Kurs elektroniki II – #8 – wstęp do układu NE555

Kurs elektroniki II – #8 – wstęp do układu NE555

W tej części kursu elektroniki pochylimy się nad niepozornym układem scalonym, który trwale zmienił jej oblicze. Mnogość jego zastosowań jest tak duża, że wydano o nim wiele książek!

Czym jest spowodowany fenomen NE555? Na to pytanie odpowiedź będzie dla Was jasna, gdy poznacie jego wnętrze. Oczywiście nie zabraknie również sporej dawki przykładów praktycznych!

Celem tego artykułu jest zapoznanie początkujących z zasadą działania układu NE555. Wykonanie pierwszego, prostego przykładu jest również konieczne, przed realizacją bardziej rozbudowanych projektów, którymi zajmiemy się w kolejnej części kursu elektroniki!

Krótka historia NE555

Układ scalony typu NE555 został opracowany w 1970 roku, rok później trafił do masowej produkcji. Jego projektanci nie spodziewali się, że będzie on produkowany przez ponad 40 lat. Nawet dziś nikt nie myśli o zaprzestaniu produkcji tego układu.

Układ NE555 w obudowie przewlekanej.

Układ NE555 w obudowie przewlekanej. Źródło zdjęcia: Botland.com.pl

Wbrew pozorom, jego uniwersalność jest skutkiem prostoty. W strukturze tego układu wyróżniamy zaledwie pięć bloków, które można skonfigurować na rozmaite sposoby.


Układ typu NE555 jest sprzedawany w obudowach z ośmioma wyprowadzeniami. Dostępna jest również wersja zawierająca dwa takie układy czasowe w jednej obudowie z 14-oma wyprowadzeniami, znana jako NE556. W tym cyklu omówiona będzie wersja pojedyncza.

Oczywiście w momencie rozpoczęcia pracy z nowym układem scalonym koniecznie powinniśmy mieć pod ręką jego notę katalogową. Polecam przejrzeć ją później dla własnej ciekawości. W tej chwili warto spojrzeć na pinout, czyli opis wyprowadzeń:

Opis wyprowadzeń układu NE555.

Opis wyprowadzeń układu NE555.

Informacje na temat wszystkich wyprowadzeń zostały podane w dalszej części artykułu. Teraz można się zastanowić, co można wykonać z wykorzystaniem tak małego układu?

Bardzo wiele urządzeń: od prostej migającej diody świecącej, przez sterowniki serwomechanizmów i sygnalizatory dźwiękowe po regulatory mocy silnika. Każdy z tych układów wymaga odmierzania czasu, do czego 555 został stworzony!

Zestaw elementów do kursu

Gwarancja pomocy na forum Błyskawiczna wysyłka

Elementy konieczne do wykonania ćwiczeń zebrane zostały w gotowe zestawy, które można nabyć w Botlandzie. W wygodnym kuferku znajdziecie ponad 160 części elektronicznych!

Kup w Botland.com.pl

Budowa wewnętrzna NE555

Każdy układ scalony składa się z elementów takich jak tranzystory i rezystory. Oczywiście można je zgrupować w bloki funkcjonalne. Czyli we fragmenty struktury, które realizują proste funkcje.

Schemat blokowy obrazuje wzajemne połączenie bloków, które składają się na istotę działania. Znacząco uprasza to analizę układu. Dzięki temu bardzo łatwo można zobaczyć, za co "w środku" odpowiada dana nóżka (nr nóżki zaznaczony jest na niebiesko). Takie właśnie odwzorowanie NE555 znajduje się poniżej:

Schemat blokowy układu 555.

Schemat blokowy układu 555.

Aby wszyscy rozumieli, w podobnym stopniu, zasadę działania układu NE555 omówimy teraz poszczególne bloki widoczne na powyższym schemacie blokowym. Pamiętaj, że wszystkie elementy, które teraz omawiamy są już wewnątrz układu scalonego!

Blok 1 - Dzielnik napięcia

Trzy rezystory o jednakowych wartościach (typowo 5kΩ) tworzą znany Ci już dzielnik napięcia. Dzielą one napięcie zasilające, przykładane między nóżkę 8 (VCC) i 1 (GND) na trzy równe części, czyli na każdym odkłada się po 1/3 tego napięcia. Przykładowo, zasilając układ napięciem 6V, niższy węzeł ma potencjał 2V, a górny 4V.

NE555 - blok 1- dzielnik napięcia.

NE555 - blok 1- dzielnik napięcia.

Blok 2 - Komparatory napięcia

Trójkąty z dwoma wejściami i jednym wyjściem, to komparatory napięcia. Ich działanie zostało już szczegółowo opisane we wcześniejszym artykule, dlatego nie będzie tutaj omawiane.

NE555 - blok 2 - komparatory napięcia.

NE555 - blok 2 - komparatory napięcia.

Blok 3 - Przerzutnik RS

Prostokąt z pięcioma doprowadzeniami to przerzutnik RS. Jest to podzespół cyfrowy, który zapamiętuje stany wyjść komparatorów napięcia. Wysokie napięcie na wyjściu komparatora symbolizuje logiczne 1, a niskie logiczne 0.

NE555 - blok 3 - przerzutnik RS.

NE555 - blok 3 - przerzutnik RS.

Funkcje jego wyprowadzeń są następujące:

  • S - set - podanie stanu wysokiego powoduje ustawienie wyjścia Q w stan wysoki,
  • R - reset - podanie stanu wysokiego powoduje ustawienie wyjścia Q w stan niski,
  • RST - master reset - podanie stanu niskiego wyłącza wyjście Q niezależnie od stanu pozostałych dwóch wejść,
  • Q - wyjście przerzutnika,
  • Q - zanegowane wyjście przerzutnika (stan przeciwny do Q).

Zasada działania samego przerzutnika została pokazana na poniższej animacji. Zanim przejdziesz dalej upewnij się, że rozumiesz sposób, w jaki działa ten blok!

Zasada działania przerzutnika RS.

Zasada działania przerzutnika RS.

Przerzutnik RS jest bardzo prosty, lecz ma pewną wadę: jego wejścia sterujące (czyli R i S) mają ten sam priorytet.

Blok 4 - Bufor wyjściowy

Między wyjściem Q przerzutnika, a wyprowadzeniem OUT układu znajduje się bufor wyjściowy, którego zadaniem jest zwiększenie wydajności prądowej tego wyprowadzenia. Dzięki niemu, bezpośrednio do wyjścia NE555 można dołączać diody lub przekaźniki.

NE555 - blok 4 - bufor wyjściowy

NE555 - blok 4 - bufor wyjściowy

Wyjście samego przerzutnika nie podołałoby temu zadaniu, ponieważ struktura logiczna nie jest przystosowana do przewodzenia dużych prądów.

Blok 5 - Tranzystor

Jak już zostało wspomniane wcześniej, układ scalony, to głównie tranzystory. Czemu tutaj został wyróżniony ten jeden? Posiada on szczególną funkcję: rozładowuje zewnętrzny kondensator.

NE555 - blok 5 - tranzystor.

NE555 - blok 5 - tranzystor.

Sterowany jest z zanegowanego wyjścia przerzutnika, czyli otwiera się wtedy, kiedy wyjście Q jest w stanie niskim. Musi być to tranzystor o odpowiednio dużej wydajności prądowej, aby nie uległ uszkodzeniu po otwarciu - jego rolą jest szybkie rozładowanie kondensatora.

Zasada działania NE555

Sam NE555 nie jest w stanie robić niczego konstruktywnego - trzeba obudować go zewnętrznymi elementami. Ich wartości oraz układ połączeń decyduje o funkcjach układu.

W tym wypadku, najistotniejsze są dwie:

  1. generator astabilny,
  2. generator monostabilny.

Generator astabilny pracę rozpoczyna tuż po włączeniu zasilania i sam zmienia stan wyjścia z wysokiego na niski i przeciwnie. Każdy stan trwa zadaną ilość czasu. Takie zmiany powodują powstanie sygnału prostokątnego, ponieważ dominują w nim tylko dwa poziomy napięcia.

Generator monostabilny generuje tylko jeden impuls. Sygnał do jego wygenerowania przychodzi z zewnątrz i jest to napięcie o określonym poziomie logicznym. Po zakończeniu wytwarzania impulsu, przygotowuje się i czeka na następne wyzwolenie.


Omówienie układu astabilnego jest prostsze, mimo, iż składa się on z większej liczby elementów niż monostabilny. Jego schemat ideowy znajduje się poniżej. Do odmierzania czasu służą rezystory Ra, Rb i kondensator C1.

Układ NE555 w trybie astabilnym.

Układ NE555 w trybie astabilnym.

Teraz uruchom wyobraźnię i śledź tekst spoglądając na rysunek. Zakładamy, że cały układ jest zasilany napięciem 6V (czyli np. z naszych 4 baterii AA).

Po włączeniu zasilania, kondensator C1 jest rozładowany. Dolny komparator reaguje na to wystawieniem wysokiego stanu na swoim wyjściu, ponieważ potencjał na wejściu nieodwracającym (+) jest dużo wyższy od potencjału wejścia odwracającego (-), przyłączonego do kondensatora.

Tranzystor rozładowujący, sterowany z wyjścia zanegowanego, jest zatkany i nie przewodzi prądu. Wejście R znajduje się w stanie niskim, ponieważ wejście odwracające (-) górnego komparatora znajduje się na potencjale 2/3 napięcia zasilania, czyli 4V.

Po pewnym czasie, kiedy kondensator naładuje się do napięcia przekraczającego próg przełączenia dolnego komparatora (czyli powyżej 2V), ten da na swoim wyjściu stan niski. Nie zmienia to jednak niczego w pracy przerzutnika - zapamiętał stan wysoki z wejścia S i czeka. Kondensator ładuje się dalej.

Po naładowaniu kondensatora powyżej 4V, górny komparator zmienia stan swojego wyjścia na wysoki i resetuje wyjście przerzutnika. Wyjście Q ustawia się w stanie niskim, za to zostaje załączony tranzystor rozładowujący i wprowadzony w nasycenie. Można przyjąć, że nóżka 7 została niemal zwarta przez niego do masy.

Przez tranzystor płynie prąd z dwóch źródeł: przez rezystor Ra (ze źródła zasilania) i Rb (z kondensatora naładowanego do napięcia 4V).Ten pierwszy jest nieistotny, za to drugi jest bardzo ważny. W czasie rozładowywania kondensatora, na wyjściu OUT panuje stan niski i trwa on tak długo, jak długo napięcie na kondensatorze przekracza 2V.

Rozładowywanie kończy się w momencie zasygnalizowania przez dolny komparator, że napięcie na kondensatorze spadło poniżej 2V. Ustawia on wejście S przerzutnika, wyjście układu przyjmuje stan wysoki, a tranzystor rozładowujący zostaje zatkany. Cykl zamyka się.


Uzupełnieniem tego opisu jest szkic przebiegu czasowego najistotniejszych napięć w układzie: na kondensatorze, na wyjściu układu oraz na wejściach przerzutnika.

Ładowanie i rozładowywanie kondensatora przebiega łukami, ponieważ kondensator zasilany przez rezystor zmienia swoje napięcie w sposób wykładniczy.

Przebieg najważniejszych napięć wewnątrz NE555.

Przebieg najważniejszych napięć wewnątrz NE555.

Rola drugiego kondensatora

Na schematach ideowych wielu układów wykorzystujących NE555 znajduje się kondensator o niewielkiej pojemności (rzędu 10nF), przyłączony między wyprowadzenie 5, a masę. Filtruje on napięcie wytwarzane w górnym węźle dzielnika oporowego. Niektórzy twierdzą, że kondensator ten jest zbędny, ponieważ cały układ i tak jest zasilany z napięcia stałego, więc potencjał tego węzła nie może się zmieniać.

Powyższe rozumowanie jest poprawne do czasu wystąpienia przełączenia przerzutnika RS. Ten krótki moment, w czasie którego w układzie dzieje się bardzo wiele, musi być jednak pod nieustającą kontrolą komparatorów. Napięcia odniesienia, podawane przez rezystory dzielnika, nie mogą ulegać zmianom, ponieważ miałoby to wpływ na czas impulsów.

Pierwszy projekt na NE555

Pora na najciekawsze, czyli przykład praktyczny. Tym razem zbudujemy prosty układ, który będzie migał diodami świecącymi. Potrzebne elementy to:

  • układ scalony NE555,
  • trzy rezystory 1kΩ,
  • jeden rezystor 10kΩ,
  • dwa kondensatory 100nF,
  • jeden kondensator 1000uF,
  • zielona dioda świecąca,
  • czerwona dioda świecąca,
  • koszyk wraz z bateriami,
  • płytka stykowa z przewodami połączeniowymi.

Schemat ideowy układu nie różni się znacząco od tego, który był omawiany. Został jedynie dodany kondensator 100nF, który filtruje napięcie zasilania. Powinien zostać zamontowany bezpośrednio przy wyprowadzeniach 18 układu scalonego. Do wyjścia dołączono diody, które obrazują stan logiczny na wyjściu: zielona niski, a czerwona wysoki.

Schemat układu testującego działenie 555.

Schemat układu testującego działanie 555.

Złożenie tego prostego układu może wydawać się na początku dość zawiłe. Nic bardziej mylnego, wystarczy mieć dobrze opanowaną wiedzę z artykułu na temat czytania schematów.

Patrząc na schemat wyraźnie widać 3 główne "bloki":

  1. układ scalony,
  2. połączenie R1, R2 oraz  C3,
  3. połączenie LED1, LED2, R3, R4.

Zacznijmy od złożenia na płytce tych bloków. W moim przypadku wyglądało to tak:

Umieszczenie elementów na płytce stykowej.

Umieszczenie elementów na płytce stykowej.

Dodatkowo umieściłem od razu kondensatory C1 oraz C2. Teraz, gdy elementy są już ułożone możliwe było układanie kolejnych połączeń, co pokazałem na poniższych zdjęciach. Na każdym z ujęć widać dodanie połączeń od kolejnej nóżki NE555.

Teraz pora na podłączenie zasilania do odpowiednich punktów płytki stykowej. Jako pierwsza powinna świecić się dioda czerwona. Po kilku sekundach zgaśnie i na krótki moment włączy się zielona. W moim przypadku wyglądało to następująco:

Oczywiście, jak już pewnie się domyślasz parametry kondensatora i rezystorów wpływają na czas świecenia każdej z diod. Zachęcam do eksperymentów! Można przykładowo w obwodzie dodać potencjometr i płynnie regulować rezystancję. Można również wymienić kondensator. Poniżej widoczny jest efekt działania układu dla takiej modyfikacji.

Konfiguracja monostabilna układu NE555

NE555 jest znany również z innej strony, takiej jak generatory monostabilne, czyli generujące jeden impuls po wyzwoleniu. Schemat ideowy takiej konfiguracji jest prostszy:

Monostabilna konfiguracja NE555.

Monostabilna konfiguracja NE555.

Aby ten układ mógł poprawnie zadziałać, po włączeniu zasilania napięcie na wejściu wyzwalającym (nóżka 2) musi być wyższe od 1/3 napięcia zasilającego. Układ prawdopodobnie wygeneruje jeden impuls (ponieważ stan wewnętrzny przerzutnika nie jest znany) i wróci do stanu stabilnego, w którym tranzystor rozładowujący jest otwarty, a wyjście znajduje się w stanie niskim.

Po naładowaniu kondensatora do napięcia odpowiadającego progowi zadziałania górnego komparatora (2/3 napięcia zasilania), pobudzenie wejścia R przerzutnika powoduje wyłączenie wyjścia i rozładowanie kondensatora przez tranzystor. Układ przechodzi w stan spoczynku i czeka na kolejny impuls wyzwalający.

W tej części kursu nie będziemy zajmować się szerzej tą konfiguracją - wrócimy do niej później!

Wady i zalety NE555

Projektanci układu NE555 stworzyli nieskomplikowany układ, który posiada szereg zalet. Między innymi, można z łatwością konfigurować go na różne sposoby, wystarczy do tego kilka elementów biernych. Sam układ jest bardzo tani w produkcji.

Niestety, przyjęcie tak prostej struktury niesie za sobą sporo nieprzyjemnych konsekwencji. Pierwszą z nich jest duży pobór prądu, który jest skutkiem istnienia dzielnika napięcia z rezystorów o dosyć małej rezystancji. Ponadto, sama struktura jest (jak na dzisiejsze czasy) mocno przestarzała.

Kolejnym grzechem "trzech piątek" jest wydłużony pierwszy impuls w stosunku do pozostałych. Jeżeli dobrze wczytasz się w opis układu astabilnego, to zobaczysz, że stan wysoki tuż po włączeniu zasilania trwa ~2x dłużej niż następne. Jest to spowodowane koniecznością naładowania kondensatora od zera, podczas, gdy później rozładowuje się go do 1/3 napięcia zasilania.

Układ ten nie nadaje się do precyzyjnego odmierzania bardzo długich czasów. Przyczyną tego jest pobór prądu przez wejścia komparatorów. Są one tak pomyślane, aby pobierany prąd był zbliżony do zera, lecz on jednak istnieje i może zaburzać proces odliczania czasu.


Ograniczeń szybkości można doszukać się już w schemacie blokowym. Sygnały sterujące są generowane przez komparatory (które nie należą do szybkich układów), przechodzą one przez przerzutnik (on również potrzebuje czasu) i dopiero wtedy rozchodzą się dalej. Zatykanie tranzystora rozładowującego również jest procesem trwającym, jak na elektronikę, dosyć długo.

To powoduje, że producenci pozwalają na uzyskanie z tego układu zaledwie 500kHz lub niewiele więcej. W dobie gigahercowych procesorów jest to wartość niska, lecz nie należy się tym kierować budując swoje pierwsze układy.

Podsumowanie

W pierwszej części został omówiony sam układ NE555 wraz z dwiema typowymi aplikacjami. Podczas tego artykuł nie omówiono typowo praktycznych przykładów, ponieważ to będzie treścią kolejnego artykułu z tej serii.

Nawigacja kursu

Nie chcesz przeoczyć kolejnych części kursu? Skorzystaj z poniższego formularza i zapisz się na powiadomienia o nowych artykułach!

Autor: Michał (futrzaczek) Kurzela
Redakcja, zdjęcia, wideo: Damian (Treker) Szymański

diody, elektronika, kurs, miganie, ne555, przerzutnik

Załączniki

Komentarze

Dodaj komentarz