Integrovaný časovač NE555 - historie, design a provoz

Historie vzniku velmi populárního čipu a popis jeho vnitřní struktury

Jedna z legend elektroniky je čip integrovaného obvodu NE555. Byl vyvinut již v roce 1972. Taková dlouhověkost je daleko od každého čipu a ani na každý tranzistor nemůže být hrdý. Co je tak zvláštního na tomto mikroobvodu, který má tři značky v označení?

Signetics uvádí na trh výrobu čipu NE555 přesně rok poté vyvinula ho Hans R. Kamensind. Nejúžasnější věcí v tomto příběhu bylo to, že v té době byl Kamensind prakticky nezaměstnaný: opustil PR Mallory, ale nedokázal se nikam dostat. Ve skutečnosti šlo o „domácí úkol“.

Čip viděl světlo dne a získal tak velkou slávu a popularitu díky úsilí manažera Signetics Art Fury, který byl samozřejmě přítelem Kamensinda. Pracoval pro General Electric, takže věděl, co je na trhu s elektronikou zapotřebí a jak upoutat pozornost potenciálního kupce.

Podle vzpomínek Kamensindy byl A. Fury skutečným nadšencem a milovníkem svého řemesla. Doma měl celou laboratoř naplněnou rádiovými komponenty, kde prováděl různé studie a experimenty. To umožnilo shromáždit obrovské praktické zkušenosti a prohloubit teoretické znalosti.

V té době byly produkty Signetics nazvány „5 **“ a zkušený A. Fury, který měl nadpřirozený smysl pro trh s elektronikou, rozhodl, že označení 555 (tři pětky) bude pro nový čip nejvhodnější. A nemýlil se: mikroobvod byl jednoduše jako horké koláče, stal se snad nejobsáhlejší v celé historii vytváření mikroobvodů. Nejzajímavější je, že mikroobvod neztratil svůj význam pro tento den.

O něco později se v označení mikroobvodu objevily dvě písmena, která se stala známou jako NE555. Ale protože v těch dnech došlo v patentovém systému k úplnému zmatku, integrovaný časovač se rozběhl, aby uvolnil každého, kdo není líný, přirozeně a před tři pětky dal tři písmena (přečtěte si). Později, na základě časovače 555, byly vyvinuty duální (IN556N) a čtyřnásobné (IN558N) časovače, ve více případech s více piny. Ale základ byl stále stejný NE555.

Obr. 1. Integrovaný časovač NE555

555 v SSSR

První popis 555 v domácí radiotechnické literatuře se objevil již v roce 1975 v časopise Electronics. Autoři článku poznamenali, že tento čip nebude mít o nic menší popularitu než běžně známé operační zesilovače. A vůbec se nemýlili. Mikroobvod umožnil vytvoření velmi jednoduchých návrhů a téměř všechny z nich začaly pracovat okamžitě, bez bolestivých úprav. Je však známo, že opakovatelnost designu doma roste úměrně čtverci jeho „jednoduchosti“.

V Sovětském svazu na konci 80. let byl vyvinut kompletní analog 555, nazvaný KR1006VI1. První průmyslová aplikace domácího analogu byla ve videorekordéru VCR12 Electronics.

Výrobci čipů NE555:

Čip interního zařízení NE555

Před uchopením páječky a zahájením montáže struktury na integrovaném časovači nejprve pojďme zjistit, co je uvnitř a jak to všechno funguje. Poté bude mnohem snazší pochopit, jak konkrétní konkrétní schéma funguje.

Integrovaný časovač obsahuje více než dvacet tranzistoryspojení, které je znázorněno na obrázku - https://csv.electricianexp.com/555ic.jpg

Jak vidíte, schéma zapojení je poměrně složité a je zde uvedeno pouze pro obecné informace.Koneckonců se do páječky stejně nedostanete, nebudete ji moci opravit. Ve skutečnosti to je přesně to, co všechny ostatní mikroobvody, digitální i analogové, vypadají zevnitř (viz - Legendární analogové čipy) Taková je technologie pro výrobu integrovaných obvodů. Takovým schématem také nebude možné pochopit logiku zařízení jako celku, proto je funkční schéma ukázáno níže a je uveden jeho popis.

Technické údaje

Než se však budete zabývat logikou čipu, měli byste pravděpodobně přivést jeho elektrické parametry. Rozsah napájecího napětí je dostatečně široký 4,5 ... 18 V a výstupní proud může dosáhnout 200 mA, což umožňuje použití i nízkoenergetických relé jako zátěže. Čip sám spotřebovává jen velmi málo: k zátěžovému proudu je přidáno pouze 3 ... 6 mA. Současně je přesnost samotného časovače prakticky nezávislá na napájecím napětí, - pouze 1 procento vypočtené hodnoty. Drift je pouze 0,1% / volt. Kolísání teploty je také malé - pouze 0, 005% / ° C. Jak vidíte, vše je celkem stabilní.

Funkční schéma NE555 (KR1006VI1)

Jak je uvedeno výše, v SSSR vytvořili analog buržoazního NE555 a nazvali ho KR1006VI1. Ukázalo se, že analog byl velmi úspěšný, ne horší než originál, takže jej můžete použít beze strachu nebo pochybností. Obrázek 3 ukazuje funkční diagram integrovaného časovače KR1006VI1. Je plně v souladu s čipem NE555.

Obrázek 3. Funkční schéma integrovaného časovače KR1006VI1

Samotný čip není tak velký - je k dispozici v osmi-pinovém DIP8 balíčku, stejně jako v malé SOIC8. Ten naznačuje, že 555 lze použít pro SMD editaci, jinými slovy, vývojáři o něj stále mají zájem.

Uvnitř mikroobvodu je také několik prvků. Ten hlavní je nejběžnější RS je spouštěč DD1. Když je logická jednotka přiváděna na vstup R, je spouštěč resetován na nulu a když je logická jednotka přiváděna na vstup S, je přirozeně nastavena na jednu. Generování řídicích signálů na vstupech RS speciální obvod na komparátorech, o kterém se budeme bavit o něco později.

Fyzické úrovně logické jednotky samozřejmě závisejí na použitém napájecím napětí a prakticky se pohybují od Upit / 2 po téměř plný Upit. Přibližně stejný poměr je pozorován u logických mikroobvodů struktury CMOS. Logická nula je jako obvykle do 0 ... 0,4 V. Ale tyto úrovně jsou uvnitř mikroobvodu, můžete o nich jen hádat, ale nemůžete je cítit rukama, nevidíte očima.

Výstupní fáze

Pro zvýšení zátěžové kapacity čipu je na výstup spouští připojen výkonný výstupní stupeň na tranzistorech VT1, VT2.

Pokud je reset RS - spouště aktivován, pak výstup (pin 3) obsahuje logické nulové napětí, tj. otevřený tranzistor VT2. V případě, že je spouštěč nainstalován na výstupu, je také úroveň logické jednotky.

Výstupní stupeň je tvořen push-pull obvodem, který umožňuje připojit zátěž mezi výstup a společný vodič (svorky 3.1) nebo výkonovou sběrnici (svorky 3.8).

Malá poznámka k výstupní fázi. Při opravě a seřizování zařízení na digitálních mikroobvodech je jedním ze způsobů kontroly obvodu přivádění signálu nízké úrovně na vstupy a výstupy mikroobvodů. Zpravidla se to provádí zkratováním na společném vodiči těchto vstupů a výstupů pomocí šicí jehly, aniž by to poškodilo mikroobvod.

V některých obvodech je napájecí zdroj NE555 5V, takže se zdá, že se jedná také o digitální logiku a můžete s tím také dělat docela volně. Ale ve skutečnosti tomu tak není. V případě čipu 555, nebo spíše s jeho push-pull výstupem, takové „experimenty“ nemohou být provedeny: pokud je výstupní tranzistor VT1 v tomto okamžiku otevřený, pak se objeví zkrat a tranzistor jednoduše shoří. A pokud se napájecí napětí blíží maximu, je žalostný konec jednoduše nevyhnutelný.

Přídavný tranzistor (pin 7)

Kromě zmíněných tranzistorů je zde také tranzistor VT3. Kolektor tohoto tranzistoru je připojen k výstupu čipu 7 „vybití“. Jeho účelem je vybít kondenzátor s nastaveným časem, když se mikroobvod používá jako generátor impulzů. K vybití kondenzátoru dochází při resetování spouštěče DD1. Pokud si vzpomeneme na popis spouštěče, pak na inverzním výstupu (označeném kruhem v diagramu) je v tuto chvíli logická jednotka vedoucí k otevření tranzistoru VT3.

O resetovacím signálu (pin 4)

Spoušť můžete kdykoli resetovat - signál „reset“ má vysokou prioritu. K tomu je speciální vstup R (pin 4), označený na obrázku jako Usbr. Jak je zřejmé z obrázku, dojde k resetu, pokud je na čtvrtý výstup aplikován nízkoúrovňový puls nepřesahující 0,7V. Současně se na výstupu mikroobvodu (pin 3) objeví nízké napětí.

V případech, kdy se tento vstup nepoužívá, je na něj aplikována úroveň logické jednotky, která se zbaví impulzního šumu. Nejjednodušší způsob je připojení kolíku 4 přímo k napájecí sběrnici. V žádném případě byste ji neměli nechat, jak se říká, ve vzduchu. Pak budete muset přemýšlet a myslet na dlouhou dobu, a proč obvod pracuje tak nestabilně?

Obecné spouštěcí poznámky

Abychom nebyli úplně zmateni stavem spouště, je třeba připomenout, že při diskusích o spouštění je vždy zohledněn stav jejího přímého opuštění. Pokud se říká, že spouštěč je „nainstalován“, pak na přímém výstupu stav logické jednotky. Pokud řeknou, že spoušť je „resetována“, bude přímý výstup určitě mít stav logické nuly.

Na inverzním výstupu (označeném malým kroužkem) bude vše přesně opačné, proto se spouštěcí výstup často nazývá parafáza. Abychom si vše znovu nepomýlili, nebudeme o tom mluvit.

Každý, kdo si pozorně přečetl toto místo, se může zeptat: „Promiňte, je to jen spoušť s výkonnou tranzistorovou kaskádou na výstupu. A kde je samotný časovač? “ A bude mít pravdu, protože záležitost ještě nedosáhla časovače. Aby získal časovač, jeho otec, tvůrce Hanse R. Kamensinda, vymyslel originální způsob ovládání této spouště. Trik této metody spočívá v tvorbě řídicích signálů.

Generování signálu na RS - vstupy spouště

Co jsme tedy dostali? Spouštěč DD1 řídí vše uvnitř časovače: pokud je nastaveno na jeden, výstupní napětí je vysoké a pokud je resetováno, pak je výstup 3 nízký a tranzistor VT3 je také otevřený. Účelem tohoto tranzistoru je vybití časovacího kondenzátoru v obvodu, například v generátoru impulzů.

Spouštěč DD1 je řízen pomocí komparátorů DA1 a DA2. Pro řízení činnosti spouště na výstupech komparátorů je nutné získat signály vysoké úrovně R a S. Na jeden ze vstupů každého komparátoru je přivedeno referenční napětí, které je generováno přesným děličem rezistorů R1 ... R3. Odpor rezistorů je stejný, takže na ně aplikované napětí je rozděleno do 3 stejných částí.

Spuštění generování řídícího signálu

Spuštění časovače

Stejnosměrné napětí 1 / 3U je přivedeno na přímý vstup komparátoru DA2 a externí napětí pro spuštění časovače Uzap přes pin 2 je přivedeno na inverzní vstup komparátoru. Aby bylo možné působit na vstup S spouštěče DD1 na výstupu tohoto komparátoru, je nutné získat vysokou úroveň. To je možné, pokud bude napětí Ustap v rozsahu 0 ... 1/3 U.

I krátkodobý impuls takového napětí spustí spouštěč DD1 a vzhled časovače vysokého napětí. Pokud je vstup Ucap vystaven napětí nad 1 / 3U a až do napájecího napětí, nedojde ke změnám na výstupu mikroobvodu.

Časovač zastavit

Chcete-li zastavit časovač, stačí resetovat interní spouštěč DD1, a za tím účelem na výstupu komparátoru DA1 vygenerovat signál vysoké úrovně R. Komparátor DA1 je zapnut trochu jinak než DA2.Na invertující vstup se přivede referenční napětí 2/3 U a na přímý vstup se přivede řídicí signál „prahová hodnota odezvy“ Ufor.

Při tomto zahrnutí nastane vysoká úroveň na výstupu komparátoru DA1 pouze tehdy, když napětí Upoor na přímém vstupu překročí referenční napětí 2/3 U na invertujícím. V tomto případě bude aktivován DD1 trigger a na výstupu mikroobvodu bude vytvořen signál nízké úrovně (pin 3). Také se otevře „výbojový“ tranzistor VT3, který vybije kondenzátor s nastaveným časem.

Pokud je vstupní napětí v rozmezí 1 / 3U ... 2 / 3U, nebude fungovat žádný z komparátorů, nedojde ke změně stavu na výstupu časovače. V digitální technologii se toto napětí nazývá „šedá úroveň“. Pokud jednoduše připojíte piny 2 a 6, získáte komparátor s úrovněmi odezvy 1 / 3U a 2 / 3U. A to i bez jediného dodatečného detailu!

Změna referenčního napětí

Kolík 5, označený na obrázku jako Uobr, je určen k řízení referenčního napětí nebo k jeho změně pomocí dalších odporů. Na tento vstup je také možné přivádět řídicí napětí, takže je možné získat frekvenčně nebo fázově modulovaný signál. Tento závěr se však častěji nepoužívá a ke snížení vlivu rušení je připojen ke společnému drátu prostřednictvím kondenzátoru malé kapacity.

Mikroobvod je napájen prostřednictvím pinů 1 - GND, 2 + U.

Zde je skutečný popis integrovaného časovače NE555. Časovač shromáždil spoustu nejrůznějších obvodů, které budou popsány v následujících článcích.

Boris Aladyshkin 

Pokračování článku: 555 Integrované návrhy časovačů