Nella progettazione di dispositivi elettronici è spesso necessario generare impulsi di una data lunghezza o generare un segnale rettangolare con una data frequenza e un certo rapporto lunghezza-pausa. Un progettista esperto non dovrebbe avere difficoltà a progettare un tale dispositivo da singoli elementi digitali, ma è più conveniente utilizzare un chip specializzato per questo scopo.
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Cos'è il NE555 e dove può essere usato
Il NE555 è stato sviluppato negli anni '70 ed è ancora molto popolare tra i professionisti e gli amatori. Si tratta di un dispositivo timer alloggiato in un pacchetto a 8 pin. È disponibile nelle versioni DIP o a montaggio superficiale (SMD).
Il microcircuito contiene due comparatori, uno superiore e uno inferiore. Sui loro ingressi si forma una tensione di riferimento pari a 2/3 e 1/3 della tensione di alimentazione. Il divisore è formato da resistenze Resistenza da 5 kΩ. I comparatori controllano il trigger RS. Un amplificatore buffer e un interruttore a transistor sono collegati alla sua uscita. Ogni comparatore ha un ingresso libero e viene utilizzato per segnali di controllo esterni. Il comparatore superiore si attiva quando appare un livello alto e imposta l'uscita del chip su un livello basso. Il comparatore inferiore "controlla" la riduzione della tensione sotto 1/3 VCC e imposta l'uscita del timer su 1 logico.
Le caratteristiche principali del chip NE555
Le caratteristiche dei timer possono variare leggermente da un produttore all'altro, ma nessun produttore ha differenze fondamentali (a parte i chip di origine sconosciuta, ci si può aspettare di tutto da loro):
- La tensione di alimentazione è specificata come standard da +5V a +15V, anche se le schede tecniche specificano una gamma di 4,5...18V.
- La corrente di uscita è di 200 mA.
- La tensione di uscita è massima VCC meno 1,6 V, ma non meno di 2 V a 5 V di tensione di alimentazione.
- Consumo di corrente a 5 V max 5 mA, a 15 V max 13 mA.
- Errore di formazione della larghezza d'impulso - non più del 2,25%.
- La massima frequenza operativa è di 500 kHz.
Tutti i parametri sono specificati per una temperatura ambiente di +25°C.
Assegnazione e disposizione dei pin
Indipendentemente dal design della cassa, le uscite del timer sono disposte in modo standard, da 1 a 8, in ordine crescente in senso antiorario (se visto dall'alto). Ad ogni pin è assegnata una funzione diversa:
- GND - è il cavo di alimentazione comune del dispositivo.
- TRIG - Quando viene applicato un livello basso, si attiva il secondo (più in basso nel diagramma) comparatore, la sua uscita è un uno logico, che imposta il trigger interno RS a 0. Una catena temporale RC esterna è collegata ad essa. Ha la priorità sulla THR.
- FUORI - uscita. Il livello del segnale alto è appena sotto la tensione di alimentazione, il livello del segnale basso è 0,25V.
- RESET - reset. Indipendente dai segnali sugli altri ingressi, se basso, resetta l'uscita a 0 e inibisce il funzionamento del timer.
- CTRL - controllo. Ha sempre un livello di 2/3 della tensione del bus di alimentazione presente. Un segnale esterno può essere applicato qui e l'uscita può essere modulata con esso.
- THR - Quando viene raggiunto un livello alto (più di 2/3 della tensione di alimentazione) il primo trigger (in cima al circuito) è impostato su 1 e il Attivazione RS 1. Il trigger RS interno ritorna a 1 logico.
- DIS - Scarico del condensatore di tempo. Quando l'uscita di trigger è alta, il transistor interno si apre e si verifica una scarica veloce. Il timer è pronto per il prossimo ciclo di lavoro.
- VCC - Uscita dell'alimentazione. Vi si può applicare una tensione da 5 a 15 V.
Descrizione dei modi di funzionamento del NE555
Anche se l'architettura del timer permette di essere utilizzato in una varietà di modi, ci sono tre modi tipici di funzionamento del NE555.
Vibratore singolo (multivibratore in standby)
Posizione iniziale:
- All'ingresso 2, il livello logico è alto;
- Gli ingressi di trigger R e S sono zeri;
- Uscita trigger - 1;
- il transistor del circuito di scarico è aperto, il condensatore C è a ponte;
- all'uscita 3 - livello 0.
Quando il livello zero appare sull'ingresso 2, il comparatore inferiore passa a 1, resettando il trigger a 0. Un livello alto appare all'uscita del chip. Allo stesso tempo il transistor si chiude, non shuntando più il condensatore. Inizia a caricarsi tramite il resistore R. Non appena questa tensione raggiunge i 2/3 di VCC, il comparatore superiore si attiva, riportando il trigger a 1 e l'uscita del timer a 0. Il transistor si apre e scarica il condensatore. Questo genera un impulso positivo all'uscita, il cui inizio è determinato dal segnale esterno all'ingresso 2 e la cui fine dipende dal tempo di carica del condensatore, che è calcolato secondo la formula t=1.1⋅R⋅C.
Multivibratore
Quando l'alimentazione è applicata, il condensatore si scarica, l'ingresso 2 (e 6) è 0 logico, l'uscita del timer è 1 (questo processo è descritto nella sezione precedente). Una volta che il condensatore è caricato tramite R1 e R2 a 2/3 VCC, il livello alto all'ingresso 6 resetterà l'uscita 3 a zero e il transistor di scarico si aprirà. Ma il condensatore non sarà scaricato direttamente, ma attraverso R2. Alla fine il circuito tornerà alla sua posizione originale e il ciclo si ripeterà di nuovo. Dalla descrizione del processo si può vedere che il tempo di carica è determinato dalla somma delle resistenze R1, R2 e dalla capacità del condensatore, e il tempo di scarica è stabilito da R1 e C. Invece di R1 e R2, si possono fornire resistenze variabili e la frequenza e la frequenza degli impulsi possono essere controllate in modo operativo. Le formule di calcolo sono le seguenti:
- durata dell'impulso t1=0,693⋅(R1+R2)⋅C;
- durata della pausa t2=0,693⋅R2⋅C;
- frequenza di ripetizione dell'impulso f=1/(0,693(R1+2⋅R2)⋅C.
Il tempo di pausa non può superare il tempo di impulso. Per superare questa limitazione, i circuiti di scarica e di carica sono separati includendo un diodo (catodo al pin 6, anodo al pin 7) nel circuito.
Trigger di Schmitt
Si può costruire un trigger Schmitt su un chip 555. Converte un segnale che cambia lentamente (seno, forma d'onda, ecc.) in un'onda quadra. Qui non vengono utilizzati circuiti di temporizzazione, il segnale viene applicato agli ingressi 2 e 6 collegati insieme. Raggiungendo la soglia di 2/3 VCC la tensione di uscita salta a 1, scendendo a 1/3 salta anch'essa a zero. La zona di ambiguità è 1/3 della tensione di alimentazione.
Vantaggi e svantaggi
Il vantaggio principale del chip NE555 è la sua facilità d'uso - un piccolo pacchetto ben calcolato è tutto ciò che serve per costruire il circuito. Allo stesso tempo, il costo del dispositivo è basso.
Lo svantaggio principale del timer è una pronunciata dipendenza della durata dell'impulso dalla tensione di alimentazione. Questo perché il condensatore in un circuito flip-flop o flip-flop è caricato tramite una resistenza (o due), e il pin superiore della resistenza è collegato alla linea di alimentazione. La corrente attraverso il resistore è generata dalla tensione VCC - più alta è la tensione, più alta è la corrente, più velocemente si carica il condensatore, prima scatta il comparatore e più breve sarà l'intervallo di tempo generato. Per qualche ragione sconosciuta, questo punto manca nella documentazione tecnica, ma è familiare agli sviluppatori.
Un altro svantaggio del timer è che le tensioni di soglia dei comparatori sono formate da divisori interni e non possono essere regolate. Questo restringe le opzioni di applicazione del NE555.
C'è anche un'altra caratteristica spiacevole. A causa del design push-pull dello stadio di uscita, al momento della commutazione (quando il transistor a monte è aperto e quello a valle non è ancora chiuso o viceversa.) c'è un impulso di corrente. La sua durata è piccola, ma porta a un riscaldamento supplementare del microcircuito e forma interferenze nel circuito di alimentazione.
Quali sono gli analoghi
Dal momento che l'esistenza del timer, sviluppato e rilasciato un gran numero di cloni. Sono prodotti da ditte diverse, ma tutti contengono i numeri 555. Tra le fabbriche che producono analoghi, ci sono sia produttori popolari di componenti elettronici che produttori sconosciuti del sud-est asiatico. Mentre i primi sono in grado di offrire le prestazioni pubblicizzate, i secondi non possono essere ritenuti responsabili di alcuna garanzia. Le deviazioni dalle caratteristiche dichiarate possono essere grandi.
L'URSS ha sviluppato l'analogo KR1006VI1. La sua funzionalità è identica all'originale con un'eccezione: il pin 2 ha la priorità sul pin 6 (e non il contrario come nel NE555). Questo dovrebbe essere preso in considerazione quando si progettano i circuiti. Un'altra cosa: la designazione KR significa che il chip è disponibile solo in un pacchetto DIP8.
Esempi di applicazioni pratiche
L'area di applicazione pratica è ampia e non possiamo coprire l'intero argomento nella presente recensione. Ma vale la pena analizzare gli esempi più comuni.
In modalità a singolo oscillatore, un blocco di codice con composizione limitata nel tempo può essere costruito su diversi microchip. Un altro modo è quello di usarlo insieme a vari sensori come allarme di soglia (luce, livello di capacità, ecc.).
In modalità multivibratore (modalità astabile), il timer ha la più ampia gamma di applicazioni. Un interruttore a margherita con controllo separato della frequenza di lampeggio, del tempo di accensione e del tempo di pausa può essere costruito su diversi timer. È possibile utilizzare il NE555 come base per un relè a tempo e formare il tempo di accensione delle utenze da 1 a 25 secondi. È possibile costruire un metronomo per un musicista. Questa è la modalità più utilizzata del chip ed è impossibile descrivere tutti gli usi.
Come trigger di Schmitt il timer non è usato spesso. Ma in modalità bistabile, senza driver di frequenza, il NE555 è usato come un soppressore di rimbalzo di contatto o come un interruttore a due pulsanti in modalità start/stop. Infatti, viene utilizzato solo il trigger RS integrato. È anche noto per costruire un controller PWM basato sul timer.
Ci sono libri di circuiti che descrivono vari usi del timer NE555. Ci sono migliaia di modi per usare il chip. Ma anche questo non è sufficiente per la mente curiosa del progettista, ed egli troverà un ulteriore uso, non ancora descritto, per il timer. Le capacità dei progettisti di chip lo permettono.
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