Работа микросхемы 555 в режиме таймера, три разновидности схем. Недоговорки даташита. Устранение самопроизвольного запуска.

Автор: ZEVC77
Опубликовано 17.02.2023
Создано при помощи КотоРед.

В этой публикации не будет рассматриваться принцип работы микросхемы 555, на эту тему написано множество других статей и книг. Речь здесь пойдет о специфических особенностях применения микросхемы 555 в режиме включения таймером(одновибратором).

Схема таймера в которой длительность запускающего импульса должна быть меньше выходного

Рис.1

Это типовая схема включения 555 в режиме таймера(одновибратора), которая приводится в даташите. Для большей наглядности схема дополнена кнопкой запуска и светодиодом.
Подробное описание принципа ее работы можно найти в интернете или например в [4, 7].

Что произойдет если длительность запускающего импульса (нажатия кнопки) превысит время задержки таймера?
В этом случае, таймер запустится, выход микросхемы переключится в состояние логической единицы, но отсчета времени не произойдет, т. к. задействованный вход (выв.2) будет мешать переключению триггера в исходное состояние (см. рис.2). В состояние логического нуля выход перейдет только после отпускания кнопки.
По этой причине длительность запускающего импульса всегда должна быть меньше выходного.

Рис.2. Упрощенная схема внутреннего устройства микросхемы (из даташита)

Есть у этой схемы и более существенный недостаток - это самопроизвольный запуск таймера.
Даташит рекомендует подключать к выводу 5 микросхемы конденсатор емкостью 0,01 мкФ, якобы это защищает микросхему от высокочастотных помех. А то что таймер может самопроизвольно запуститься любой "иголкой" попавшей на вход (выв.2), умалчивает.
Чтобы убедится в этом, достаточно коснуться пинцетом входа таймера.

Допустим, длина соединительных проводов между кнопкой управления и схемой составит один метр. Что произойдет? Очевидно, что ложные срабатывания таймера гарантированны.

А если вместо кнопки необходимо подключить схему управления? Ведь наводки возникают не только в длинных проводах, сами схемы также могут быть источником помех. Короткие импульсы, например, могут появиться в некоторых датчиках, а также при переключении триггеров.

В этой схеме недостаток самопроизвольного запуска решается достаточно просто - установкой интегрирующей цепи на входе.

Рис.3

Конденсатор C1 заряжается через R1 относительно медленно (0,01сек), соответственно напряжение на выв.2 находится выше порога срабатывания таймера. Делитель R2R1 выбран таким образом, что после заряда конденсатора С1, напряжение на выв.2 становится меньше порога срабатывания таймера (меньше 1/3Uп.). После отпускания кнопки конденсатор разряжается через R2. Время разряда C1 через R2 должно быть меньше, чем время задержки таймера.

Примечания:
а) В этой схеме и всех последующих, соединители X1, X2 показаны условно, и означают, что вместо кнопки можно подключить логический элемент или ключ с открытым коллектором, а вместо светодиода - тиристор, электромагнитное реле и т.п. Согласно даташиту микросхема выдерживает ток нагрузки до 200мА. Однако, не уточняется сколько времени "протянет" микросхема при таком токе;
б) Расчет длительности выходного импульса таймера производится по формуле t=1,1*R*C, где t в секундах, R в мегаомах, C в микрофарадах, одинакова для всех последующих схем включения 555;
в) Разряд конденсатора С2 при выключении питания:
Напряжение питания при выключении, как правило, уменьшается плавно. Если такое произошло в момент зарядки конденсатора C2 и закрытого ключа (выв.7), то уменьшение напряжения питания приведет к тому, что напряжение на резистивном делителе верхнего компаратора (рис.2) станет меньше чем напряжение на конденсаторе C2, в результате компаратор сработает, включая по цепочке триггер и ключ (выв.7). Это состояние будет удерживаться до минимально допустимого Uп микросхемы. Конденсатор C2 в таком случае успеет разрядится через открытый ключ.
В случае резкого пропадания питания в момент зарядки C2, конденсатор разрядится по другой цепи (см. дальше).

Схема таймера в которой длительность запускающего импульса должна быть больше выходного

Рис.4

В данном включении микросхема представляет собой триггер Шмидта (выв.2 и 6 соединены вместе) На входе стоит интегрирующая цепь R2C1. При таком включении импульсные помехи на схему не действуют. Интегрирующая цепь одновременно выполняет функцию времязадающей цепи.

Что произойдет если длительность запускающего импульса будет меньше времени интегрирующей цепи? Да, ничего. Таймер не переключится, так как напряжение на конденсаторе не успеет вырасти выше порога переключения.

Схему можно выполнить как с подключением конденсатора к минусу источника питания (рис.4), так и к плюсу (рис.5)

Рис.5

В этих двух схемах имеются свои специфические достоинства и недостатки, ограничивающие сферу их применения:
Достоинства:
вывод 7 не задействован и его можно использовать в качестве второго выхода, в схеме с открытым коллектором.
Недостатки:
а) На разрядку конденсатора требуется столько же времени, сколько и на зарядку, то есть вернуть таймер в начальное состояние после отпускания кнопки быстро не получится.
б) Долгий возврат таймера в исходное состояние после выключения питания.

Схема решающая эти недостатки

Рис.6

Та же схема, но с запуском положительным импульсом

Рис.7

Транзисторный ключ VT1 через резистор R3 быстро разряжают конденсатор после отпускания кнопки. Токоограничительный резистор R3 можно исключить из схемы, если поставить мощный транзистор с большим коэффициентом усиления (например MOSFET), тогда конденсатор будет разряжаться практически мгновенно.

Вывод 7 микросхемы, в данном случае, нельзя использовать для разряда конденсатора, так как начнется процесс генерации импульсов высокой скважности.

Разрядка конденсатора после выключения питания происходит по цепи диод VD1 резистор Rнагр.
Разряд конденсатора может потребоваться, если вместо кнопки подключена схема управления. Если, например, отключение питания произойдет в процессе заряда конденсатора, тогда транзистор VT1 окажется закрытым.
От сопротивления нагрузки (Rнагр) напрямую зависит то, насколько быстро произойдет разряд конденсатора после выключения питания и соответственно возврат таймера в исходное состояние. Cопротивление нагрузки не может быть меньше, чем максимальный ток блока питания. При отсутствии Rнагр, разряд конденсатора происходит через питание самой микросхемы 555, гораздо медленнее.

Кроме того, практическим путем было установлено, что отсутствие диода VD1 не влияет на скорость разряда конденсатора, его можно и не ставить. В реальности разрядный ток проходит через внутренний защитный диод микросхемы и дальше на резистор нагрузки. На приводимых в даташитах принципиальных схемах внутреннего устройства микросхемы 555 защитные диоды по входам (выв.2 и 6) не показаны, что приводит к путанице. Это относится как к микросхемам собранным на биполярных транзисторах, так и на полевых (7555).

У этой схемы существуют функциональные аналоги.
Например, таймеры выполненные на на логических элементах 561ТЛ1 и 561ЛП2 (рис.8, 9).
Их целесообразно использовать, когда количество таймеров в схеме больше одного, так как в одном корпусе (14 выв.) содержится четыре одинаковых элемента.
Такие схемы хорошо подходят для подавления импульсных помех и дребезга контактов.

Логические элементы в таком включении представляют собой нелинейный усилитель с положительной обратной связью. В ТЛ1 положительная обратная связь (ПОС) выполнена внутри элемента, а в ЛП2 внешняя — образованна времязадающим конденсатором.
Если ТЛ1 изначально является триггером Шмидта, то ЛП1 сделан таким за счет введения внешней ПОС.
В схеме 555 триггер Шмидта выполнен по совершенно другому принципу:
Это два компаратора без ПОС. Каждый компаратор настроен на свое напряжение срабатывания. К выходам компараторов подключен двухстабильный триггер, запоминающий состояние сработавшего компаратора (см. рис.2).
Если в ТЛ1 и ЛП2 диапазон напряжения между переключением(гистерезис) определяется глубиной ПОС, то в схеме 555 - резистивным делителем на входе компараторов.

Рис.8. Схема на элементе 561ТЛ1

Рис.9. Схема на элементе 561ЛП2

Существенным недостатком элементов ТЛ1 и ЛП2 является слаботочный выход (0,5 мА), напрямую подключить к нему нагрузку, например реле, не получится.
В книгах [5, 6] можно найти другие схемы таймеров на логических элементах.

Примечания:
Схему ЛП2 лучше использовать при времени задержки не более 1 сек. В этой схеме необходимо ставить времязадающую цепь, которая существенно большее по сопротивлению и емкости , чем в 555, при том же времени задержки. Процесс заряда/разряда конденсатора в этом элементе, происходит относительно 1/2 напряжения питания, а не 2/3 и 1/3 напряжения питания, как в схеме 555. Также, если время задержки превышает одну секунду, необходимо использовать неполярный электролитический конденсатор. Конденсатор в ЛП2 перезаряжается напряжением разной полярности при нажатии и отпускании кнопки.
В элементе ТЛ1 процесс заряда/разряда конденсатора происходит аналогично схеме 555, но в диапазоне чуть меньшем, чем в 555, этот диапазон расширяется с ростом напряжения. Так, например, при напряжении питания 5В диапазон составляет 0,44*Uп и 0,56*Uп, а при питании 10В 0,4*Uп и 0,6*Uп соответственно.
Разрядка конденсатора после выключении питания в ТЛ1 происходит через защитный диод установленный внутри элемента и сопротивление нагрузки, а в ЛП2 через защитные диоды установленные на входе и на выходе и сопротивление нагрузки. Диоды VD1...VD4 на схемах показаны условно, для представления процесса разряда.
Из выше перечисленного можно сделать вывод, что применение элемента ТЛ1 в качестве таймера более предпочтительно, чем ЛП2.

Схема таймера в которой длительность запускающего импульса заранее не определена и может быть как меньше, так и больше выходного.

Рис.10

В этой схеме длительность запускающего импульса может быть любой, т. к. он проходит через дифференцирующую цепь R2, C1 и соответственно “обрезается“ по времени. R1 служит для разрядки конденсатора.

Главный недостаток такой схемы, как и схемы на рис.1 - срабатывание от импульсных помех. Здесь установить интегрирующую цепь на входе нельзя, в таком случае запускающий импульс не сможет пройти через дифференцирующую цепь.

Но можно добавить дополнительный входной каскад, например на 561ТЛ1, подавляющий импульсные помехи.

Рис.11

Теперь на входе DD1.1 стоит интегрирующая цепь R2C1, а конденсатор C2 соединен с низкоомным выходом, соответственно вероятность самопроизвольного срабатывания таймера резко снижается. Для улучшения помехозащищенности надо стремится чтобы соединения между деталями были как можно короче. Не задействованные входы свободных элементов DD1 соединять с плюсом источника питания. Устанавливать, на всякий случай, конденсатор 0,01 мкф на выв.5 DD2. Применять блок питания с синфазным дросселем на выходе.

Аналогичная схема, но более компактная, выполненная на одной микросхеме - сдвоенном таймере 556

Рис.12

Список ссылок:

1. NE555-Прецизионный таймер. Даташит на русском
https://rudatasheet.ru/datasheets/ne555-%D0%BF%D1%80%D0%B5%D1%86%D0%B8%D0%B7%D0%B8%D0%BE%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D0%B9-%D1%82%D0%B0%D0%B9%D0%BC%D0%B5%D1%80/?ysclid=ldrloqjkp9933309601

2. ICM7555
https://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/82784/INTERSIL/ICM7555.html

3. NE556
https://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/546085/TI/NE556.html

4. Коломбет Е.А. Таймеры, Массовая библиотека инженера, выпуск 39, 1983г.

5. Бирюков С.А Цифровые устройства на МОП- интегральных схемах, Массовая радио-библиотека, выпуск 1132, 1990г., раздел "Формирователи и генераторы импульсов"

6. Шелестов И.П. Радиолюбителям полезные схемы, книга 2, СОЛОН, 1998г., раздел "Схемотехника узлов на МОП микросхемах"

7. Теория и практика применения таймера 555. Часть первая
https://radiokot.ru/articles/01/

Все вопросы в Форум.

Эти статьи вам тоже могут пригодиться:

Теория и практика применения таймера 555. Часть первая.

Теория и практика применения таймера 555.Часть вторая.

Генератор высокого напряжения на NE555

PWM регулятор от 0% до 100% на NE555. Новое схемное решение.

Разгон старичка NE555. Изолированный DC/DC конвертер.

Повышающий преобразователь для зарядки конденсаторов.

Электронное реле поворотов на таймере 555 (замена для 23.3747)

Дополнение к публикации: «Работа микросхемы 555 в режиме таймера, три разновидности схем. Недоговорки даташита. Устранение самопроизвольного запуска.»

Простой метроном на интегральном таймере

Сумеречный выключатель освещения, на микросхеме NE555 + симистор.

Вторая жизнь ионофона на NE555

Помощник для пугания унитазов или светодиодный стробоскоп на таймере 555.