Описание и онлайн расчёт таймера NE555. Характеристики,
применение, схемы включения

Разновидности и модификации ИМС таймеров 555 серии – варианты исполнения на биполярных и полевых КМОП транзисторах

Легендарный таймер NE555 является одной из популярных интегральных микросхем, разработанной ещё в далёком 1972 году. Несмотря на свою древность, ИМС является довольно востребованной в радиолюбительском сообществе и до сих пор выпускается многими производителями.

Доступные аналоги 555 серии включают 556 серию (объединяющую два полных 555-х на одной микросхеме), и 558/559 (объединяющие четыре таймера с ограниченной функциональностью на одном кристалле). С точки зрения элементной базы, существуют варианты исполнения микросхем как на биполярных, так и на полевых КМОП транзисторах.

Первоначальная версия NE555 имеет ряд недостатков, как то: значительный ток потребления от источника питания, невысокое быстродействие, мощные токовые помехи в цепи питания во время каждого переключения выходного сигнала. Однако практически все эти недостатки устранены в более современных версиях 555-таймеров, в том числе и выполненных по КМОП-технологии. Приведём часть из этих модификаций вместе с некоторыми типовыми характеристиками в таблице. Следует отметить, что большинство их этих кристаллов не имеют такого мощного выходного каскада, как в типовой схеме NE555.

Структурная схема ИМС таймера NE555 (Рис. 1) состоит из цифровых и аналоговых функциональных элементов.


Рис.1 Упрощённая структурная схема таймера NE555

Назначение выводов таймера 555:

Вывод №1 – Земля
Вывод №2 – Запуск (триггер)
Выход переключается в состояние высокого уровня, если на этом выводе напряжение упадет ниже 1/3 от напряжения питания. В нестабильном режиме используется для контроля напряжения на времязадающем конденсаторе, в бистабильном режиме к нему подключается элемент коммутации, например, кнопка.
Вывод №3 – Выход
Вывод №4 – Сброс
При подаче на этот вывод напряжения низкого уровня произойдет сброс таймера и на выходе его установится напряжение низкого уровня. Если в схеме нет необходимости в режиме сброса, то данный вывод необходимо подключить к плюсу питания.
Вывод №5 – Контроль
Может использоваться для регулировки длительности импульсов на выходе путем подачи на него определённого уровня напряжения. Если этот вывод не используется, то его следует подключить к общему проводу через конденсатор 0,01мкФ.
Вывод №6 – Порог (Стоп)
При подаче на этот вывод напряжения, превышающего 2/3 от напряжения питания, работа таймера останавливается, и на выходе таймера устанавливается напряжение низкого уровня. Обычно используется для измерения напряжения на времязадающем конденсаторе.
Вывод №7 – Разряд
Этот вывод посредством внутреннего транзистора замыкается на «землю», когда выход внутреннего триггера находится состоянии "единицы" ("ноль" на выходе 555). Вывод используется в основном для разряда времязадающего конденсатора.
Вывод №8 – Питание

Рассмотреть работу NE555 можно на примере генератора прямоугольных импульсов:

Рис.2 Пример реализации генератора импульсов на таймере 555

В момент подачи питания конденсатор С1 разряжен, т. е. на неинвертирующем входе компаратора COMP1 и на инвертирующем входе COMP2 – 0 В. Такой режим NE555 соответствует состоянию, когда на выходе RS триггера устанавливается НИЗКИЙ уровень, а, соответственно, на выходе ИМС – ВЫСОКИЙ уровень.
При этом транзистор разряда закрыт и конденсатор начинает заряжаться через резисторы R1 + R2.
Когда напряжение на нём достигнет 2/3 от Еп питания, переключается вход "Порог" и на выходе RS триггера устанавливается ВЫСОКИЙ уровень, а выходной сигнал переходит в состояние НИЗКОГО уровня.
Одновременно происходит отпирание транзистора Т1, разряжающего конденсатор С1 на землю через резистор R2.
Далее схема переходит в колебательный режим. Напряжение на конденсаторе С1 периодически изменяется между значениями 1/3 и 2/3 от напряжения питания. При этом изменение напряжения на конденсаторе будет близко по форме к пилообразному сигналу, а с выхода схемы поступают импульсные колебания прямоугольной формы. Соотношения, связывающие длительности этих процессов выглядят следующим образом:

Время_нарастания_пилы = Длительность_импульса_высокого_уровня =
Т1 = 0.693(R1+R2)*C1;
Время_спада_пилы = Длительность_импульса_низкого_уровня =
Т2 = 0.693*R2*C1;
Период_колебаний = Т1 + Т2 = Т = 0.693(R1+2R2)*C1;
Частота_колебаний = 1/T = F = 1.443/((R1+2R2)*C1).

Онлайн калькулятор расчёта генератора на НА 555 таймере

Сопротивление резистора R1		кОм Ом МОм
Сопротивление резистора R2		кОм Ом МОм
Ёмкость конденсатора С1		МкФ  нФ пФ
Длительность высокого уровня (Т1)
Длительность низкого уровня (Т2)
Период импульса (Т)
Частота (F)

Как следует из формул, длительность "единицы" выходного импульса всегда выше длительности "нуля".

Для того, чтобы получить форму выходного импульса, максимально близкую к форме меандра, необходимо величину резистора R1 уменьшать до минимального значения (теоретически = 0). Однако при высоком номинале конденсатора С1 и нулевом значении резистора R1 существует опасность выхода из строя внутреннего транзисторного ключа, поэтому на практике значение R1 не следует выбирать менее 300 Ом.
Если всё же необходимо получить чистый меандр, то для КМОП исполнений таймеров 555 серии существует схема включения, приведённая на Рис.3.

Рис.3 Генератор меандра на КМОП версиях таймера 555

Для расчёта параметров выходных импульсов на калькуляторе, в качестве номинала резистора R1 следует подставить "0".
А если покопаться в свежих изданиях Хоровица и Хилла, то можно отыскать довольно простую схему генератора с регулируемой скважностью импульсов.

На Рис.4 показан способ изменения скважности сигнала от 0 до почти 100% при неизменной частоте следования. Частоту можно было бы считать постоянной и независимой от настройки скважности, если бы не эффект падения напряжения на диоде при зарядке. Чтобы уменьшить его воздействие, выбран диод Шоттки SD103C ( VF=0.3 V при 10 mA ).
Так же как и в предыдущем случае, генератор выполнен на КМОП версиях таймера 555.

Частота колебаний рассчитывается по формуле F = 1.443/(R2*C1), то есть она превышает в два раза значение, посчитанное на калькуляторе (при R1 = 0).

Рис.4 Генератор импульсов с изменяемой скважностью на КМОП версии 555-таймера

Описание 555-таймера получится сиротливым, если не упомянуть об одновибраторе, то есть – устройстве формирования импульса заданной длительности в ответ на некое запускающее событие (Рис.5).
Отрицательный фронт на входе «Запуск» переведёт вывод «Разряд» в высокоимпедансное состояние и переключит «Выход» в состояние ВЫСОКОГО уровня, начав тем самым рабочий цикл.

В момент, когда напряжение на конденсаторе С1 достигнет 2/3 от Еп цикл завершится, «Выход» опять вернётся в состояние НИЗКИЙ, контакт «Разряд» замкнётся на земляную шину и быстро разрядит конденсатор.

Ширина выходного импульса считается просто и составля- ет: T = 1.1R1*C1.


Рис.5 Схема одновибратора на 555-таймере

Входной дифференциатор (Rдиф, Cдиф) превращает входящий перепад напряжения в запускающий импульс, который должен быть по длительности меньше, чем выходной. Если на вход «Запуск» приходят только короткие импульсы, дифференциатор можно опустить.
КМОП вариант 555-таймера может выдавать импульсы от 1 мксек до 100 мин. Сверху длительность ограничивается током утечки конденсатора и входным током вывода «Порог». Если величина тока ниже 10 nA, то R1 можно выбирать номиналом вплоть до 10...100 MΩ. Снизу величина резистора ограничивается максимальным током вывода «Разряд» (∼15 mA при питании +5V).
В качестве запускающего импульса можно использовать как сигнал от некоего электронного узла, так и импульс, сформированный посредством кратковременного замыкания кнопки S1.

Сдобрим пройденный материал ещё одним калькулятором:

Онлайн калькулятор расчёта одновибратора на 555 таймере

Сопротивление резистора R1		кОм Ом МОм
Ёмкость конденсатора С1		МкФ  нФ пФ
Ширина (длительность) импульса
Ёмкость Cдиф не должна превышать