическом корпусе.

Начнем с размещения микросхемы NE555 на плате (обязательно обратите внимание на выемку в корпусе).

Шаг 1. Подключаем:

  • контакт 4 для положительной шины питания,
  • конденсатор C2 между землей и контактом 5,
  • вывод №1 к массе,
  • контакт 8 к положительной силовой шине,
  • конденсатор С1 в ЛЭП.

Шаг 2. Подключите одну ножку конденсатора C3 к земле, а вторую пока подключите к макетной плате, а затем подключите к ней другие элементы.

Основные подключения и конденсаторыКонденсатор C3
Шаг 1: основные подключения и конденсаторыШаг 2: конденсатор C3

Шаг 3. Соедините элементы R3, R4, то есть:

  • соединяем три элемента последовательно в порядке R3, R4, C3,
  • свободная ножка резистора R3 идет к плюсовой шине питания,
  • подключаем вывод 7 микросхемы NE555 между резисторами R3 и R4,
  • соедините контакты 2 и 6 микросхемы NE555, а затем подключите их между R4 и C3.

Шаг 4. Соедините два диода с резисторами R1 и R2.

Резисторы R3 и R4Светодиоды и их резисторы
Шаг 3: резисторы R3 и R4Шаг 4: светодиоды и их резисторы

На практике все это может выглядеть так (здесь уже есть небольшой клубок проводов, но так должно быть при построении больших схем):

Вся схема на макетеПример реализации
Вся схема на макетеПример реализации

Пришло время подключить питание к соответствующим точкам на макетной плате. Красный диод должен загореться первым. Через несколько секунд он погаснет и на короткое время станет зеленым.

Горит зеленый светодиодКрасный светодиод горит
Горит зеленый светодиодКрасный светодиод горит

Конечно, как вы, наверное, уже догадались, параметры конденсатора и резисторов влияют на время свечения каждого диода. С этим стоит поэкспериментировать самостоятельно. Например, можно добавить в схему потенциометр и плавно регулировать сопротивление. Также можно заменить конденсатор на меньший.

От чего зависит длительность импульсов?

За длительность низкого и высокого состояния на выходе схемы отвечают три элемента: R3, R4 и C3. В частности, резистор R4 и конденсатор C3 отвечают за продолжительность низкого состояния (т.е. когда горит зеленый светодиод). Чем выше сопротивление R4, тем дольше LED1 будет гореть.

Продолжительность горения красного диода, сигнализирующего о наличии высокого состояния, определяется суммарным сопротивлением R3 и R4 и емкостью C3. Таким образом, увеличение R3 продлит длительность высокого состояния, а увеличение R4 — и то, и другое. Поэтому красный диод горит дольше зеленого — сумма сопротивлений R3 и R4 всегда будет больше, чем сам резистор R4.

Не допускается ставить «закоротку» на место резистора R3, т.е. заменять его, например, проводом. Никакое сопротивление в этот момент не разрушит ИС.

Конденсатор C3 в равной степени влияет на оба этих состояния. Чем больше его емкость, тем реже будут переключаться диоды, и чем она меньше, тем чаще будут происходить изменения.

Моностабильная конфигурация микросхемы NE555

Первая конфигурация NE555 позади. Теперь пора кратко описать, как она ведет себя во второй роли — как моностабильный генератор. Напоминаем: это означает, что как только будет подан сигнал триггера, схема сгенерирует определенный импульс (изменение состояния на своем выходе). Схема такой конфигурации проста, все дело ограничивается одним резистором и двумя конденсаторами.

Схема моностабильной конфигурации NE555
Схема моностабильной конфигурации NE555

Для правильной работы этой схемы, после включения питания, напряжение на входе запуска (контакт 2) должно быть выше ⅓ напряжения питания. Схема, вероятно, сгенерирует один импульс (поскольку внутреннее состояние триггера неизвестно) и вернется в устойчивое состояние, при котором разрядный транзистор открыт, а на выходе низкий уровень.

Мгновенное падение напряжения на контакте 2 рассматривается как сигнал запуска: нижний компаратор переключает триггер на высокий уровень, транзистор забивается и конденсатор C1 заряжается через резистор RA.

После того, как конденсатор C1 заряжен до напряжения, соответствующего верхнему порогу компаратора (напряжения питания), активация входа R триггера вызывает отключение выхода и разряд конденсатора транзистором — тогда система переходит в режим покоя и ждет следующего срабатывающего импульса.

Импульс запуска должен быть короче генерируемого, поскольку может возникнуть ситуация, в которой оба компаратора передадут логическую 1 (высокое состояние) на входы запуска. Чтобы не растягивать эту часть статьи без надобности, мы не будем рассматривать эту конфигурацию более подробно.

Плюсы и минусы NE555?

Разработчики микросхемы NE555 создали незамысловатую компоновку, имеющую ряд преимуществ. Помимо прочего, ее можно легко настроить по-разному — все, что вам нужно, это несколько пассивных элементов. Более того, сама схема очень дешева в производстве.

Важно отметить, что время генерируемых импульсов не зависит от напряжения питания, поэтому схема может питаться от батареи, аккумулятора или источника питания.

К сожалению, такая простая структура имеет множество минусов. Первый минус — это относительно высокое потребление тока, которое является результатом использования делителя напряжения из резисторов с относительно низким сопротивлением.

Встроенный делитель напряжения
Встроенный делитель напряжения позволяет схеме потреблять относительно большой ток

Второй минус NE555 — удлинение первого импульса по отношению к следующему. Если вы внимательно прочитаете описание нестабильной схемы, вы увидите, что состояние высокого уровня сразу после включения питания длится примерно в два раза дольше, чем следующие. Это связано с тем, что конденсатор нужно заряжать с нуля, а в дальнейшем он разряжается только до напряжения питания.

Такое удлинение первого импульса — настоящая беда для многих схем таймера!

Эта схема не подходит для точного измерения очень долгого времени. Причина этого — потребление тока входами компаратора. Они устроены так, что потребляемый ток близок к нулю, но идеальных элементов нет — они все равно потребляют ток, поэтому могут нарушить процесс счета. Однако это явление незаметно, когда мы хотим измерить короткие периоды.

Эта схема тоже не очень быстрая (исходя из реалий электронных схем). Ограничения скорости уже можно найти на блок-схеме. Управляющие сигналы генерируются компараторами (которые обычно не являются быстрыми схемами) — они проходят ток через триггер (это также требует времени), а затем распространяются дальше. Засорение разрядного транзистора — тоже довольно длительный процесс (в реалиях электроники).

Еще в начале 1970-х считалось, что 555 должна была быть простой и дешевой схемой. Помните, что интегральные схемы тогда только начинали появляться!

Однако эти недостатки позволяют производителям получать от этого чипа только 500 кГц или немного больше.

Вывод

Вот мы и рассказали вам основную информацию о микросхеме NE555. Мы также проверили, как с ее помощью можно построить простой проект с мигающими светодиодами. Однако это только начало, потому что у этой схемы гораздо больше возможностей.

В следующей статье мы будем использовать NE555 для создания настоящего датчика препятствий! Здесь пригодятся знания об инфракрасных передатчиках и приемниках. Кроме того, на базе NE555 мы также создадим моделирующий сервопривод.

С Уважением, МониторБанк

Добавить комментарий