Zapojení časovače 555

Integrovaný obvod NE 555 (případně jeho zdvojená verze 556) je jeden z nejznámějších integrovaných obvodů vůbec. Jde o jednoduchý analogový časovač (v případe verze 556 dvojitý časovač), který jde zapojit mnoha způsoby. Ve spoustě aplikací je jeho použití přežitek, protože existují specializovanější obvody. Ale kde je třeba třeba rozblikat ledku, nebo prodloužit signál, lze ho bez problémů použít.

• Vnitřní struktura
• Monostabilní zapojení (ovládané zpožděné vypnutí, prodloužení impulzu)
• Zpožděné vypnutí
• Zpožděné zapnutí
• Astabilní zapojení (multivibrátor)
• Bistabilní zapojení (klopný obvod RS)
• Schmittův klopný obvod (prahový spínač)
• Generátor PWM (pulsně šířková modulace)

Vnitřní struktura

Vnitřní struktura časovače je popsaná na internetu snad „milionkrát“. Tedy jen v krátkosti. Základem obvodu je odporový dělič (3 × 5kΩ rezistor), který dělí napájecí napětí na dvě úrovně – 1/3 a 2/3 napájecího napětí. Dva napěťové komparátory, klopný obvod RS, výstupní invertor a vybíjecí tranzistor.

Napájecí napětí přivedené na pin č. 8 se rozdělí na třetiny, čímž nastaví spouštěcí úrovně operačních zesilovačů OZ1 (2/3 napájecího napětí) a OZ2 (1/3 napájecího napětí). Vstupem „Řídící napětí (pin č. 5) lze tyto úrovně měnit. Klesne-li napětí na vstupu „Spouštění“ (pin č. 2) pod referenční hodnotu (běžně 1/3 napájecího napětí) otevře se OZ2, který sepne klopný obvod. Na výstupu invertoru a tedy i na výstupu obvodu (pin č. 3) se objeví log. 1. Naopak, stoupne-li napětí na vstupu „Práh“ (pin č. 6) nad referenční hodnotu (běžně 2/3 napájecího napětí) otevře se OZ1, který vypne klopný obvod. Na výstupu obvodu je log. 0.

Výstup z klopného obvodu ovládá nejen výstup (pin č. 3), ale je k němu připojen tzv. vybíjecí tranzistor. Pokud je na výstupu obvodu log. 0, je tranzistor otevřen a jeho emitor je připojen ke GND. Tohoto tranzistoru se využívá u astabilních klopných obvodů, kde automaticky vybíjí kondenzátor.

Vstup 5 slouží ke změně úrovní komparátorů. Často ho není potřeba a tak se zapojuje přes kondenzátor malé kapacity proti GND. Kondenzátor pak slouží k filtrování napájecího napětí a může zvyšovat stabilitu obvodu.

Monostabilní zapojení

Jde o jedno ze základních zapojení obvodu NE555. Přivedením impulzu na vstup se obvod přepne ze stabilního vypnutého stavu do nestabilního sepnutého stavu. V tomto stavu setrvá po dobu nastavenou rezistorem R1 a kondenzátorem C1. Poté se opět přepne do vypnutého stavu. Výstupní impulz je vždy delší než vstupní impulz. Obvod lze použít k prodloužení impulzu na definovanou délku.

Po zapnutí je na výstupu log. 0. Výstup 7 (vybíjení) je tedy propojen se zemí – vybíjecí tranzistor je otevřen, piny 1 a 7 jsou propojeny. Oba póly kondenzátoru jsou tedy připojeny na GND – kondenzátor je vybitý. Na vstupu 2 (spouštění) by mělo být vyšší napětí než 1/3 napájecího napětí – je tedy nutné použít pull-up rezistor. Přivedením záporného impulzu (sestupné hrany) na vstup 2, tak aby napětí na něm kleslo pod 1/3 napájecího napětí se otevře OZ2 a tím nastaví klopný obvod do zapnutého stavu. Výstup č. 3 se nastaví do log. 1 a vybíjecí tranzistor se uzavře. Kondenzátor se začne přes R1 nabíjet. Po nabití kondenzátoru nad 2/3 napájecího napětí se otevře OZ1, který vyresetuje klopný obvod. Děj pokračuje od začátku.

• Délka impulsu: t = ln(3) * R₁ * C₁ * ln(3) [s; 1,0986, Ω, F]
• Kalkulačka na výpočet času, nebo rezistoru R1

Zpožděné vypnutí

Obvod podobný monostabilnímu klopnému obvodu. Po přivedení napájení se výstup nastaví do log. 1. Po nastaveném čase se přepne do log. 0 a v tomto stavu nadále zůstane.

Po připojení napájení je na vstupu 2 (spouštění)  a vstupu 6 (práh) 0 V. Je tedy otevřen OZ2, který nastaví vnitřní klopný obvod do log.1. Na výstupu č. 3 je log. 1. Kondenzátor se však nabíjí přes rezistor R1. Když napětí na kondenzátoru stoupne nad 2/3 napájecího napětí OZ1 se otevře a dojde k resetu klopného obvodu. Napětí na výstupu klesne na 0V.

• Délka zpoždění: t = ln(3) * R₁ * C₁ [s; 1,0986, Ω, F]

Zpožděné zapnutí

Obvod je velice podobný obvodu pro zpožděné vypnutí. Po připojení napájecího napětí je na výstupu log. 0. Po nastaveném čase se výstup nastaví na log. 1 a v tomto stavu už  zůstane.

Po připojení napájení je na vstupu 2 (spouštění) a vstupu 6 (práh) napájecí napětí. OZ2 je uzavřen o OZ1 otevřen – resetuje vnitřní klopný obvod; na výstupu č. 3 je log. 0. Kondenzátor C1 se však nabíjí přes rezistor R1 a napětí na vstupu 2 klesá. Při poklesu pod 1/3 napájecího napětí se OZ2 otevře, tím se nastaví klopný obvod a tedy i výstup do log. 1.

• Délka zpoždění: t = ln(3) * R₁ * C₁ [s; 1,0986, Ω, F]

Astabilní zapojení (multivibrátor)

Základní zapojení časovače 555 je astabilní klopný obvod. Je to klopný obvod, který nemá ani jeden stabilní stav a tak se periodicky překlápí z jednoho stavu do druhého.

Po připojení napájení je na kondenzátoru 0 V. OZ1 (reset) je uzavřen a OZ2 (set) je otevřen. Výstupní klopný obvod je tedy nastaven a na výstupním pinu č. 3 je log. 1. Vybíjecí tranzistor je uzavřen. Přes sériově zapojené rezistory R1 a R2 se však kondenzátor nabíjí. Když dojde k jeho nabití na více než 1/3 napájecího napětí OZ2 se uzavře. To však nemá na výstup vliv, protože klopný obvod RS si drží svůj stav. Při nabití kondenzátoru na více než 2/3 napájecího napětí se otevře OZ1, který resetuje klopný obvod. Výstup se změní na log. 0. Avšak při neaktivním výstupu se otevře vybíjecí tranzistor, který propojí pin č. 7 s GND. Kondenzátor se začne vybíjet přes R2, jeho napětí klesá a při poklesu pod 1/3 napájecího napětí se vnitřní klopný obvod a tím i výstup nastaví do log. 1. Celý děj se periodicky opakuje.

Z popisu je jasné, že na nabíjení kondenzátoru mají vliv oba rezistory (R1 i R2), na vybíjení kondenzátoru mí vliv pouze rezistor R2. Střída výstupního signálu tedy nemůže být 1:1. Rezistor R1 nelze vynechat, protože při sepnutém vybíjecím tranzistoru by jím tekl zkratový proud zdroje.

• Doba nabíjení (log. 1 na výstupu) je t_nab = 0,693 * (R₁ + R₂) * C₁ [s; Ω, Ω, F]
• Doba vybíjení (log. 0 na výstupu) je t_vyb = 0,693 * R₂ * C₁ [s; Ω, F]
• Délka periody je t_per = t_nab + t_vyb [s; s, s] = 0,693 * (R₁ + 2R₂) * C [Ω, Ω, F]
• Frekvence výstupu je f = 1 / t_per [Hz; s] = 1.44 / ((R₁ + 2R₂) * C)

Jednoduchou úpravou obvodu lze upravit časovač tak, aby bylo možné na výstupu vytvořit signál se střídou 1:1.

Funkce je podobná předchozímu zapojení. Avšak vložením diody do obvodu dojde k tomu, že kondenzátor je nabíjen přes rezistor R1 a sériově zapojenou diodu D1. A vybíjen je přes rezistor R2. Jednotlivými rezistory lze tedy nastavit dobu zapnutí a vypnutí výstupu. Je však nutné počítat s úbytkem napětí na diodě a její tepelnou závislostí. Viz Generátor obdelníkového signálu.

• Doba nabíjení (log. 1 na výstupu) je t_nab = 0,693 * R₁ * C₁ [s; Ω, F]
• Doba vybíjení (log. 0 na výstupu) je t_vyb = 0,693 * R₂ * C₁ [s; Ω, F]
• Délka periody je t_per = t_nab + t_vyb [s; s, s] = 0,693 * (R₁ + R₂) * C1 [Ω, Ω, F]
• Frekvence výstupu je f = 1 / t_per

Bistabilní zapojení (klopný obvod RS)

Bistabilní zapojení má dva stabilní stavy ve kterých setrvává, dokud nedojde k přepnutí vnějším signálem. Jde v podstatě o samostatný obvod RS. Zapojení lze využít např. pro ovládání výstupu dvěma tranzistory, nebo tlačítky – jedním tlačítkem se výstup sepne, druhým se výstup vypne. Podobný obvod lze realizovat pomocí relé, jako tzv. samodrž.

Princip obvodu je velice jednoduchý. Po připojení napájení je na výstupu (pin č. 3) log. 0. Na vstupu 2 (spouštění) je kladné napájecí napětí, takže nedochází k „sepnutí“ OZ2 a tím nastavení vnitřního klopného obvodu. Stejně tak nedochází k resetu, protože vstup „Reset“ reaguje na pokles napětí. Stisknutím tlačítka „START“ dojde ke snížení napětí na vstupu 2, „sepnutí“ OZ2 a tím nastavení vnitřního klopného obvodu do log. 1. Stisknutím tlačítka „STOP“ dojde k poklesu napětí na vstupu „Reset“ a tím vyresetování vnitřního KO – na výstupu je log. 0.

Na podobném principu funguje zapojení níže…

Po připojení napájení je na výstupu (pin č. 3) log. 0. Na vstupu 2 (spouštění) je kladné napájecí napětí, takže nedochází k „sepnutí“ OZ2 a tím nastavení vnitřního klopného obvodu. Na vstupu 6 (práh) je 0 V, takže nedochází k „sepnutí“ OZ1 a tím resetu vnitřního klopného obvodu. Stisknutím tlačítka „START“ dojde ke snížení napětí na vstupu 2, „sepnutí“ OZ2 a tím nastavení vnitřního klopného obvodu do log. 1. Stisknutím tlačítka „STOP“ dojde ke zvýšení napětí na vstupu 6, „sepnutí“ OZ1 a tím k resetu vnitřního klopného obvodu do log. 0.

Schmittův klopný obvod (prahový spínač)

Schmittův klopný obvod je jednoduchý obvod s hysterezí. Obvod pracuje ve třech pásmech. Pokud je na vstupu menší napětí něž 1/3 napájecího napětí je na výstupu log. 1. Pokud je na vstupu napětí mezi 1/3 a 2/3 napájecího napětí výstup se nemění – obvod drží předchozí stav. Pokud napětí na vstupu stoupne nad 2/3 je na výstupu log. 0. Využít ho lze např. u termostatu, čidla osvětlení, atd., aby  nedocházelo k častému spínání výstupu.

Stav výstupu nezáleží pouze na aktuálním stavu vstupu ale i na minulém stavu výstupu – obvod si pamatuje poslední stav a změní ho až po splnění podmínky na vstupu. Pokud je po přivedení napájení na vstupu 0 V, „sepne“ se OZ2, nastaví se vnitřní klopný obvod a výstup na log. 1. Když napětí stoupá, tak se postupně OZ2 „vypne“, ale výstup se nemění. Klopný obvod si pamatuje svůj stav. Při překročení 2/3 Ub na vstupu se „sepne“ OZ1 a tím vyresetuje vnitřní klopný obvod a tedy i výstup. Při poklesu napětí na vstupu se opět čeká až napětí klesne pod 1/3 napájecího napětí. Výstup obvodu je invertovaný – při 0 V na vstupu je na výstupu log. 1, při napětí na vstupu je na výstupu 0 V. Obvod lze tedy použít i jako invertor.

Generátor PWM (pulsně šířková modulace)

Toto zapojení na svém výstupu generuje PWM signál podle nastavení potenciometru. Obvod lze použít pro regulaci výkonu ve stejnosměrném obvodu – řízení intenzity osvětlení, otáček motoru apod.

Obvod funguje obdobně jako astabilní klopný obvod. Kondenzátor je nabíjen přes R1 a část R2. Vybíjen je přes zbylou část R2. Napětí je sledováno vstupem Práh i Spouštění. Podle napětí na kondenzátoru doje k sepnutí, nebo vypnutí výstupu. Frekvence na výstupu je přibližně konstantní. Mění se střída signálu (poměr zapnuto/vypnuto).

• Výstupní frekvence: f = 1.2 / (C1 * (R1 + R2)) [Hz; F, Ω, Ω]
• Střída: R1 / (R1 + R2) [Ω, Ω, Ω]
• Čas výstupu v log. 1: t = 0.7 * (R1 + R2) * C1 [s; Ω, Ω, F] (u R2 je nutné počítat s aktivní částí rezistoru)
• Čas výstupu v log. 0: t = 0.7 * R2 * C1 [s; Ω, F] (u R2 je nutné počítat s aktivní částí rezistoru)