Určite poznáte, alebo ste sa už streli s integrovaným obvodom NE555, (poprípade NE556 - jeho zdvojená verzia), ktorý sme si popísali, respektíve jeho históriu od jeho vzniku aj v tomto článku - klikni. Ako sme už spomenuli, tak jeho využitie je univerzálne a nájdeme ho v rôznych zapojeniach od jednoduchých časovačov, klopných obvodov, generátorov signálu, spínačov.... Teraz sa pozrieme na jeho úplne základné zapojenia pri rôznych aplikáciách.

Vnútorná štruktúra obvodu

Vnútorná štruktúra časovača je popísaná na internete snáď "miliónkrát". Teda len v krátkosti. Základom obvodu je odporový delič (3 × 5kΩ rezistor), ktorý delí napájacie napätie na dve úrovne - 1/3 a 2/3 napájacieho napätia. Dva napäťové komparátory, klopný obvod RS, výstupný invertor a vybíjací tranzistor.

Principiálna schéma vnútorného zapojenia obvodu NE555.

Napájacie napätie je privedené na pin č. 8 sa rozdelí na tretiny, čím nastaví spúšťacie úrovne operačných zosilňovačov OZ1 (2/3 napájacieho napätia) a OZ2 (1/3 napájacieho napätia). Vstupom "Riadiace napätie (pin č. 5) možno tieto úrovne meniť. Ak klesne napätie na vstupe "Spúšťanie" (pin č. 2) pod referenčnú hodnotu (bežne 1/3 napájacieho napätia) otvorí sa OZ2, ktorý zopne klopný obvod. Na výstupe invertora a teda aj na výstupe obvodu (pin č. 3) sa objaví log. 1. Naopak, ak stúpne napätie na vstupe "Prah" (pin č. 6) nad referenčnú hodnotu (bežne 2/3 napájacieho napätia) otvorí sa OZ1, ktorý vypne klopný obvod. Na výstupe obvodu je log. 0.

Výstup z klopného obvodu ovláda nielen výstup (pin č. 3), ale je k nemu pripojený tzv. vybíjací tranzistor. Ak je na výstupe obvodu log. 0, je tranzistor otvorený a jeho emitor je pripojený ku GND. Tento tranzistor sa využíva v zapojení ako astabilný klopný obvod, kde automaticky vybíja kondenzátor.

Vstup 5 slúži na zmenu úrovní komparátorov. Často je však nevyužitýé a tak sa zapája cez kondenzátor malej kapacity proti GND. Kondenzátor potom slúži na filtrovanie napájacieho napätia a pomôže zvýšiť stabilitu obvodu.

Základné parametre NE555

Monostabilný zapojenie - monostabilný klopný obvod (MKO)

Ide o jedno zo základných zapojení obvodu NE555. Privedením impulzu na vstup sa obvod prepne zo stabilného vypnutého do nestabilného zopnutého stavu. V tomto stave zotrvá po dobu nastavenú rezistorom R1 a kondenzátorom C1. Potom sa opäť prepne do vypnutého stavu. Výstupný impulz je vždy dlhší ako vstupný impulz. Obvod možno použiť na predĺženie impulzu na definovanú dĺžku.

Po zapnutí je na výstupe log. 0. Výstup 7 (vybíjanie) je teda prepojený so zemou - vybíjací tranzistor je otvorený, piny 1 a 7 sú prepojené. Oba póly kondenzátora sú teda pripojené na GND - kondenzátor je vybitý. Na vstupe 2 (spúšťanie) by malo byť vyššie napätie než 1/3 napájacieho napätia - je teda nutné použiť pull-up rezistor. Privedením záporného impulzu (zostupnej hrany) na vstup 2, tak aby napätie na ňom kleslo pod 1/3 napájacieho napätia sa otvorí OZ2 a tým nastaví klopný obvod do zapnutého stavu. Výstup č. 3 sa nastaví do log. 1 a vybíjací tranzistor sa uzavrie. Kondenzátor sa začne cez R1 nabíjať. Po nabití kondenzátora nad 2/3 napájacieho napätia sa otvorí OZ1, ktorý vyresetuje klopný obvod. Dej pokračuje od začiatku.

Dĺžka impulzu je daná konštantou: t = ln(3) * R₁ * C₁ * ln(3) [s; 1,0986, Ω, F]

Oneskorené vypnutie

Obvod je podobný monostabilnímu klopnému obvodu. Po privedení napájania sa výstup nastaví do log. 1. Po nastavenom čase sa prepne do log. 0 a v tomto stave naďalej zostane.

Po pripojení napájania je na vstupe 2 (spúšťanie) a vstupe 6 (prah) 0 V. Je teda otvorený OZ2, ktorý nastaví vnútorné klopný obvod do log.1. Na výstupe č. 3 je log. 1. Kondenzátor sa však nabíja cez rezistor R1. Keď napätie na kondenzátore stúpne nad 2/3 napájacieho napätia OZ1 sa otvorí a dôjde k resetu klopného obvodu. Napätie na výstupe klesne na 0V.

Dĺžka oneskorenia je daná konštantou: t = ln(3) * R₁ * C₁ [s; 1,0986, Ω, F]

Oneskorené zapnutie

Obvod je veľmi podobný obvodu pre oneskorené vypnutie. Po pripojení napájacieho napätia je na výstupe log. 0. Po nastavenom čase sa výstup nastaví na log. 1 a v tomto stave už zostane.

Po pripojení napájania je na vstupe 2 (spúšťanie) a vstupe 6 (prah) napájacie napätie. OZ2 je uzavretý o OZ1 otvorený - resetuje vnútorné klopný obvod; na výstupe č. 3 je log. 0. Kondenzátor C1 sa však nabíja cez rezistor R1 a napätie na vstupe 2 klesá. Pri poklese pod 1/3 napájacieho napätia sa OZ2 otvorí, tým sa nastaví klopný obvod a teda aj výstup do log. 1.

Dĺžka oneskorenia je daná konštantou: t = ln(3) * R₁ * C₁ [s; 1,0986, Ω, F]

Astabilný klopný obvod - AKO (multivibrátor)

Základné zapojenie časovača 555 je astabilný klopný obvod. Je to klopný obvod, ktorý nemá ani jeden stabilný stav a tak sa periodicky preklápa z jedného stavu do druhého.

Po pripojení napájania je na kondenzátore 0 V. OZ1 (reset) je uzavretý a OZ2 (set) je otvorený. Výstupný klopný obvod je teda nastavený a na výstupnom pine č. 3 je log. 1. Vybíjací tranzistor je uzavretý. Cez sériovo zapojené rezistory R1 a R2 sa však kondenzátor nabíja. Keď dôjde k jeho nabitiu na viac ako 1/3 napájacieho napätia OZ2 sa uzavrie. To však nemá na výstup vplyv, pretože klopný obvod RS si drží svoj stav. Pri nabití kondenzátora na viac ako 2/3 napájacieho napätia sa otvorí OZ1, ktorý resetuje klopný obvod. Výstup sa zmení na log. 0. Avšak pri neaktívnom výstupe sa otvorí vybíjací tranzistor, ktorý prepojí pin č. 7 s GND. Kondenzátor sa začne vybíjať cez R2, jeho napätie klesá a pri poklese pod 1/3 napájacieho napätia sa vnútorný klopný obvod a tým aj výstup nastaví do log. 1. Celý dej sa periodicky opakuje.

Z opisu je jasné, že na nabíjanie kondenzátora majú vplyv oba rezistory (R1 aj R2), na vybíjanie kondenzátora má vplyv iba rezistor R2. Strieda výstupného signálu teda nemôže byť 1: 1. Rezistor R1 nemožno vynechať, pretože pri zopnutom vybíjacom tranzistore by ním tiekol skratový prúd zdroja.

• Doba nabíjania (log. 1 na výstupe) je t_nab = 0,693 * (R₁ + R₂) * C₁ [s; Ω, Ω, F]
• Doba vybíjania (log. 0 na výstupe) je t_vyb = 0,693 * R₂ * C₁ [s; Ω, F]
• Dĺžka periódy je t_per = t_nab + t_vyb [s; s, s] = 0,693 * (R₁ + 2R₂) * C [Ω, Ω, F]
• Frekvencia výstupu je f = 1 / t_per [Hz; s] = 1.44 / ((R₁ + 2R₂) * C)

Jednoduchou úpravou obvodu možno upraviť časovač tak, aby bolo možné na výstupe vytvoriť signál zo striedou 1: 1.

Funkcia je podobná predchádzajúcemu zapojeniu. Avšak vložením diódy do obvodu dôjde k tomu, že kondenzátor je nabíjaný cez rezistor R1 a sériovo zapojenú diódu D1. Vybíjaný je následne cez rezistor R2. Jednotlivými rezistormi možno teda nastaviť dobu zapnutia a vypnutia výstupu. Je však nutné počítať s úbytkom napätia na dióde a jej tepelnou závislosťou.

• Doba nabíjania (log. 1 na výstupe) je t_nab = 0,693 * R₁ * C₁ [s; Ω, F]
• Doba vybíjania (log. 0 na výstupe) je t_vyb = 0,693 * R₂ * C₁ [s; Ω, F]
• Dĺžka periódy je t_per = t_nab + t_vyb [s; s, s] = 0,693 * (R₁ + R₂) * C1 [Ω, Ω, F]
• Frekvencia výstupu je f = 1 / t_per

Bistabilný klopný obvod (klopný obvod RS)

Bistabilný zapojenie (BKO) má dva stabilné stavy v ktorých zotrváva, kým nedôjde k jeho prepnutiu vonkajším signálom. Ide v podstate o samostatný obvod RS. Zapojenie je možné využiť napr. pre ovládanie výstupu dvoma tranzistormi, alebo tlačidlami - jedným tlačidlom sa výstup zopne, druhým sa výstup vypne.

Princíp obvodu je veľmi jednoduchý. Po pripojení napájania je na výstupe (pin č. 3) log. 0. Na vstupe 2 (spúšťanie) je kladné napájacie napätie, takže nedochádza k "zopnutiu" OZ2 a tým nastavenie vnútorného klopného obvodu. Rovnako tak nedochádza k resetu, pretože vstup "Reset" reaguje na pokles napätia. Stlačením tlačidla "START" dôjde k zníženiu napätia na vstupe 2, "zopnutie" OZ2 a tým nastavenie vnútorného klopného obvodu do log. 1. Stlačením tlačidla "STOP" dôjde k poklesu napätia na vstupe "Reset" a tým vyresetovanie vnútorného KO - na výstupe je log. 0.

Na podobnom princípe funguje zapojenie nižšie ...

Po pripojení napájania je na výstupe (pin č. 3) log. 0. Na vstupe 2 (spúšťanie) je kladné napájacie napätie, takže nedochádza k "zopnutiu" OZ2 a tým nastaveniu vnútorného klopného obvodu. Na vstupe 6 (prah) je 0 V, takže nedochádza k "zopnutiu" OZ1 a tým resete vnútorného klopného obvodu. Stlačením tlačidla "START" dôjde k zníženiu napätia na vstupe 2, "zopnutiu" OZ2 a tým nastavenie vnútorného klopného obvodu do log. 1. Stlačením tlačidla "STOP" dôjde k zvýšeniu napätia na vstupe 6, "zopnutiu" OZ1 a tým k resetu vnútorného klopného obvodu do log. 0.

Schmittov klopný obvod (prahový spínač)

Schmittov klopný obvod je jednoduchý obvod s hysteréziou. Obvod pracuje v troch pásmach. Ak je na vstupe menšie napätie ktoré 1/3 napájacieho napätia je na výstupe log. 1. Ak je na vstupe napätie medzi 1/3 a 2/3 napájacieho napätia výstup sa nemení - obvod drží predchádzajúci stav. Ak napätie na vstupe stúpne nad 2/3 je na výstupe log. 0. Využiť ho možno napr. ako termostat, čidlá osvetlenia, atď., aby nedochádzalo k častému spínaniu výstupu.

Stav výstupu nezáleží iba na aktuálnom stave vstupu ale aj na minulom stave výstupu - obvod si pamätá posledný stav a zmení ho až po splnení podmienky na vstupe. Ak je po privedení napájania na vstupe 0 V, "zopne" sa OZ2, nastaví sa vnútorný klopný obvod a výstup na log. 1. Keď napätie stúpa, tak sa postupne OZ2 "vypne", ale výstup sa nemení. Klopný obvod si pamätá svoj stav. Pri prekročení 2/3 Ub na vstupe sa "zopne" OZ1 a tým sa  vyresetuje vnútorný klopný obvod a teda aj výstup. Pri poklese napätia na vstupe sa opäť čaká až napätie klesne pod 1/3 napájacieho napätia. Výstup obvodu je invertovaný - pri 0 V na vstupe je na výstupe log. 1, pri napätí na vstupe je na výstupe 0 V. Obvod možno teda použiť aj ako invertor.

Generátor PWM (pulzne šírková modulácia)

Toto zapojenie na svojom výstupe generuje PWM signál podľa nastavenia potenciometra. Obvod je možné použiť pre reguláciu výkonu vo jednosmernom obvode - riadenie intenzity osvetlenia, otáčok motora a pod.

Obvod funguje podobne ako astabilný klopný obvod. Kondenzátor je nabíjaný cez R1 a časť R2. Vybíjanie je cez zvyšnú časť R2. Napätie je sledované vstupom Prah aj Spúšťanie. Podľa napätie na kondenzátore umožnenia kontroly na zopnutie, alebo vypnutie výstupu. Frekvencia na výstupe je približne konštantná. Mení sa strieda signálu (pomer zapnuté / vypnuté).

• Výstupná frekvencia: f = 1.2 / (C1 * (R1 + R2)) [Hz; F, Ω, Ω]
• Strieda: 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 počítať s aktívnou časťou rezistora)
• Čas výstupu v log. 0: t = 0.7 * R2 * C1 [s; Ω, F] (u R2 je nutné počítať s aktívnou časťou rezistora)

Zdroje :

Hájek Jan Ing.: Časovač 555 – praktická zapojení, BEN - technická literatura, 2002

THE 555 TIMER IC - An Interview with Hans Camenzind [online]. 2004-06 [cit. 2009-12-26]. Dostupné online. (anglicky)

Data Sheet NE555 (PDF) (anglicky)

PWM wikipedia

NE555 wikipedia

Mylmys.cz