555 Timer este un IC utilizat în mod obișnuit, proiectat să producă o varietate de forme de undă la ieșire, cu adăugarea unei rețele externe RC.

Am văzut că multivibratoarele și oscilatoarele CMOS pot fi ușor construite din componente discrete pentru a produce oscilatoare de relaxare pentru a genera forme de undă pătrată de ieșire. Dar există și IC dedicate, special concepute pentru a produce cu acuratețe forma necesară de undă de ieșire, cu adăugarea doar a câtorva componente externe de temporizare.

Un astfel de dispozitiv care a devenit el însuși un "standard" al industriei este 555 Timer Oscillator, care este mai frecvent numit "555 Timer".

Temporizatorul de bază 555 se numește de la faptul că există trei rezistoare interne de 5 kΩ pe care le utilizează pentru a genera cele două tensiuni de referință ale comparatoarelor. IC-ul 555 Timer este un dispozitiv de temporizare foarte ieftin, popular și util care poate acționa fie ca un cronometru simplu pentru a genera impulsuri singulare sau întârzieri mari de timp, fie ca un oscilator de relaxare care produce un șir de forme de undă stabilizate, cu cicluri diferite de sarcină de la 50 la 100%.

Cipul 555 Timer este un dispozitiv extrem de robust și stabil, cu 8 pini, care poate fi utilizat ca un multivibrator monostabil, bistabil sau astabil foarte precis, pentru a produce o varietate de aplicații, cum ar fi timer-e de un singur impuls sau de întârziere, generarea impulsurilor, generare de alarme și tonuri, ceasuri logice, împărțirea frecvențelor, surse de alimentare și convertoare etc., de fapt, orice circuit care necesită o formă de control al timpului, deoarece lista este nesfârșită.

Cipul unic 555 Timer, în forma sa de bază, este un dispozitiv bipolar cu 8 pini mini Dual-in-Line Package (DIP) compus din circa 25 de tranzistoare, 2 diode și aproximativ 16 rezistoare aranjate pentru a forma două comparatoare, un flip-flop și un etaj de ieșire de curent ridicat, după cum se arată mai jos. Pe lângă 555 Timer, există disponibil și NE556 Timer Oscillator care combină două 555 Timer individuale într-un singur pachet DIP cu 14 pini și versiuni CMOS cu putere redusă ale 555 Timer precum 7555 și LMC555 care utilizează în schimb tranzistoare MOSFET.

O diagramă bloc simplificată reprezentând schema internă a timer-ului 555 este prezentată mai jos, cu o scurtă explicație a fiecărui pin de conectare, pentru a ajuta la o înțelegere mai clară a modului în care funcționează.

Diagrama bloc a lui 555 Timer

• Pin 1 - Masă, PIN-ul de masă conectează 555 Timer la șina de alimentare negativă (0V).

• Pin 2 - Trigger, intrarea negativă la comparatorul nr. 1. Un impuls negativ pe acest pin "stabilește" flip-flop-ul intern când tensiunea scade sub 1/3 Vcc, determinând ieșirea să treacă de la o stare "LOW" la una "HIGH".

• Pin 3 - Ieșire, pinul de ieșire poate comanda orice circuit TTL și este capabil de curent sourcing sau sinking până la 200 mA la o tensiune de ieșire de aprox. Vcc-1,5V, astfel încât difuzoare mici, LED-uri sau motoare pot fi conectate direct la ieșire.

• Pin 4 - Resetare. Acest pin este utilizat pentru a "reseta" flip-flop-ul intern, controlând starea ieșirii, pinul 3. Acesta este o intrare low-activă și este, în general, conectat la un nivel "1" logic când nu este utilizat pentru a preveni resetarea nedorită a ieșirii.

• Pin 5 - Tensiune de control. Acest pin controlează temporizarea lui 555 prin depășirea nivelului de 2/3 Vcc a rețelei de divizare a tensiunii. Prin aplicarea unei tensiuni la acest pin, lățimea semnalului de ieșire poate fi variată independent de rețeaua RC de temporizare. Când nu este utilizat, acesta este conectat la masă printr-un condensator de 10 nF pentru a elimina orice zgomot.

• Pin 6 - Pragul, intrarea pozitivă la comparatorul nr. 2. Acest pin este utilizat pentru a reseta flip-flop-ul atunci când tensiunea aplicată la el depășește 2/3 Vcc, determinând ieșirea să treacă de la starea "HIGH" la "LOW". Acest pin se conectează direct la circuitul de temporizare RC.

• Pin 7 - Descărcare, pinul de descărcare este conectat direct la colectorul unui tranzistor NPN intern, care este folosit pentru a "descărca" condensatorul de temporizare la masă atunci când ieșirea la pinul 3 comută "LOW".

• Pin 8 - Alimentare + Vcc, Acesta este pinul sursei de alimentare și pentru temporizatoarele generale TTL 555 este între 4,5V și 15V.

Numele 555 Timer vine de la faptul că există trei rezistoare de 5 kΩ conectate împreună intern, producând o rețea divizor de tensiune între tensiunea de alimentare de la pinul 8 și masă la pinul 1. Tensiunea pe această rețea rezistivă serie menține intrarea inversoare negativă a comparatorului 2 la 2/3 Vcc și intrarea pozitivă neinversoare la comparatorul 1 la 1/3 Vcc.

Cele două comparatoare produc o tensiune de ieșire dependentă de diferența de tensiune la intrările lor care este determinată de acțiunea de încărcare și descărcare a rețelei RC, conectate în exterior. Ieșirile de la comparatoare sunt conectate la cele două intrări ale flip-flop-ului, care la rândul său produce fie o ieșire de nivel "HIGH" sau "LOW" la Q, pe baza stărilor intrărilor sale. Ieșirea de la flip-flop este utilizată pentru a controla un etaj de comutare a ieșirii de curent ridicat pentru a acționa sarcina conectată, producând fie un nivel de tensiune "HIGH" sau "LOW" la pinul de ieșire.

Cea mai comună utilizare a oscilatorului 555 Timer este cea a unui simplu oscilator astabil prin conectarea a două rezistoare și a unui condensator la terminalele sale pentru a genera un tren de impulsuri fix cu o perioadă de timp determinată de constanta de timp a rețelei RC. Dar cipul oscilator 555 Timer poate fi conectat, de asemenea, într-o varietate de moduri diferite pentru a produce multivibratoare monostabile sau bistabile, precum și mai comunul multivibrator astabil.

Monostabilul 555 Timer

Funcționarea și ieșirea monostabilului 555 Timer sunt exact aceleași ca și cele pentru unul cu tranzistoare la care ne uitam anterior în tutorialul Multivibratoare monostabile. Diferența este că cele două tranzistoare au fost înlocuite cu dispozitivul 555 Timer. Considerați circuitul monostabil 555 Timer de mai jos.

Când un impuls negativ (0V) este aplicat la intrarea trigger (pinul 2) al oscilatorului 555 Timer configurat monostabil, comparatorul intern (nr. 1) detectează această intrare și "stabilește" starea flip-flop-ului, schimbând ieșire de la o stare "LOW" la o stare "HIGH". Această acțiune, la rândul său, comută "OFF" tranzistorul de descărcare conectat la pinul 7, îndepărtând astfel scurtcircuitul pe condensatorul extern de temporizare C1.

Această acțiune permite condensatorului de temporizare să înceapă încărcarea prin rezistorul R1 până când tensiunea pe condensator atinge tensiunea de prag (pinul 6) de 2/3 Vcc setată de rețeaua internă de divizare a tensiunii. În acest moment, ieșirea comparatoarelor merge "HIGH" și "resetează" flip-flop-ul înapoi la starea inițială care la rândul său comută "ON" tranzistorul și descarcă condensatorul la masă prin pinul 7. Aceasta determină ieșirea să-și schimbe starea înapoi la valoarea inițială stabilă "LOW" în așteptarea unui alt impuls trigger pentru a porni din nou procesul de temporizare. Deci, ca și înainte, multivibratorul monostabil are numai o stare stabilă.

Circuitul monostabil 555 Timer declanșează pe un impuls de plecare negativ aplicat la pinul 2 și acest impuls trigger trebuie să fie mult mai scurt decât lățimea impulsului de ieșire permițând un timp condensatorului de temporizare pentru a se încărca și apoi descărca complet. Odată declanșat, monostabilul 555 va rămâne în această stare de ieșire "HIGH" instabilă până când perioada de timp stabilită de rețeaua R1 x C1 a trecut. Timpul în care tensiunea de ieșire rămâne "HIGH" sau la un nivel logic "1" este dată de următoarea ecuație a constantei de timp:

τ = 1,1 R₁C₁

unde τ este în secunde, R este în Ω și C în Farazi.

555 Timer. Exemplul nr. 1

Un 555 Timer monostabil este necesar pentru a produce o întârziere de timp în cadrul unui circuit. Dacă se folosește un condensator de temporizare de 10 μF, calculaţi valoarea rezistorului necesar pentru a produce o întârziere minimă de timp la ieșire de 500 ms.

500 ms este același cu a spune 0,5 s astfel, prin rearanjarea formulei de mai sus, vom obține valoarea calculată pentru rezistorul R ca:

Valoarea calculată pentru rezistorul de temporizare necesară pentru a produce constanta de timp de 500 ms este, prin urmare, 45,5 KΩ. Dar, valoarea rezistorului de 45,5 KΩ nu există ca valoare standard, așadar ar trebui să selectăm cel mai apropiat rezistor de valoare standard de 47 kΩ care este disponibil în toate intervalele standard de toleranță de la E12 (10%) la E96 (1%), oferindu-ne o nouă întârziere de timp recalculată de 517 ms.

Dacă această diferență de timp de 17 ms (500 - 517 ms) este inacceptabilă, în locul unui singur rezistor de temporizare, două rezistoare diferite de valoare ar trebui conectate împreună în serie pentru a regla lățimea impulsului la valoarea exactă dorită sau o altă valoare a condensatorului de temporizare ales.

Acum știm că întârzierea de timp sau lățimea impulsului de ieșire al unui monostabil 555 Timer este determinată de constanta de timp a rețelei RC conectate. Dacă sunt necesare întârzieri îndelungate în zeci de secunde, nu este întotdeauna recomandabil să se utilizeze condensatoare cu temporizare de mare valoare, deoarece acestea pot fi fizic mari, costisitoare și au toleranțe mari de valoare, de exemplu ± 20%.

O soluție alternativă este folosirea unui condensator cu valoare mică și a unui rezistor de valoare mult mai mare până la aproximativ 20 MΩ pentru a produce întârzierea de timp necesară. De asemenea, prin utilizarea unui condensator de temporizare cu valori mai mici și a diferite valori de rezistor conectate la acesta printr-un comutator rotativ cu mai multe poziții, putem produce un circuit de oscilator monostabil 555 Timer care poate produce diferite lățimi de impuls la fiecare rotație a comutatorului, cum ar fi circuitul Monostabil 555 Timer comutabil prezentat mai jos.

Un 555 Timer comutabil

Putem calcula manual valorile lui R și C pentru componentele individuale necesare, așa cum am făcut în exemplul de mai sus. Dar, alegerea componentelor necesare obținerii timpului de întârziere dorit ne impune să calculăm cu kiloohmi (KΩ), Megohmi (MΩ), microfarad (μF) sau picofarad (pF) și este foarte ușor să ajungem cu o întârziere de timp care este cu un factor de zece sau chiar o sută.

Putem utiliza un tip de grafic numit „Nomograph“ care ne va ajuta să găsim ieșirea de frecvență dorită a monostabilului pentru diferite combinații sau valori ale ambelor R și C. De exemplu,

Nomogramă monostabil

Astfel, prin selectarea valorilor adecvate pentru C și R în intervalele de la 0,001 uF la 100 uF și de la 1 kΩ la 10 MΩ, putem citi frecvența de ieșire dorită direct din graficul nomograf, eliminând astfel orice eroare din calcule. În practică, valoarea rezistorului de temporizare pentru un monostabil 555 Timer nu trebuie să fie mai mică de 1 kΩ sau mai mare de 20 MΩ.

Bistabilul 555 Timer (flip-flop)

Pe lângă configurația Monostabil 555 de mai sus, putem produce și un dispozitiv bistabil (două stări stabile), cu funcționarea și ieșirea bistabilului 555 fiind similară cu una tranzistorizată pe care am analizat-o anterior.

Bistabilul 555 este unul dintre cele mai simple circuite pe care le putem construi folosind cipul oscilator 555 Timer. Această configurație bistabilă nu utilizează nicio rețea de temporizare RC pentru a produce o formă de undă de ieșire, astfel încât nu sunt necesare ecuații pentru a calcula perioada de timp a circuitului. Considerați circuitul bistabil 555 Timer de mai jos.

Comutarea formei de undă de ieșire este realizată prin controlul intrărilor Trigger și Reset ale 555 Timer care sunt ținute "HIGH" de către cele două rezistoare pull-up, R1 și R2. Prin punerea intrării Trigger (pinul 2) "LOW", comutând în poziția Set, se modifică starea de ieșire în starea "HIGH" și punând intrarea Reset (pinul 4) "LOW", comutând în poziția Reset, se schimbă ieșirea în starea "LOW".

Acest circuit 555 Timer va rămâne în orice stare pe o perioadă nedeterminată și, prin urmare, este bistabil. Atunci bistabilul 555 este stabil în ambele state, "HIGH" și "LOW". Intrarea de prag (pinul 6) este conectată la masă pentru a se asigura că nu poate reseta circuitul bistabil ca în cazul unei aplicații normale de temporizare.

Ieşirea lui 555 Timer

Nu am putea finaliza acest tutorial 555 Timer fără a discuta despre capabilitățile de comutare și de acționare ale timerului 555 sau chiar al dual 556 Timer IC.

Ieșirea (pinul 3) lui 555 Timer standard sau a lui 556 Timer are capacitatea de "sink" (absorbi) sau "source" (furniza) a curentului de sarcină de până la maximum 200 mA, ceea ce este suficientă pentru a comanda direct relee, lămpi cu filament, motoare, LED-uri sau difuzoare etc., cu ajutorul rezistoarelor serie sau a protecției diodelor.

Această abilitate a 555 Timer atât pentru curent "Sink" (absorbit), cât și pentru curent source (furnizat) înseamnă că dispozitivul de ieșire poate fi conectat între terminalul de ieșire al timer-ului 555 și alimentarea pentru a absorbi curent de sarcină sau între terminalul de ieșire și masă pentru a furniza curent de sarcină. De exemplu.

Sinking şi Sourcing la ieşirea lui 555 Timer

În primul circuit de mai sus, LED-ul este conectat între șina de alimentare pozitivă (+ Vcc) și pinul de ieșire 3. Aceasta înseamnă sink current (absorbit), sau curge în borna de ieșire a timerului 555 și LED-ul va fi "ON" când ieșirea este "LOW".

Al doilea circuit de mai sus arată că LED-ul este conectat între pinul de ieșire 3 și masă (0V). Aceasta înseamnă source current (furnizare) sau va ieși din terminalul de ieșire al 555, iar LED-ul va fi "ON" când ieșirea este "HIGH".

Abilitatea 555 Timer de a absorbi și de a furniza curent de sarcină de ieșire înseamnă că ambele LED-uri pot fi conectate la ieșire în același timp, dar numai una va fi comutată "ON" în funcție de starea de ieșire "HIGH" sau "LOW". Al treilea circuit arată un exemplu de acest lucru. Cele două LED-uri vor fi comutate "ON" și "OFF" alternativ în funcție de ieșire. Rezistorul R este folosit pentru a limita curentul LED-ului sub 20 mA.

Am spus mai devreme că curentul de ieșire maxim fie pentru a absorbi sau furniza curent de sarcină prin pinul 3 este de aproximativ 200 mA la tensiunea maximă de alimentare, iar această valoare este mai mult decât suficientă pentru a comanda sau comuta alte IC-uri logice, LED-uri sau lămpi mici etc. Dar dacă am vrea să comutăm sau să controlăm dispozitive de putere mai mari, cum ar fi motoare, electromagneți sau difuzoare? Atunci am avea nevoie să folosim un tranzistor pentru a amplifica ieșirea 555 Timer, pentru a furniza o putere suficient de mare să comande sarcina.

Comanda unui tranzistor cu 555 Timer

Tranzistorul din cele două exemple de mai sus poate fi înlocuit cu un dispozitiv Power MOSFET sau tranzistor Darlington dacă curentul de sarcină este ridicat. Atunci când se utilizează o sarcină inductivă, cum ar fi un motor, un releu sau un electromagnet, se recomandă să se conecteze o diodă supresoare direct pe bornele de sarcină pentru a absorbi orice tensiune emf inversă generată de dispozitivul inductiv, când se schimbă starea.

Până acum, am analizat utilizarea timer-ului 555 pentru a genera impulsuri de ieșire monostabile și bistabile. În următorul tutorial despre Generarea undelor, vom analiza conectarea modelului 555 într-o configurație multivibrator astabil. Când se utilizează în modul astabil, atât frecvența cât și ciclul de sarcină al formei de undă de ieșire pot fi controlate cu acuratețe pentru a produce un generator de forme de undă foarte versatil.