Teoria e prática do uso do cronômetro 555. Parte um. Teórico. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica

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Provavelmente não existe tal radioamador (Miau e seu gato! - Doravante, a nota do Gato) que não usaria este maravilhoso microcircuito em sua prática. Bem, todo mundo definitivamente já ouviu falar dela.

Sua história começou em 1971, quando a Signetics Corporation lançou o chip SE555/NE555 chamado "Integrated Timer" (A Máquina do Tempo CI).

Naquela época, era o único microcircuito “temporizador” disponível para o grande consumidor. Imediatamente após ser colocado à venda, o microcircuito ganhou grande popularidade entre amadores e profissionais. Apareceram vários artigos, descrições e diagramas usando este dispositivo.

Nos últimos 35 anos, quase todos os fabricantes de semicondutores que se prezam consideraram seu dever lançar sua própria versão deste microcircuito, inclusive utilizando processos técnicos mais modernos. Por exemplo, a Motorola lança uma versão CMOS do MC1455. Mas com tudo isso, não há diferenças entre todas essas versões em funcionalidade e layout de pinos. Eles são todos análogos completos um do outro.

Nossos fabricantes nacionais também não ficaram de fora e produziram este microcircuito denominado KR1006VI1.

E aqui está uma lista de fabricantes estrangeiros que produzem o temporizador 555 e suas designações comerciais:

Em alguns casos, dois nomes são indicados. Isso significa que duas versões do chip estão disponíveis – civil, para uso comercial e militar. A versão militar possui maior precisão, faixa de temperatura operacional mais ampla e está disponível em caixa de metal ou cerâmica. Bem, mais caro, é claro.

Vamos começar com o corpo e os pinos.

O microcircuito está disponível em dois tipos de caixas - DIP de plástico e metal redondo. É verdade que ainda foi produzido em uma caixa de metal - agora restam apenas caixas DIP. Mas caso você tenha tanta sorte de repente, apresento os dois desenhos do case. As atribuições dos pinos são as mesmas em ambos os casos. Além dos padrão, estão disponíveis mais dois tipos de microcircuitos - 556 e 558. 556 é uma versão dupla do temporizador, 558 é uma versão quádrupla.

O diagrama funcional do temporizador é mostrado na figura logo acima desta frase.

O microcircuito contém cerca de 20 transistores, 15 resistores, 2 diodos. A composição e quantidade dos componentes podem variar ligeiramente dependendo do fabricante. A corrente de saída pode chegar a 200 mA, a corrente consumida é 3-6 mA a mais. A tensão de alimentação pode variar de 4,5 a 18 volts. Neste caso, a precisão do temporizador é praticamente independente das alterações na tensão de alimentação e é de 1% da calculada. O desvio é de 0,1%/volt e o desvio de temperatura é de 0,005%/C.

Agora veremos o diagrama de circuito do temporizador e lavaremos seus ossos, ou melhor, suas pernas - qual saída é necessária para o quê e o que tudo isso significa.

(clique para ampliar)

Então, conclusões (Miau! É sobre pernas...):

1. Terra. Não há nada de especial para comentar aqui - a saída que está conectada ao negativo da fonte de alimentação e ao fio comum do circuito.

2. Lançamento. Entrada do comparador nº 2. Quando um pulso de baixo nível (não mais que 1/3 Vpit) é aplicado a esta entrada, o temporizador inicia e uma tensão de alto nível é definida na saída por um tempo determinado pela resistência externa R (Ra + Rb, consulte diagrama funcional) e capacitor C - este é o chamado modo multivibrador monoestável. O pulso de entrada pode ser retangular ou senoidal. O principal é que sua duração seja menor que o tempo de carregamento do capacitor C. Se o pulso de entrada ainda exceder esse tempo de duração, a saída do microcircuito permanecerá em um estado de alto nível até que o nível de entrada seja definido como alto novamente . A corrente consumida pela entrada não ultrapassa 500nA.

3. Sair. A tensão de saída muda com a tensão de alimentação e é igual a Vpit-1,7V (alto nível de saída). Em um nível baixo, a tensão de saída é de aproximadamente 0,25V (com uma tensão de alimentação de +5V). A alternância entre os estados baixo e alto ocorre em aproximadamente 100 ns.

4. Redefinir. Quando uma tensão de nível baixo (não mais que 0,7 V) é aplicada a esta saída, a saída é redefinida para um estado de nível baixo, independentemente do modo em que o temporizador está atualmente e do que está fazendo. Redefinir, você sabe, é reiniciado na África também. A tensão de entrada é independente da tensão de alimentação – é uma entrada compatível com TTL. Para evitar reinicializações acidentais, é altamente recomendável conectar este pino ao positivo da fonte de alimentação até que seja necessário.

5. Controle. Este pino permite acessar a tensão de referência do comparador nº 1, que é igual à alimentação de 2/3V. Normalmente, esse pino não é usado. Porém, seu uso pode ampliar significativamente as possibilidades de gerenciamento do temporizador. O fato é que, ao aplicar tensão a este pino, você pode controlar a duração dos pulsos de saída do temporizador e, assim, direcionar a cadeia de temporização para RC. A tensão fornecida a esta entrada no modo multivibrador monoestável pode variar de 45% a 90% da tensão de alimentação. E no modo multivibrador de 1,7 V à tensão de alimentação. Neste caso, recebemos um sinal modulado FM (FM) na saída. Se este pino não for usado, é recomendado conectá-lo ao fio comum através de um capacitor de 0,01 μF (10 nF) para reduzir o nível de interferência e todos os outros problemas.

6. Pare. Este pino é uma das entradas do comparador nº 1. É usado como uma espécie de antípoda para a saída 2. Ou seja, é usado para parar o cronômetro e colocar a saída em um estado de baixo nível (Miau! Pânico silencioso?!). Quando um pulso de nível alto é aplicado (pelo menos 2/3 da tensão de alimentação), o temporizador para e a saída é redefinida para um estado de nível baixo. Assim como no pino 2, pulsos retangulares e senoidais podem ser fornecidos a este pino.

7. Descarga. Este pino está conectado ao coletor do transistor T6, cujo emissor está conectado ao terra. Assim, quando o transistor está aberto, o capacitor C é descarregado através da junção coletor-emissor e permanece descarregado até o transistor fechar. O transistor está aberto quando a saída do microcircuito está baixa e fechado quando a saída está ativa, ou seja, está alta. Este pino também pode ser usado como saída auxiliar. Sua capacidade de carga é aproximadamente a mesma de uma saída de temporizador convencional.

8. Mais nutrição. Tal como no caso da conclusão 1, não há muito a dizer. A tensão de alimentação do temporizador pode estar na faixa de 4,5 a 16 volts. Para versões militares do chip, a faixa superior é de 18 volts.

Absorvido? Vamos mais longe.

A maioria dos temporizadores requer um circuito de temporização, geralmente composto por um resistor e um capacitor. O temporizador 555 não é exceção. Vejamos o diagrama de funcionamento do microcircuito.

Então, vamos supor que fornecemos energia ao chip. A entrada está alta, a saída está baixa, o capacitor C está descarregado. Tudo está calmo, todos estão dormindo. E então BANG - aplicamos uma série de pulsos retangulares à entrada do temporizador. O que está acontecendo?

O primeiro pulso de baixo nível muda a saída do temporizador para um estado de alto nível. O transistor T6 fecha e o capacitor começa a carregar através do resistor R. Durante todo o tempo em que o capacitor está carregando, a saída do temporizador permanece ligada - ele mantém um alto nível de tensão. Assim que o capacitor é carregado a 2/3 da tensão de alimentação, a saída do microcircuito é desligada e um nível baixo aparece nele. O transistor T6 abre e o capacitor C descarrega.

No entanto, existem duas nuances mostradas no gráfico com linhas pontilhadas.

A primeira é se, após o término da carga do capacitor, permanecer um nível baixo de tensão na entrada - neste caso, a saída permanece ativa - ele permanece em nível alto até que apareça um nível alto na entrada. A segunda é se ativarmos a entrada Reset com tensão baixa. Neste caso, a saída será desligada imediatamente, apesar do capacitor ainda estar carregando.

Então, terminamos a parte lírica - vamos passar para números e cálculos rigorosos. Como podemos determinar o tempo durante o qual o temporizador será ligado e os valores da cadeia RC necessários para definir esse tempo? O tempo durante o qual o capacitor é carregado a 63,2% (2/3) da tensão de alimentação é chamado de constante de tempo, vamos denotar pela letra t. Este tempo é calculado por uma fórmula surpreendente em sua complexidade. Aqui está ela: t =R*C, onde R é a resistência do resistor em MegaOhms, C é a capacitância do capacitor em microFarads. O tempo é obtido em segundos.

Voltaremos à fórmula quando considerarmos detalhadamente os modos de operação do temporizador. Agora vamos dar uma olhada em um testador simples para este chip, que lhe dirá facilmente se a instância do seu temporizador está funcionando ou não.

Se depois de ligar a energia ambos os LEDs piscarem, então está tudo bem e o microcircuito está em pleno funcionamento. Se pelo menos um dos diodos não acender ou, pelo contrário, acender constantemente, esse microcircuito pode ser jogado no vaso sanitário com a consciência tranquila ou devolvido ao vendedor, caso você tenha acabado de comprá-lo. Tensão de alimentação - 9 volts. Por exemplo, de uma bateria Krona.

Agora vamos dar uma olhada nos modos de operação deste microcircuito.

A rigor, possui dois modos. O primeiro é um multivibrador monoestável. Monoestável - porque tal multivibrador tem apenas um estado estável - desligado. E mudamos temporariamente para o estado ligado aplicando algum sinal à entrada do temporizador. Conforme observado acima, o tempo durante o qual o multivibrador entra no estado ativo é determinado pelo circuito RC. Essas propriedades podem ser usadas em uma ampla variedade de circuitos. Iniciar algo por um determinado período de tempo ou vice-versa - formar uma pausa por um determinado período de tempo.

O segundo modo é um gerador de pulsos. O microcircuito pode produzir uma sequência de pulsos retangulares, cujos parâmetros são determinados pelo mesmo circuito RC. (Miau! Quero uma corrente. Para o meu rabo. Ou uma pulseira. Antiestática.)

Afinal, nosso gato é um chato.

Vamos começar do começo, ou seja, do primeiro modo.

O diagrama do circuito para conectar o microcircuito é mostrado na figura. O circuito RC está conectado entre o positivo e o negativo da fonte de alimentação. Pino 6 - Stop está conectado à conexão entre o resistor e o capacitor. Esta é a entrada do comparador nº 1. O pino 7 também está conectado aqui - bit. O pulso de entrada é aplicado ao pino 2 – Partida. Esta é a entrada do comparador nº 2. Um circuito completamente simples – um resistor e um capacitor – é muito mais simples? Para aumentar a imunidade a ruídos, você pode conectar o pino 5 ao fio comum através de um capacitor de 10nF.

Assim, no estado inicial, a saída do temporizador está baixa - cerca de zero volts, o capacitor está descarregado e não quer ser carregado, pois o transistor T6 está aberto. Esta condição é estável e pode durar indefinidamente. Quando um pulso de baixo nível chega à entrada, o comparador nº 2 é acionado e aciona o gatilho do temporizador interno. Como resultado, um alto nível de tensão é estabelecido na saída. O transistor T6 fecha e o capacitor C começa a carregar através do resistor R. Durante todo o tempo de carregamento, a saída do temporizador permanece alta. O temporizador não responde a nenhum estímulo externo, se eles chegarem ao pino 2. Ou seja, após o temporizador ter acionado a partir do primeiro pulso, outros pulsos não tem efeito sobre o estado do temporizador - isto é muito importante. Então, o que está acontecendo aí? Ah, sim - o capacitor está carregando. Quando carrega a uma tensão de 2/3 V, o comparador nº 1 funcionará e, por sua vez, acionará o gatilho interno. Como resultado, um nível de baixa tensão será estabelecido na saída e o circuito retornará ao seu estado original e estável. O transistor T6 abrirá e descarregará o capacitor C.

O tempo durante o qual o cronômetro, por assim dizer, “enlouquece” pode variar de um milissegundo a centenas de segundos.

É considerado assim: T=1.1*R*C

Teoricamente, não há limites para a duração dos pulsos - tanto a duração mínima quanto a máxima. No entanto, existem algumas limitações práticas que podem ser contornadas, mas primeiro você deve pensar se isso é necessário e se seria mais fácil escolher uma solução de circuito diferente.

Assim, os valores mínimos estabelecidos de forma prática para R são 10 kOhm, e para C - 95 pF. É possível fazer menos? Eu acho que sim. Mas, ao mesmo tempo, se você reduzir ainda mais a resistência do resistor, o circuito começará a gerar muita eletricidade. Se você reduzir a capacitância C, todos os tipos de capacitâncias parasitas e interferências poderão afetar significativamente a operação do circuito.

Por outro lado, o valor máximo do resistor é de aproximadamente 15MΩ. Aqui, a limitação é imposta pela corrente consumida pela entrada Stop (cerca de 120 nA) e pela corrente de fuga do capacitor C. Assim, se o valor do resistor for muito grande, o temporizador simplesmente nunca desligará se a soma do capacitor corrente de fuga e a corrente de entrada excede 120 nA.

Pois bem, quanto à capacitância máxima do capacitor, a questão não está tanto na capacitância em si, mas na corrente de fuga. É claro que quanto maior a capacitância, maior será a corrente de fuga e pior será a precisão do temporizador. Portanto, se o temporizador for usado por longos intervalos de tempo, é melhor usar capacitores com baixas correntes de fuga - por exemplo, tântalo.

Vamos passar para o segundo modo.

Outro resistor foi adicionado a este circuito. As entradas de ambos os comparadores são conectadas e conectadas à junção do resistor R2 e do capacitor. O pino 7 está conectado entre resistores. O capacitor é carregado através dos resistores R1 e R2.

Agora vamos ver o que acontece quando aplicamos energia ao circuito. No estado inicial, o capacitor está descarregado e as entradas de ambos os comparadores apresentam nível de tensão baixo, próximo de zero. O comparador nº 2 alterna o gatilho interno e define a saída do temporizador para um nível alto. O transistor T6 fecha e o capacitor começa a carregar através dos resistores R1 e R2.

Quando a tensão no capacitor atinge 2/3 da tensão de alimentação, o comparador nº 1, por sua vez, aciona o gatilho e desliga a saída do temporizador - a tensão de saída fica próxima de zero. O transistor T6 abre e o capacitor começa a descarregar através do resistor R2. Assim que a tensão no capacitor cair para 1/3 da tensão de alimentação, o comparador nº 2 acionará o gatilho novamente e um nível alto aparecerá novamente na saída do microcircuito. O transistor T6 fechará e o capacitor começará a carregar novamente... ah, minha cabeça já está girando.

Em suma, como resultado de todo esse xamanismo, o resultado que obtemos é uma sequência de pulsos retangulares. A frequência do pulso, como você provavelmente já adivinhou, depende dos valores de C, R1 e R2. É determinado pela fórmula:

Os valores de R1 e R2 são substituídos em Ohms, C - em Farads, a frequência é obtida em Hertz.

O tempo entre o início de cada pulso seguinte é denominado período e é designado pela letra t. Consiste na duração do próprio pulso - t1 e no intervalo entre os pulsos - t2. t = t1+t2.

Frequência e período são conceitos inversos e a relação entre eles é a seguinte:

f = 1/t.

t1 e t2, é claro, também podem e devem ser calculados. Assim:

t1 = 0.693(R1+R2)C;

t2 = 0.693R2C

Bem, parece que terminamos a parte teórica. Na próxima parte, veremos exemplos específicos de ativação do temporizador 555 em vários circuitos e para uma ampla variedade de usos.

Publicação: radiokot.ru

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