Spis treści:
Es gibt einen integrierten Schaltkreis, der, obwohl er schon seit einem halben Jahrhundert produziert wird, nicht alt geworden ist und dessen Anwendungsbereich so breit gefächert ist, dass bereits viele Bücher über ihn geschrieben wurden. Lernen Sie den NE555 Timer kennen!
NE555 - Zeitschaltung und mehr!
Dieser Artikel stellt die Geschichte, das Hardware-Design und Anwendungsbeispiele des integrierten Schaltkreises NE555 vor, der als Miniatur-Zeitmaschine, die Elemente der digitalen und analogen Technologie kombiniert, in die Geschichte der Elektronik eingegangen ist.
Timer NE555 - allgemeine Eigenschaften
Der NE555 Timer ist ein integrierter Allzweckschaltkreis, der eine breite Palette von Anwendungen bietet – elektronische Schaltungen können auf seiner Basis gebaut werden, sei es für Spielzeug, elektrische Haushaltsgeräte, Kraftfahrzeuge oder ein Space Shuttle. Seine Konstruktion ermöglicht den Betrieb in drei grundlegenden Modi – monostabiler Generator, astabiler Generator und bistabiles Flip-Flop. Der Designer des integrierten Schaltkreises NE555 war der Schweizer Ingenieur Hans Rudolph Camenzind (1934-2012). In den frühen 1970er Jahren war der Erfinder bei Signetics (heute NXP Semiconductors) unter Vertrag, um das Design eines integrierten Schaltkreises zu entwickeln, der eine Phasensynchronisationsschleife (PLL) implementierte. Als Ergebnis erhielt der Konstrukteur einen Oszillator für die Phasensynchronisationsschleife, dessen Schwingungsfrequenz nicht von der Versorgungsspannung und der Temperatur abhängig war.
Leider zwang die damalige Wirtschaftskrise das Management von Signetics dazu, fast die Hälfte der Mitarbeiter zu entlassen, was zur Aussetzung des Projekts führte. Camenzind schlug jedoch eine alternative Lösung vor, nämlich die Entwicklung eines auf einem Universaloszillator basierenden Chips für die PLL-Schleife. Das Projekt wurde zunächst von anderen Ingenieuren des Unternehmens abgelehnt. Sie argumentierten, dass der Chip aus Komponenten gebaut werden könnte, die bereits in ihrer Produktpalette vorhanden waren. Außerdem war die Entwicklung und Markteinführung des integrierten Schaltkreises NE555 im Jahr 1972 ein ziemlich riskanter Schritt, nicht zuletzt wegen der allgegenwärtigen Krise. Es dauerte nicht lange, bis der Intel 4004 Chip, der erste Mikroprozessor – ein programmierbarer Chip für den zivilen Gebrauch – in Serie ging und ein völlig neues Kapitel in der Geschichte der Elektronik und der Computertechnik aufschlug. Schließlich akzeptierte die Marketing- und Vertriebsabteilung von Signetics Camenzinds Entwurf. Der erste Prototyp des NE555-Chips war in einem 9-poligen TO-5-Metallgehäuse untergebracht, aber schon nach wenigen Tagen modifizierte der unermüdliche Designer den Chip so, dass er in ein Kunststoffgehäuse des Typs DIL8 passte – er tauschte einfach die interne Stromquelle gegen einen Widerstand aus. Schließlich kam der NE555-Chip sowohl im TO-5- als auch im DIL8-Gehäuse auf den Markt. Im Jahr 1972 wurde dieser IC von bis zu 12 Unternehmen hergestellt, die auf die Massenproduktion von Halbleitern spezialisiert waren.
NE555 Timer - Block Schaltplan und Pinbelegung
Abb. 1 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm des 555-Timers mit den wichtigsten Blöcken, aus denen die Schaltung besteht.
Abb. 1 – Vereinfachtes Blockdiagramm des 555-Timers:
Legende:
A – Eingangs-Widerstandsteiler 3x 5kΩ;
B – Spannungskomparator der oberen Auslöseschwelle;
C – Spannungskomparator der unteren Auslöseschwelle;
D – der SET/RESET Flipflop;
E – sekundärer Ausgang;
F – Entladetransistor des Zeitschaltkreises
Der Zeitschaltkreis NE555 enthält in seiner Struktur 23 Transistoren (bipolar in TTL-Ausführung oder Feldeffekt in CMOS-Ausführung) sowie Dioden und Widerstände. Die grundlegenden Funktionselemente des Zeitschaltkreises NE555a sind ein Spannungswiderstandsteiler, Komparatoren und ein SR-Flipflop. Die Aufgabe der Komparatoren besteht darin, die Spannungen an den invertierenden und nicht invertierenden Eingängen zu vergleichen. Wenn die Spannung am nicht invertierenden Eingang des Komparators höher ist als die am invertierenden Eingang, gibt der Komparator einen High-Zustand am Ausgang aus. Da Komparatoren einen hohen Eingangswiderstand haben, wird die Spannung an jedem der drei Widerstände, die den Eingangsspannungsteiler bilden, gleichmäßig aufgeteilt. Das SR-Flipflop hingegen ist eine Art Ein-Bit-Speicher. Wenn der S-Eingang im High-Zustand ist, ist der Ausgang des Flipflops High. Umgekehrt ist der Ausgang des Flipflops im Low-Zustand, wenn der R-Eingang im High-Zustand ist.
Abb. 2 – Anschlüsse des integrierten Schaltkreises NE555 im DIL8-Gehäuse
Abb. 2 zeigt den Anschlussplan des NE555 IC in einem Standard-DIL8-Kunststoffgehäuse. Die einzelnen Anschlüsse haben die folgenden Funktionen:
1 – GROUND – Erdung der Stromversorgung;
2 – TRIGGER – ein kurzer Impuls von High auf Low an diesem Pin triggert den Timer;
3 – OUTPUT – Impulsausgang;
4 – RESET – Wenn Sie diesen Pin mit Masse kurzschließen (und damit einen Low-Status erzeugen), wird die Schaltung zurückgesetzt;
5 – CONTROL VOLTAGE – durch Anlegen einer externen Steuerspannung an diesen Pin können wir die Schwellenwerte der Auslösespannung der internen Komparatoren ändern;
6 – THRESHOLD – wenn die Spannung an diesem Pin ⅔ der Versorgungsspannung übersteigt, verschwinden die Impulse an Pin 3;
7 – DISCHARGE – Kollektor (in der CMOS-Version: Drain) des Transistors, der den Zeitschaltkreis entlädt;
8 – POWER SUPPLY (VCC) – Versorgungsspannung (von +5V bis +15V, bezogen auf das Potential von Pin 1)
NE555 Timer als monostabiler Generator
Im monostabilen Generatormodus (Abb. 3) erzeugt der Timer 555, wenn ein kurzer Impuls vom High-Zustand in den Low-Zustand an Pin Nr. 2 angelegt wird, indem S1 kurzgeschlossen wird, an Pin Nr. 3 einen High-Zustandsimpuls, dessen Dauer T von den gewählten Werten des Widerstands von Widerstand R1 und Kondensator C1 abhängt, gemäß der Beziehung (1.1):
T = 1,1*R1 * C1 (1.1)Der High-State-Impuls geht in den Low-Zustand über, wenn die Spannung an Pin 6 einen Wert von ⅔ der Versorgungsspannung an Pin 8 erreicht. Dies ist auch der Zeitpunkt, an dem der interne Transistor den Kondensator der Zeitschaltung vollständig entlädt. Je länger die gewünschte Dauer des High-State-Impulses ist, desto größer müssen die Werte der Elemente R1 und C1 gewählt werden.
Abb. 3 – NE555 Timer als monostabiler Generator
NE555 Timer als astabiler Generator
Im astabilen Generatormodus (Abbildung 4) unterscheidet sich die Anordnung der Anschlüsse der externen Komponenten geringfügig von der im monostabilen Modus. In diesem Modus sind Pin 2 und Pin 6 miteinander kurzgeschlossen, was bedeutet, dass der Timer 555 eine periodische Wellenform an Pin 3 erzeugt. Die Frequenz dieser Wellenform hängt von den gewählten Widerständen Ra und Rb und der Kapazität C ab, entsprechend der Beziehung (2.1):
In diesem Modus können wir durch die Auswahl geeigneter Elementwerte auch den Füllfaktor der Wellenform am Ausgang (Pin 3) gemäß der Beziehung (2.2) ändern:
Abb. 4 – NE555 Timer als astabiler Generator
NE555 Timer als bistabiler Flip-Flop
Der Timer 555 verfügt noch über eine dritte grundlegende Betriebsart – ein bistabiler Flip-Flop (Abbildung 5). In dieser Konfiguration kann die Schaltung zwei stabile Zustände am Ausgang (Pin 3) erreichen, nämlich Low-Zustand oder High-Zustand. In diesem Fall ist der Kondensator der Zeitschaltung überflüssig. Es reicht aus, zwei monostabile Schalter anzuschließen, nämlich S1 und S2. Ein kurzer Druck auf S1 versetzt Pin 2 in den Low-Zustand und schaltet Pin 3 dauerhaft in den Low-Zustand. Andererseits legt ein kurzer Druck auf S2 einen Low-Zustand an Pin Nr. 4 an und versetzt Pin Nr. 3 dauerhaft in einen High-Zustand.
Abb. 5 – NE555 Timer als bistabiler Flip-Flop
Timer 555 - Hauptmerkmale
Die einfache Implementierung von Grundkonfigurationen ist nicht der einzige Vorteil des 555 Timers. Erwähnenswert ist auch der weite Versorgungsspannungsbereich (von +5 V bis +15 V) und die maximale Ausgangsstromkapazität von 200 mA, die es ihm ermöglicht, mit TTL-Logikschaltungen zu arbeiten. An dieser Stelle sei erwähnt, dass die Pins 2 und 6 in Bezug auf die logischen Pegel der Schaltspannungen zwischen dem Low-Zustand und dem High-Zustand kompatibel zueinander sind. Durch die Auswahl geeigneter externer Komponenten können Sie den Timer 555 so einstellen, dass er im monostabilen Modus bis zu mehreren Minuten läuft, und die maximale Wellenformfrequenz, die Sie am Ausgang im astabilen Modus erhalten können, beträgt bis zu 500 kHz. Der Füllfaktor kann ebenfalls in Echtzeit eingestellt werden, indem Sie einen Widerstand durch ein Potentiometer ersetzen. Die Temperaturstabilität des NE555 Chips liegt bei 50 ppm/°C.
Timer 555 - Anwendungsbeispiele
Der 555 Timer Schaltkreis wird in vielen elektronischen Projekten zur Erzeugung von Impulsen verwendet. Wir werden Ihnen nun einige der wichtigsten Projekte vorstellen, die auf dem NE555 IC basieren und die einfach und sehr praktisch sind. Diese Projekte können mit leicht erhältlichen diskreten Bauteilen realisiert werden.
Timer 555 als DC/DC-Spannungswandler
Mit dieser Schaltung können Sie eine Spannung erzeugen, die fast doppelt so hoch ist wie die Eingangsspannung, indem Sie das Prinzip des Spannungsmultiplikators anwenden. Wenn die Eingangsspannung z.B. etwa 5 V DC beträgt, können Sie eine Ausgangsspannung von etwa 10 V DC erhalten. Dieses Projekt des 555-Timers arbeitet in einer astabilen Generator-Konfiguration. Kondensatoren sind in Reihe geschaltet und zum Aufladen dieser Kondensatoren liefert der NE555 Timer Taktimpulse. Die geladenen Kondensatoren ändern die Spannung, die fast dem Doppelten der Eingangsspannung entspricht. Die Ausgangsspannung kann mit einem Multimeter gemessen werden.
Timer 555 als akustischer Signalgeber für den Einbruchalarm
Mit dieser Schaltung kann ein Dieb, der eine Fensterscheibe einbricht, identifiziert werden, indem ein Alarm ausgelöst wird. Ein Projekt, das auf dem 555 Timer Chip basiert, wird als Sicherheitssystem verwendet. Wenn eine Schleife unterbrochen wird, aktiviert der Chip einen Summer, um vor einem Einbruch zu warnen.
Timer 555 als kontaktgesteuerter elektrischer Lastschalter
Dieses Projekt zielt darauf ab, die Last für eine kurze Zeit mit Hilfe eines Berührungsschalters und eines 555 Timer-ICs zu regulieren. Der Timer arbeitet im monostabilen Modus und wird durch eine an seinen Pin Nr. 2 angeschlossene Berührungsplatine aktiviert. Der Pin Nr. 3 des NE555-Chips liefert für ein festes Zeitintervall, das durch die RC-Zeitkonstante bestimmt wird, einen hohen logischen Zustand. Der High-Zustand am Ausgang veranlasst das Relais, die Last für die entsprechende Zeit einzuschalten, wonach es sich automatisch ausschaltet.
