NE555

Der NE555 , besser bekannt als 555 , ist ein integrierter Schaltkreis, der für das Timing oder im monostabilen und astabilen Multivibrator- Modus verwendet wird . Der NE555 wurde 1970 von Hans R. Camenzind entwickelt und 1972 von Signetics auf den Markt gebracht, der 1975 in NXP Semiconductors integriert wurde. Aufgrund seiner Benutzerfreundlichkeit, geringen Kosten und Stabilität wird diese Komponente, die in einer Milliarde Einheiten hergestellt wird, noch heute verwendet.

Der NE555 enthält 23 Transistoren , 2 Dioden und 16 Widerstände, die 4 Elemente bilden:

• zwei Operationsverstärker vom Komparatortyp;
• ein Logikgatter vom Invertertyp;
• und ein SET-RESET-Flip-Flop .

Der NE555 kann in drei Modi betrieben werden: monostabil , astabil oder bistabil .

Historisch

Hans R. Camenzind kultivierte die Idee, einen integrierten Schaltkreis zu entwerfen, um ein elektrisches Signal mit Hilfe eines Phasenregelkreises zu erfassen . Diese Idee hatte er, als er für die Firma PR Mallory arbeitete. Da das Unternehmen jedoch nicht daran interessiert war, seine Forschungsprodukte als integrierte Schaltkreise zu vermarkten, verließ Camenzind Mallory für Signetics. Als er zu Signetics kam, entwarf er zwei integrierte Schaltkreise auf der Grundlage dieses Konzepts, die 565 und 566 wurden. Diese beiden Komponenten erforderten für ihren Betrieb einen einfachen und stabilen Oszillator und wenige externe Komponenten, um sie zu konfigurieren. Dieser Oszillator wurde zur Grundlage des NE555, indem er die Funktionen zum Starten und Stoppen hinzufügte. Signetics brachte 1971 den 555 auf den Markt, der schnell zu einem der beliebtesten integrierten Schaltkreise wurde, die jemals gebaut wurden.

Stoßen

Der NE555 ist in einer Doppelversion mit der Bezeichnung NE556 erhältlich. Die folgende Tabelle zeigt die Pins, die bei der einfachen Version in einer DIP- Box vorhanden sind . Die anderen Gehäuse verwenden die gleichen Pinnamen.

#	Nachname	Beschreibung
1	Masse	Masse
2	TRIG	Trigger, initiiert die Zeitmessung - Erkennt, wenn die Spannung weniger als 1/3 VDC beträgt
3	AUS	Ausgangssignal
4	ZURÜCKSETZEN	Reset, Unterbrechung der Zeitverzögerung
5	WEITER	Zugriff auf interne Referenz (2/3 von VCC)
6	THRES	Löst das Ende der Zeitverzögerung aus, wenn die Spannung 2/3 von VDC erreicht, steigend
7	DISCH	Anschluss zum Entladen des Zeitkondensators
8	VCC	Versorgungsspannung, im Allgemeinen zwischen 5 und 15V

"NE555" ist der ursprüngliche Name der von Signetics vorgeschlagenen Komponente . Viele Hersteller haben diese Komponente mit Pinout-Kompatibilität und einem anderen Präfix angeboten. Heute werden am häufigsten CMOS-Versionen dieser Komponente (wie der LMC555) verwendet.

Funktionsprinzip

Aus dem Blockschaltbild können wir die verschiedenen Komponenten des NE555 sehen, nämlich:

• 2 Komparatoren (gelb und rot);
• 3 Widerstände als Spannungsteiler konfiguriert. Die beiden Spannungen von 1/3 bzw. 2/3 von Vcc werden als Referenzen für die Komparatoren (grün) verwendet;
• 1 SET-RESET-Flip-Flop, gesteuert durch die Komparatoren (lila);
• 1 Umsteller (rosa);
• 1 Transistor zum Entladen des Zeitkondensators (himmelblau).

Der Betrieb des 555 folgt der Betriebslogik des dargestellten Blockschaltbildes und kann 4 verschiedene Zustände annehmen.

• Das RESET-Signal ist auf Low-Pegel  : Das Flip-Flop wird zurückgesetzt, der Entladetransistor wird aktiviert und der Ausgang bleibt zwingend auf Low-Pegel. Eine andere Operation ist nicht möglich.
• Das TRIG-Signal ist kleiner als 1/3 von VCC  : das Flip-Flop ist aktiviert (SET) und der Ausgang ist auf einem hohen Pegel, der Entladetransistor ist deaktiviert.
• Das Signal THRES ist größer als 2/3 von VCC  : das Flip-Flop wird auf Null zurückgesetzt (RESET) und der Ausgang ist auf einem niedrigen Pegel, der Entladetransistor wird aktiviert.
• Die Signale THRES und TRIG sind jeweils kleiner als 2/3 von VCC und größer als 1/3 von VCC  : Das Flip-Flop behält seinen vorherigen Zustand wie für den Ausgang und den Entladetransistor bei.

Diese Zustände sind in der folgenden Tabelle zusammengefasst:

ZURÜCKSETZEN	TRIG	THRES	AUS	DISCH
0	X	X	0	Aktiv
1	<1/3 Vdc	X	1	Inaktiv
1	> 1/3 Vdc	> 2/3 Vdc	0	Aktiv
1	> 1/3 Vdc	<2/3 Vdc	Vorheriger Wert

Monostabiler Betrieb

Bei Verwendung des NE555 in einer monostabilen Konfiguration kann ein Impuls definierter Dauer nur mit einem Widerstand und einem Kondensator erzeugt werden, wie im nebenstehenden Diagramm gezeigt. Durch Anlegen einer fallenden Flanke an den Eingang der Schaltung (TRIG) wird ein Impuls erzeugt, das folgende Diagramm zeigt die resultierenden Wellenformen.

Unmittelbar nach dem Anlegen der fallenden Flanke wird die interne Wippe sowie der Ausgang aktiviert. Gleichzeitig wird der Entladetransistor deaktiviert, wodurch der Kondensator C über den Widerstand R aufgeladen werden kann. Die Wellenform an den Anschlüssen des Kondensators ist die einer Schaltung erster Ordnung RC, die einer Spannungsstufe gegenübersteht, c ', d exponentiell. Wenn dieser Exponent einen Wert von zwei Dritteln der Versorgungsspannung Vcc erreicht, wird das interne Flip-Flop deaktiviert, wodurch der Ausgang und der Kondensator auf Null gebracht werden. Die Dauer des Pulses ergibt sich aus der folgenden Formel: tw{\ displaystyle t_ {w}}

tw=1,1×R×VS{\ displaystyle t_ {w} = 1,1 \ mal R \ mal C}

Es gibt auch das Diagramm des 555 in retriggerbar monostabil, das bis auf den mit dem Trigger verbundenen Pin 4 Reset identisch ist: Bei jedem Eingangsimpuls wird der Timer zurückgesetzt, auch wenn der vorherige Impuls noch nicht beendet ist.

Entwicklung

Die Ladekurve des Kondensators ergibt sich aus der folgenden Formel, siehe RC-Schaltung  :

VVS=VVSVS(1-e-t/RVS) {\ displaystyle V_ {C} = V_ {CC} (1-e ^ {- t / RC}) ~}

Da die Kondensatorladung bei t = 0 beginnt, genügt es, die obige Gleichung nach t aufzulösen:

t=-RVSln⁡(1-VvsVVSVS) {\ displaystyle t = -RC \ ln \ left (1 - {\ frac {V_ {c}} {V_ {CC}}} \ right) ~}

Die Dauer des Impulses entspricht der Zeit, die der Kondensator benötigt, um 2/3 des Wertes von Vcc zu erreichen, also:

tw=-RVSln⁡(1-2/3)=RVSln⁡3 {\ displaystyle t_ {w} = - RC \ ln (1-2 / 3) = RC \ ln {3} ~}

Durch Ersetzen durch seinen Wert finden wir: ln⁡(3) {\ displaystyle \ ln (3) ~}

tw≈1,1RVS {\ displaystyle t_ {w} \ ca. 1,1RC ~}  

Astabiler Betrieb

Die astabile Konfiguration ermöglicht die Verwendung des NE555 als Oszillator . Zwei Widerstände und ein Kondensator ermöglichen die Veränderung der Schwingungsfrequenz sowie des Tastverhältnisses . Die Anordnung der Komponenten entspricht der nebenstehenden Abbildung. In dieser Konfiguration wird das Flip-Flop automatisch bei jedem Zyklus zurückgesetzt, wodurch eine fortwährende Impulsfolge wie unten beschrieben erzeugt wird.

Eine volle Schwingung wird durchgeführt, wenn sich der Kondensator von 1/3 Vcc auf 2/3 Vcc auflädt. Beim Laden liegen die Widerstände Ra und Rb in Reihe mit dem Kondensator, die Entladung erfolgt jedoch nur über Rb. So kann das Tastverhältnis geändert werden. Die Schwingungsfrequenz sowie das Tastverhältnis folgen folgenden Beziehungen: f{\ Anzeigestil f}α{\ displaystyle \ alpha}

f=1.44(Rbeim+2Rb)VS{\ displaystyle f = {\ frac {1.44} {(R_ {a} + 2R_ {b}) C}}} α=Rb(Rbeim+2Rb){\ displaystyle \ alpha = {\ frac {R_ {b}} {(R_ {a} + 2R_ {b})}}} Entwicklung

Erinnern Sie sich an die im vorherigen Abschnitt entwickelte Formel:

t=-RVSln⁡(1-VVSVVSVS){\ displaystyle t = -RC \ ln \ left (1 - {\ frac {V_ {C}} {V_ {CC}}} \ right)}

Da die Dauer des hohen Pegels die Periode ist, in der sich der Kondensator von 1/3 von Vcc auf 2/3 von Vcc auflädt, haben wir: tH{\ Displaystil t_ {H}}

tH=[-(Rbeim+Rb)VSln⁡(1-2/3)]-[-(Rbeim+Rb)VSln⁡(1-1/3)]{\ displaystyle t_ {H} = \ left [- (R_ {a} + R_ {b}) C \ ln (1-2 / 3) \ right] - \ left [- (R_ {a} + R_ {b }) C \ ln (1-1 / 3) \ rechts]}

Durch Gruppieren:

tH=(Rbeim+Rb)VSln⁡(2) {\ displaystyle t_ {H} = (R_ {a} + R_ {b}) C \ ln (2) ~}

Durch Ersetzen durch seinen Wert finden wir: ln⁡(2) {\ displaystyle \ ln (2) ~}

tH≈0,693(Rbeim+Rb)VS{\ displaystyle t_ {H} \ ca. 0,693 (R_ {a} + R_ {b}) C}

Da die Entladung nur durch den Widerstand erfolgt, lautet die Gleichung für : Rb{\ Displaystil R_ {b}}tL{\ displaystyle t_ {L}}

tL≈0,693(Rb)VS{\ displaystyle t_ {L} \ ca. 0,693 (R_ {b}) C}

Aus diesen beiden Gleichungen lässt sich sowohl die Frequenz als auch das Tastverhältnis wie folgt ableiten:

f=1tH+tL=1ln⁡(2)(Rbeim+2Rb)VS≈1.44(Rbeim+2Rb)VS{\ displaystyle f = {\ frac {1} {t_ {H} + t_ {L}}} = {\ frac {\ frac {1} {\ ln (2)}} {(R_ {a} + 2R_ { b}) C}} \ approx {\ frac {1.44} {(R_ {a} + 2R_ {b}) C}}} α=tHtH+tL=Rb(Rbeim+2Rb){\ displaystyle \ alpha = {\ frac {t_ {H}} {t_ {H} + t_ {L}}} = {\ frac {R_ {b}} {(R_ {a} + 2R_ {b})} }}  

Anwendungen

Circuit 555 wird immer noch im Bildungsbereich verwendet. Es findet sich auch in einfachen Baugruppen mit wenigen Bauteilen und einem schnellen Design (LED-Blinken, Temperaturmessung, Zählsysteme). Er ist so bekannt, dass ihm ein Wettbewerb gewidmet ist: der 555-Wettbewerb .

Varianten des NE555

Es gibt mehrere Versionen dieser integrierten Schaltung. Die Schaltung ICM7555 ist ein modifizierter NE555. Diese Schaltung enthält keine Bipolartransistoren, sondern Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate . Dadurch wird nicht nur sehr wenig Strom verbraucht, sondern auch seine Betriebsspannung erhöht (zwischen 2 V und 18 V). Außerdem liegt der Eingangsstrom der Spannungsdetektoren in der Größenordnung von Pico-Ampere. Dieses Modell eignet sich insbesondere für Präzisionstimer, die mit sehr niedriger Spannung versorgt werden. Andere Modelle haben auch andere Eigenschaften. Einige können bis zu mehreren MHz schwingen , andere können mit sehr niedrigen Spannungen betrieben werden (ab 1V für einige Modelle). Diese Schaltungen sind jedoch viel teurer als der Standard NE555 und werden in kleinerem Maßstab hergestellt. Aus diesem Grund sind sie für die breite Öffentlichkeit nicht sehr zugänglich.

Äquivalente integrierte Schaltkreise

Es gibt unter anderem mehrere Ableitungen der Schaltung:

• Bipolar
  • MC1455
  • NA555
  • SA555
  • SE555
  • XTR655
• MOSFET
  • ICM7555
  • LMC555
  • TLC555

Hinweise und Referenzen

1. (en) halbleitermuseum.com - Ein Interview mit Hans Camenzind
2. „  Oral History Hans Camenzind Historic 555 Integrated Circuit Index  “ , unter www.semiconductormuseum.com (Zugriff am 17. Juni 2021 )
3. (de) Signetics 1973 Datenblatt illustriert den NE555 und NE556
4. (in) Datenblatt NE556 von Texas Instruments [PDF]
5. (en) LMC555 Texas Instruments Datenblatt [PDF]
6. (in) Tony van Roon - 555 Timer-Tutorial
7. (in) Datenblatt von Intersil ICM755 [PDF]
8. (in) Datenblatt von ON Semiconductor MC1455 [PDF]
9. (en) NE555 Texas Instruments Datenblatt [PDF]
10. (in) Datenblatt von XTR655 X-REL Semiconductor [PDF]

Siehe auch

Zum Thema passende Artikel

• Monostabile Wippe
• Multivibrator

Externe Links

• Timer 555 auf etronics.free.fr
• Der berühmte integrierte Schaltkreis NE555
• Analyse und Synthese einer astabilen Multivibratorschaltung unter Verwendung einer integrierten Schaltung NE555 - Online-Rechner
• (de) [PDF] NE555 Datenblätter

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