Таймер NE555: генератор, одновибратор и ШИМ

Выводы и подключение

Выводы у NE555 в корпусах DIP и SOIC: 1 — общий, 2 — TRIG, 3 — выход, 4 — RESET, 5 — CONT, 6 — THRES, 7 — DIS, 8 — питание. RESET — активный низким уровнем: если он не используется, его соединяют с питанием, иначе возможны ложные сбросы (табл. 6-1). У питания TI настоятельно рекомендует керамический конденсатор 0,1 мкФ (разд. 7.3), а на CONT — 0,01 мкФ на общий провод (примечание к рис. 6-5).

Генератор: мигающий светодиод

В схеме генератора конденсатор C1 заряжается через R1 и R2, пока напряжение на нём не достигнет 2/3 питания, а затем разряжается через R2 и вывод 7 до 1/3 питания (SLFS022K, разд. 6.3.2). Время единицы, нуля и частота:

Для R1 = 1 кОм, R2 = 10 кОм и C1 = 10 мкФ: t_и = 0,693 · 11 кОм · 10 мкФ = 76 мс, t_п = 69 мс, частота 6,9 Гц, единица занимает 52 % периода. Поскольку конденсатор заряжается через оба резистора, а разряжается только через R2, единица в этой схеме всегда длиннее нуля; меандр получают диодом параллельно R2 — тогда заряд идёт через R1 и диод, разряд через R2.

Светодиод HL1 с резистором R3 подключён к выходу. В единице выход NE555 при питании 5 В и токе 100 мА держит 3,3 В типично и не меньше 2,75 В (табл. 5.5), при токе в единицы миллиампер — не ниже. Прямое напряжение красного светодиода WP7113ID — 1,9 В типично и до 2,3 В при 10 мА, поэтому через R3 = 330 Ом течёт не меньше (3,3 − 1,9)/330 ≈ 4 мА, а при малом токе выход ближе к питанию и ток — 4–5 мА.

Калькулятор открыт с этим примером; режим ждущего одновибратора и подбор резисторов под частоту — в том же окне:

Ограничения по номиналам. Ток входа THRES — до 250 нА, и он задаёт наибольшее сопротивление: TI называет предел R1 + R2 около 3,4 МОм при 5 В и 10 МОм при 15 В (примечание к табл. 5.5). Снизу R1 ограничивает ток разряда через вывод 7: при R1, сравнимом с сотнями ом, ключ разряда работает с большим током. TI советует держать частоту генератора на NE555 не выше 100 кГц, а для больших частот брать TLC555 (разд. 6.3.2).

Одновибратор от кнопки

В ждущем режиме конденсатор C1 разряжен, выход в нуле. Нажатие кнопки опускает TRIG ниже 1/3 питания: выход переходит в единицу, ключ разряда отпускается, и C1 заряжается через RA до 2/3 питания. Длительность импульса (SLFS022K, разд. 6.3.1):

для RA = 100 кОм и C1 = 10 мкФ — 1,1 · 100 кОм · 10 мкФ = 1,1 с.

Резистор R1 держит TRIG в единице, пока кнопка отпущена. Импульс заканчивается, только если TRIG вернулся в единицу хотя бы за 10 мкс до конца интервала: если держать кнопку дольше 1,1 с, выход остаётся в единице до её отпускания. Минимальная длительность импульса NE555 — около 10 мкс. Повторное нажатие во время импульса его не продлевает, а низкий уровень на RESET прерывает импульс и разряжает C1.

ШИМ через вывод CONT

Напряжение на выводе CONT — это верхний порог. TI предлагает такую схему ШИМ (разд. 7.2.2, рис. 7-3): одновибратор запускается тактовыми импульсами на TRIG, а управляющее напряжение на CONT задаёт, до какого напряжения заряжается C1, и тем самым длительность каждого импульса. Управляющее напряжение — от нуля до питания, а RA·C выбирают равным четверти периода тактов: для 1 кГц это 0,25 мс, в схеме 24 кОм · 10 нФ = 0,24 мс. TI пишет, что тактовый сигнал должен переходить через 1/3 питания — это порог при свободном выводе CONT. С напряжением на CONT порог запуска — половина этого напряжения (SLFS022K, табл. 4-1: запуск при TRIG < ½ CONT), поэтому при малом управляющем напряжении такт должен опускаться почти до нуля.

Второе условие — импульсы на TRIG должны быть короче самого короткого выходного импульса. Как и с кнопкой в одновибраторе, выход не вернётся в ноль, пока TRIG низкий: если подать меандр 1 кГц, низкий уровень длится 0,5 мс, и короче 0,5 мс выходной импульс не получится — заполнение ниже 50 % недостижимо. Поэтому меандр с генератора пропускают через дифференцирующую цепь — последовательный конденсатор и резистор к питанию на входе TRIG: на каждом спаде получается короткий отрицательный выброс, а в остальное время TRIG подтянут к питанию. Это наше конструктивное замечание: в даташите TI такой цепи нет, постоянную времени RC выбирают в несколько раз меньше самого короткого нужного импульса.

Зависимость длительности от управляющего напряжения нелинейная — конденсатор заряжается по экспоненте, и TI прямо предупреждает об этом. Из уравнения заряда RC (наш вывод, а не формула TI) $t_и = -R_A C \ln(1 - U_{упр}/U_{пит})$: при U_упр = 2/3 U_пит это те же 1,1 R_AC — 0,26 мс, то есть 26 % периода 1 кГц.

Более простой ШИМ без тактового генератора — схема генератора, где R1 и R2 заменены потенциометром с двумя диодами: заряд идёт через одну часть потенциометра, разряд — через другую, и при повороте меняется заполнение, а сумма времён остаётся постоянной.

TLC555 и LMC555

КМОП-версии взаимозаменяемы с NE555 по выводам и формулам, но отличаются в важных местах:

Источники: SLFS022K, разд. 5.3 и 5.5; SLFS043K, с. 1, разд. 5.3 и 5.6; SNAS558N, с. 1 и разд. 5.5. TLC555 позволяет брать конденсаторы меньшей ёмкости, а LMC555 запускается импульсом TRIG всего 20 нс (SNAS558N, разд. 7.4). Зато вытекающий ток выхода TLC555 — единицы миллиампер, и реле или мощный светодиод от него питают через транзисторный ключ.

Детали

Варианты

• Генератор на двух транзисторах — без микросхемы, но с худшей стабильностью частоты: мультивибратор.
• Сдвоенный таймер NE556 и TLC556 — два 555 в одном корпусе.
• Генератор на микроконтроллере — таймер с ШИМ точнее и гибче, NE555 оправдан там, где микроконтроллера нет или нужна независимая от программы задержка.

Почему не работает

• Генератор не запускается. RESET не соединён с питанием, или TRIG и THRES не соединены между собой.
• Частота отличается от расчётной на десятки процентов. Допуск электролитического конденсатора и его утечка; для точной частоты берите плёночный или керамический конденсатор и проверяйте по даташиту допуск.
• Таймер сбрасывается или «гуляет» частота при включении нагрузки. Нет конденсатора 0,1 мкФ у питания: выход NE555 при переключении тянет большой ток.
• Одновибратор срабатывает от помех. Длинный провод к кнопке без подтяжки или конденсатора; RESET висит в воздухе.
• Импульс одновибратора не заканчивается. Кнопка удерживается дольше импульса — TRIG должен вернуться в единицу до конца интервала.
• С сопротивлениями в мегаомы частота «плавает». Превышен предел R1 + R2 около 3,4 МОм при 5 В: ток входа THRES искажает время.