Časovač NE555: Miniaturní stroj času v elektronice

Existuje integrovaný obvod, který, přestože se vyrábí již půl století, nezestárl a jeho využití je tak široké, že o něm bylo napsáno mnoho knih. Seznamte se s časovačem NE555!

Tento článek představuje historii, hardwarovou konstrukci a příklady aplikací integrovaného obvodu NE555, který se zapsal do historie elektroniky jako miniaturní stroj času kombinující prvky digitální a analogové technologie. Časovač NE555 je univerzální integrovaný obvod, který má širokou škálu použití - lze na něm postavit elektronické obvody, ať už jde o hračky, domácí elektrické spotřebiče, motorová vozidla nebo raketoplán. Jeho konstrukce umožňuje pracovat ve třech základních režimech - monostabilní generátor, astabilní generátor a bistabilní flip-flop.

Historie a vývoj obvodu NE555

Autorem integrovaného obvodu NE555 je švýcarský inženýr Hans Rudolph Camenzind (1934-2012). Na počátku 70. let 20. století měl vynálezce na základě smlouvy se společností Signetics (nyní NXP Semiconductors) vyvinout návrh integrovaného obvodu realizujícího fázovou synchronizační smyčku (PLL). Díky tomu konstruktér získal oscilátor pro fázovou synchronizační smyčku, jehož oscilační frekvence nebyla závislá na napájecím napětí a teplotě.

Bohužel hospodářská krize, která v té době panovala, donutila vedení společnosti Signetics propustit téměř polovinu zaměstnanců, což vedlo k pozastavení projektu. Camenzind však navrhl alternativní řešení, kterým byl vývoj univerzálního čipu na bázi oscilátoru pro smyčku PLL. Proti tomuto projektu se zpočátku postavili ostatní inženýři tehdejší společnosti. Argumentovali tím, že čip lze sestavit ze součástek, které již byly k dispozici v jejich sortimentu.

Vytvoření a uvedení integrovaného obvodu NE555 na trh v roce 1972 bylo navíc poměrně riskantním krokem nejen kvůli všudypřítomné krizi. Netrvalo dlouho a do sériové výroby vstoupil čip Intel 4004, první mikroprocesor - programovatelný čip pro civilní použití -, který otevřel zcela novou kapitolu v historii elektroniky i výpočetní techniky. Nakonec marketingové a obchodní oddělení společnosti Signetics Camenzindův návrh přijalo.

Čtěte také: Obvodové lišty na koberce

Původní prototyp čipu NE555 byl umístěn v kovovém pouzdře TO-5 s 9 vývody, ale již po několika dnech neúnavný konstruktér upravil čip tak, aby se vešel do plastového pouzdra typu DIL8 - jednoduše vyměnil vnitřní zdroj proudu za rezistor. Nakonec se čip NE555 začal prodávat v pouzdrech TO-5 i DIL8. V roce 1972 tento integrovaný obvod vyrábělo již 12 společností specializujících se na hromadnou výrobu polovodičů.

Hardwarová konstrukce a princip činnosti

Časovací obvod NE555 obsahuje ve své struktuře 23 tranzistorů (bipolárních v provedení TTL nebo polních v provedení CMOS) a také diody a rezistory. Základními funkčními prvky časovacího obvodu NE555 jsou odporový dělič napětí, komparátory a SR flip-flop. Úkolem komparátorů je porovnávat napětí na invertujícím a neinvertujícím vstupu. Pokud je napětí na neinvertujícím vstupu komparátoru vyšší než napětí na invertujícím vstupu, komparátor vydá na výstupu vysoký stav. Protože komparátory mají vysoký vstupní odpor, napětí se rozdělí rovnoměrně na každém ze tří rezistorů tvořících vstupní dělič napětí. Naproti tomu SR flip-flop je druh jednobitové paměti. Když je vstup S ve vysokém stavu, výstup klopného obvodu je vysoký. A naopak, když je vstup R ve vysokém stavu, výstup klopného obvodu je v nízkém stavu.

Integrovaný obvod 555 je ve schématu znázorněn jako obdélník s osmi popisky TRIG, DIS, THRES, VCC, RESET, OUT, CON a GND. Zároveň je nad obdélníkem napsáno IC2 a pod ním zase NE555. Označení IC2 slouží k tomu, aby se na tento obvod dalo odkazovat v textu, v seznamu použitých součástek, ve výrobním postupu atd. Pokud by obvod obsahoval více časovačů 555, pak by se mohly označovat např. IC1, IC3, IC99. Označení NE555 pod IC2 nám zase říká, o jaký integrovaný obvod (součástku) se jedná. V tomto případě je to časovač NE555, v jiném schématu to může být NE556, LM741, ATMega168P nebo cokoliv jiného. Schématická značka IC2 nám dále říká, že se jedná o obvod s osmi nožičkami (také se jim říká piny nebo vývody) a každou z nich pojmenovává zkratkou.

Popis vývodů (pinů) NE555

Níže uvedená tabulka popisuje standardní plastové pouzdro typu DIL8 a ukazuje schéma vývodů integrovaného obvodu NE555.

Režimy činnosti časovače NE555

Monostabilní generátor

V režimu monostabilního generátoru, kdy je na vývod č. 2 přiveden krátký impuls z vysokého stavu do nízkého stavu zkratováním S1, generuje časovač 555 na vývodu č. 3 impuls vysokého stavu, jehož trvání T závisí na zvolených hodnotách odporu rezistoru R1 a kondenzátoru C1 podle vztahu (1.1):

Čtěte také: jak vybrat obvodové lišty pro PVC podlahy

T = 1,1 * R1 * C1 (1,1)

Impuls vysokého stavu se sníží, když napětí na vývodu 6 dosáhne ⅔ napájecího napětí na vývodu 8. To je také okamžik, kdy vnitřní tranzistor vybije kondenzátor časovacího obvodu až do konce. Čím delší je požadovaná doba trvání impulzu vysokého stavu, tím větší hodnoty prvků R1 a C1 je třeba zvolit.

Astabilní generátor

V režimu astabilního generátoru je uspořádání připojení vnějších součástek mírně odlišné než v monostabilním režimu. V tomto režimu jsou vývody 2 a 6 vzájemně zkratovány, což znamená, že časovač 555 bude generovat periodický průběh na vývodu 3.

Bistabilní flip-flop

Časovač 555 má ještě třetí základní režim činnosti - bistabilní flip-flop. V této konfiguraci může obvod na výstupu (pin 3) dosáhnout dvou stabilních stavů, tj. nízký nebo vysoký stav. V tomto případě je kondenzátor časovacího obvodu zbytečný. Stačí zapojit dva monostabilní spínače, tj. S1 a S2. Krátké stisknutí S1 uvede pin 2 do nízkého stavu a trvale překlopí pin 3 do nízkého stavu. Naopak krátké stisknutí tlačítka S2 přivede nízký stav na pin č. 4 a trvale překlopí pin č. 3 do vysokého stavu.

Výhody a praktické aspekty

Jednoduchá implementace základních konfigurací není jedinou výhodou časovače 555. Za zmínku stojí také široký rozsah napájecího napětí (od +5 V do +15 V) a maximální výstupní proudová kapacita 200 mA, která umožňuje spolupráci s logickými obvody TTL. Zde je třeba zmínit, že vývody 2 a 6 jsou vzájemně kompatibilní z hlediska logických úrovní spínacích napětí mezi nízkým a vysokým stavem. Výběrem vhodných externích součástek můžete časovač 555 nastavit tak, aby v monostabilním režimu pracoval až několik minut, a maximální frekvence průběhu, kterou jste schopni na výstupu v astabilním režimu získat, je až 500 kHz. Činitel plnění lze také nastavit v reálném čase nahrazením rezistoru potenciometrem. Přitom teplotní stabilita čipu NE555 se řadí k 50 ppm/°C.

Čtěte také: Praktičnost obvodových lišt

Praktické aplikace NE555

Časovač 555 se používá v mnoha elektronických projektech ke generování impulzů. Nyní představíme některé z hlavních projektů založených na IC NE555, které jsou jednoduché a velmi praktické. Tyto projekty lze realizovat pomocí snadno dostupných diskrétních součástek.

Násobič napětí

Toto zapojení umožňuje pomocí principu násobiče napětí vytvořit napětí téměř dvojnásobné oproti vstupnímu napětí. Pokud je například vstupní napětí přibližně 5 V DC, lze získat výstupní napětí přibližně 10 V DC. Tento návrh na časovači 555 pracuje v konfiguraci astabilního generátoru. Kondenzátory jsou zapojeny do série a k jejich nabíjení poskytuje časovač NE555 hodinové impulsy. Nabité kondenzátory mění napětí, které se rovná téměř dvojnásobku vstupního napětí. Výstupní napětí lze měřit multimetrem.

Detektor rozbití skla

Tento obvod umožňuje identifikovat zloděje, který rozbije okenní sklo, spuštěním alarmu. Konstrukce založená na časovém čipu 555 se používá jako bezpečnostní systém. Když dojde k rozbití smyčky, čip aktivuje bzučák, který upozorní na vloupání.

Dotykový spínač pro ovládání zátěže

Cílem tohoto projektu je krátkodobá regulace zátěže pomocí dotykového spínače a časovače 555. Časovač zde pracuje v monostabilním režimu a je aktivován dotykovou deskou připojenou k jeho pinu č. 2. Vývod č. 3 čipu NE555 poskytuje vysoký logický stav po pevný časový interval, který je určen časovou konstantou RC. Vysoký stav na výstupu způsobí, že relé sepne zátěž na příslušnou dobu, poté se automaticky vypne.

Blikač "Semafor"

Chcete začít s elektronikou a nevíte jak? Že neznáte schématické značky a nemáte tušení, jak se takové elektrické schéma čte? Jaký obvod je vhodný pro začátečníka? "Semafor" realizovaný na nepájivém poli je ideální pro začátečníky. Celé zapojení obsahuje jen několik málo součástek a tudíž se dá velice rychle postavit na nepájivém poli. Obě světelné diody, ve schématu označené jako LED1 a LED2, střídavě blikají a vytváří tak efekt železničního semaforu.

Realizace semaforu na nepájivém poli

Nepájivé pole je plastové udělátko, které uvnitř obsahuje kovové lišty spojující všechny otvory v jednom řádku. Nyní si pojďme bez zbytečného zdržování zapojit náš první obvod s časovačem 555 - blikač s názvem "semafor". Prvním krokem je zapojení obvodu 555 do nepájivého pole. Možná bude potřeba nožičky obvodu mírně ohnout směrem k sobě, aby se pohodlně vlezly do kontaktů pole. Také si všimněte, že zámek (ten malý půlkulatý výřez na jedné kratší straně černého pouzdra) je orientován směrem nahoru. Pokud na vašem obvodu není zámek, hledejte tmavý puntík poblíž jednoho pinu.

Jako druhou součástku zapojíme elektrolytický kondenzátor. To je ten tmavý válec se dvěma vývody. Jeden vývod je kratší a zároveň je poblíž něj šedý (bílý) pruh na povrchu válce. Následuje další součástka - rezistor s hodnotou 33 kΩ. To je 33 000 Ω. Na těle rezistoru hledejte tři oranžové pruhy a jeden zlatý (žlutý). Teď si vezmeme krátký vodič, ideálně žluté barvy. Dva rezistory o hodnotě 470 Ω (žlutý, fialový, hnědý a zlatý pruh) přijdou k třetímu pinu vlevo. Dvě červené LED. Levá LED bude mít delší nožičku ve stejném řádku jako levý rezistor. To je ze součástek všechno. Teď zapojíme tři vodiče - jeden černý a dva červené. A máme hotovo!

Celé zapojení si zkontrolujte… a pak to udělejte ještě jednou. Pokud ano, zapojíme 9 V baterii. Nejdříve zapojíme oba vývody konektoru a potom na něj nacvakneme baterii. Obě LED by se měly okamžitě rozblikat.

Čtení elektrického schématu

U větších a komplikovanějších obvodů by se ilustrace velice rychle stala nepřehlednou. Profesionální zapojení nepoužívají nepájivá pole. Jsou realizované na desce, které se říká deska plošných spojů. Na ty se součástky pájí i v několika vrstvách. Z praktických důvodů se proto používá elektrické schéma, což je vlastně zjednodušený nákres obvodu. Schéma nám pomocí jednoduchých značek sděluje, jak je elektrický obvod sestaven a jak má fungovat.

Srdcem celého obvodu je integrovaný obvod 555. Schéma nám totiž vůbec neříká jak obvod vypadá, jakou má barvu, kde jsou jednotlivé nožičky ani jak jsou dlouhé. Schéma pouze ukazuje s čím a jak jsou nožičky zapojeny. Umístění pinů ve schématu se proto často volí tak, aby bylo schéma dobře čitelné a aby se vodiče (ty černé čáry spojující jednotlivé součástky) zbytečně nekřížily.

Vpravo je znázorněna schématická značka pro 9V baterii - to jsou ty vodorovné čáry, dvě krátké a dvě dlouhé. Od kladného kontaktu baterie vede čára (vodič) k nožičkám VCC a RESET obvodu IC2. Všimněte si, jak se v určitém okamžiku čára dělí na dvě, v tom místě je černý puntík a rozdělený vodič pak spojuje dva různé piny IC2. Tento puntík (uzel) nám říká, že jsou vodiče spojené. Pokud se dva vodiče ve schématu kříží, ale není v tom bodě uzel, pak vodiče spojené nejsou. Kladný pól baterie je dále spojen se součástkou označenou jako LED2. To je světelná dioda, neboli LED a k baterii je připojena její anoda - kladný pin, což je ta delší nožička. Katoda LED2 (záporný pin, kratší nožička) je připojena k rezistoru R1. Rezistor je první součástka, u které nemusíme řešit označení vývodů, oba jsou totiž stejné a nezáleží na tom, jakým směrem jej do obvodu zapojíme. Druhý vývod rezistoru R1 je dále spojen s pinem OUT obvodu IC2 a také (všimněte si uzlu) s anodou druhé LED označené jako LED1. Elektrolytický kondenzátor C1 o hodnotě 10uF. Kladný vývod kondenzátoru C1 je pak připojen k pinům TRIG a THRES obvodu IC2 a zároveň k rezistoru R3 o hodnotě 33 kΩ.

Dokázali byste s těmito novými znalostmi realizovat "semafor" sami, bez ilustrace reálného zapojení? Zkuste si to… odpojte všechny součástky od nepájivého pole a zkuste je znovu zapojit jenom podle schématu.

Funkce blikače

Ihned po zapojení baterie se na pinu OUT obvodu 555 objeví napětí baterie (9 V). Z ní teče proud vnitřkem obvodu 555 na pin OUT a přes rezistor R3 do kondenzátoru C1. Říkáme, že kondenzátor se nabíjí, protože uvnitř něj se hromadí elektrický náboj. To se projeví jako rostoucí napětí na pinech TRIG a THRES. Po čase se kondenzátor nabije, napětí mezi jeho vývody dosáhne určité hodnoty, uvnitř obvodu 555 dojde ke změně a výstup OUT je odpojen od napětí baterie. Kondenzátor se začne opět pomalu přes rezistor R3, pin OUT a vnitřek obvodu 555 vybíjet do záporného pólu baterie. Jakmile se téměř celý vybije, napětí na něm klesne pod určitou mez, napětí na OUT se opět změní na napětí baterie a celý cyklus se začne opakovat. Nabíjení, vybíjení, nabíjení, vybíjení. Takovému stavu se říká oscilace. Rychlost s jakou se nabíjí a vybíjí kondenzátor určuje hodnota rezistoru R3. Co se stane když místo původní hodnoty 33 kΩ použijeme 10 kΩ a potom třeba 100 kΩ?

tags: #obvodova #lista #typ #555 #informace

Oblíbené příspěvky:

• Technologie Doppler pro Slunečníky
• Skladování vína s cihelnými tvarovkami
• Vše o stárnutí modřínových fasád
• revoluce BIM ve stavebnictví
• Vše o obkladu základů betonovými tvarovkami