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555 Timer und seine Anwendungen

Der 555 Timer ist ein linearer IC, der als monostabiler Multivibrator arbeitet, ein astabiler Multivibrator, ein Schmitt-Trigger, ein Funktionsgenerator mit Ausgangswellenformen (z. B. Rechteckwellen), Zeitverzögerungsimpulsen und Schaltungen zur Pulsbreitenmodulation (PWM) und Pulspositionsmodulation (PPM) verschiedene elektronische Steuerungsanwendungen haben. Jedes Jahr werden Millionen von 555 IC-Einheiten von verschiedenen Herstellern produziert, um den industriellen und kommerziellen Anwendungen gerecht zu werden.

Der 555 IC wurde von Hans R. Camenzind im Jahr 1971 entworfen, als er für die Signetics Corporation arbeitete. In den frühen 1970er Jahren produzierte die Signetics Corporation 555 Timer unter den Markennamen SE555 Timer und NE555 Timer für militärische bzw. kommerzielle Anwendungen.

Der 555 Timer ist eine Präzisionszeitschaltung, die Impulse mit genauen und hochstabilen Zeitverzögerungen von Mikrosekunden bis zu Stunden erzeugen kann. Er wird in praktischen Schaltungen meist als Flip-Flop in monostabiler, bistabiler und astabiler Form verwendet. Aufgrund seiner Anwendungen ist er als IC-Zeitmaschine bekannt.

Der 555 IC wird hauptsächlich für Zeitgeberfunktionen in kommerziellen elektronischen Schaltungen verwendet. Bei den Timer-Anwendungen wird die Dauer oder Länge der Ausgangsimpulse durch das Laden und Entladen eines Kondensators über Widerstände bestimmt, die extern an einen 555-Timer angeschlossen sind. Das Tastverhältnis des Ausgangsimpulses ist durch die Timing-Schaltungskomponenten R und C einstellbar. Die 555-Timer können mit Versorgungsspannungen von +5 V bis +18 V betrieben werden. Sie sind mit TTL- (Transistor-Transistor-Logik) und CMOS- (komplementäre Metalloxid-Halbleiter) Logikschaltungen kompatibel.

Gehäuse von 555-Timern

Die 555-ICs sind in einem Standard-Dualin-Line-Gehäuse (DIP), einem 8-Pin-Mini-DIP oder einem 14-Pin-DIP erhältlich. Heute sind die 555- und 556-DIP-Gehäuse die beliebtesten Gehäuse. Die Zeitgeber-ICs SE555 und NE555 sind sowohl im Metallgehäuse, dem so genannten T-Gehäuse, als auch im Epoxid-Kunststoffgehäuse, dem so genannten V-Gehäuse, erhältlich. Die Art des Gehäuses und der Anwendung wird im militärischen oder kommerziellen Gebrauch durch ihre Handelsnamen wie NE555V, NE555T, SE555V und SE555T angegeben.

Bedeutung der Pin-Anschlüsse des IC 555

• Masse: Der Stift (1) ist mit dem gemeinsamen oder negativen Anschluss einer Stromversorgung verbunden. An der Erdungsklemme liegt der Spannungspegel auf Nullpotential. Die Spannungen werden mit Bezug auf diese Klemme gemessen.
• VCC: Die Versorgungsspannung (VCC) des 555 IC wird extern an den IC-Pin (8) angeschlossen. Sie reicht von 5 V bis 15 V (4,5 V bis 16 V), und bei einigen militärisch ausgelegten Gehäusen reicht sie bis zu 18 V.
• Ausgang: Der primäre Ausgang des 555-IC-Timers kann High-Pegel oder Low-Pegel sein. Der Ausgang des ICs ist an Pin (3) verfügbar.

1. Hoher Pegel (Zustand): Wenn die Versorgungsspannung VCC = 5 Volt bzw. 15 Volt ist, beträgt der High-Pegel 3,3 V bzw. 13,3 V. Das bedeutet, dass die Ausgangsspannung weniger als 1,7 Volt unter der Versorgungsspannung VCC liegt. Die Ausgangssättigungspegel hängen von den Größen von VCC ab.
2. Niedriger Pegel (Zustand): Wenn die Versorgungsspannung VCC = 5 V ist, beträgt der Low-Pegel 0,25 V bei 5 mA und würde bis zu 200 mA sinken. Wenn VCC = 15 V, wird die Ausgangs-Low-Spannung in der Größenordnung von 2 V sein.
3. Die Anstiegs- und Abfallzeiten betragen bis zu 100 ns.

• Trigger: Die Trigger-Eingangsspannung ist mit dem unteren (oder Trigger-) Komparator verbunden. Er ist mit dem 555-IC-Pin (2) verbunden. Er steuert die Ausgangszustände des R-S-Flipflops. Wenn der Triggereingang unter \left fällt ( \frac{1}{3}V_{cc} \right ), steigt die Ausgangsspannung an und das Intervall des Ausgangsimpulses beginnt. Der Trigger kann von einer langsamen ROC-Wellenform (Rate of Changing) oder sogar von Impulsen ausgelöst werden. Die Triggerspannung liegt zwischen +VCC und dem Masseanschluss. Der Strombedarf beträgt typischerweise 500 nA.
• Steuerspannung: Ein Steuerspannungs-Pin (555 IC Nummer 5) ist mit dem Referenzpunkt auf der Eingangsseite des oberen (oder Trigger-)Komparators verbunden. Er ist mit einem Punkt verbunden, an dem 2/3 von VCC an der Spannungsteilerschaltung, die aus drei Widerständen von je 5 kΩ besteht, verfügbar ist. Er hat auch indirekten Zugriff auf die Referenzspannung des unteren (oder Trigger-) Komparators. Die Steuerspannung reicht von 1 V unter VCC bis zu 2 V über der Massespannung. Externes Signal an Steuerspannungs-Pin, IC-Ausgangstimings können im monostabilen Betrieb geändert werden. Die Steuerspannung kann zwischen 45% und 90% von VCC variieren. Im astabilen Modus wird der Baustein durch Anlegen einer externen Steuerspannung als Frequenzmodulator (FM) betrieben. Wenn dieser Pin nicht verwendet wird, wird ein Kondensator von ca. 10 nF von diesem Pin an die Masse angeschlossen, um parasitäres Rauschen und falsche Trigger zu reduzieren.
• Reset: Dieser Pin (4) wird verwendet, um den Ausgang in den Low-Zustand zu setzen, indem die Flip-Flop-Schaltung zurückgesetzt (deaktiviert) wird, unabhängig von den Zuständen aller anderen Eingänge. Für den Latch-Reset (Flipflop-Ausgang) ist eine Reset-Impulsspannung von mehr als 0,5 V mit einer Stromstärke von mehr als 0,1 mA erforderlich. Die Impulsbreite sollte typischerweise mehr als 0,5 μs betragen.
• Schwellenwert: Die Schwellenspannung ist einer der Eingänge für den oberen Komparator (Schwellenwert). Sie wird an Pin (6) angelegt. Wenn diese Spannung unterhalb oder oberhalb von VCC liegt, wird das Flip-Flop zurückgesetzt und der Ausgang auf einen niedrigen Zustand gesetzt.

Blockdiagramm des 555 IC Timer

Die internen Blöcke des 555 IC sind wie folgt:

1. Zwei Komparatoren (Triggerkomparator und Schwellenkomparator)
2. R-S-Flip-flop
3. Drei 5 kΩ-Widerstände
4. Rückstelltransistor
5. Entladetransistor
6. Leistungsverstärker
7. OR-Gatter

Anwendungen von 555 IC Timer

1. Monostabiler Multivibrator: Er arbeitet als Impulsgeber mit einem Schuss.
2. Astabiler Multivibrator: Er arbeitet als freilaufender Impulsgeber (Oszillator).
3. Bistabiler Multivibrator: Er arbeitet als Flip-Flop (Schmitt-Trigger).

Weitere Anwendungen des 555 IC Timers finden sich in:

1. DC-DC-Wandler und digitale Logiktaster
2. Wellenformgeneratoren (Rampen- und Rechteckwellengenerator)
3. Wandelt eine analoge Spannung in eine Impulslänge bei der Analog-Digital-Wandlung um
4. Analoge Frequenzmesser und Tachometer
5. Genaue Taktsignale
6. De-Bounce-Schalter
7. PWM- (Pulse Width Modulation) und PPM- (Pulse Position Modulation) Schaltungen
8. Verkehrsampel-Steuerschaltungen
9. Temperaturmess- und -regelgeräte