Asteria74 - Мебельный портал
Микросхема интегрального таймера 555 была разработана 44 года назад, в 1971 году и до сих пор популярна. Пожалуй, ещё ни одна микросхема так долго не служила людям. Чего только на ней не собирали, даже поговаривают, что номер 555 - это число вариантов её применения:) Одно из классических применений 555 таймера - регулируемый генератор прямоугольных импульсов.
В этом обзоре будет описание генератора, конкретное применение будет в следующий раз.
Плату прислали запечатанной в антистатический пакетик, но микросхема очень дубовая и статикой её так просто не убить.
Качество монтажа нормальное, флюс не отмыт
Схема генератора стандартная для получения скважности импульсов ≤2
Красный светодиод подключен на выход генератора и при малой выходной частоте - мигает.
По китайской традиции, производитель забыл поставить ограничивающий резистор последовательно с верхним подстроечником. По спецификации, он должен быть не менее 1кОм, чтобы не перегружать внутренний ключ микросхемы, однако, реально схема работает и при меньшем сопротивлении - вплоть до 200 Ом, при котором происходит срыв генерации. Добавить ограничивающий резистор на плату затруднительно из-за особенности разводки печатной платы.
Диапазон рабочих частот выбирается установленной перемычной в одной из четырёх позиций
Частоты продавец указал неверно.
Реально измеренные частоты генератора при питающем напряжении 12В
1 - от 0,5Гц до 50Гц
2 - от 35Гц до 3,5kГц
3 - от 650Гц до 65кГц
4 - от 50кГц до 600кГц
Нижний резистор (по схеме) задаёт длительность паузы импульса, верхний резистор задаёт период следования импульсов.
Напряжение питания 4,5-16В, максимальная нагрузка на выходе - 200мА
Стабильность выходных импульсов на 2 и 3 диапазонах невысока из-за применения конденсаторов из сегнетоэлектрической керамики типа Y5V - частота сильно уползает не только при изменении температуры, но даже при изменении питающего напряжения (причём в разы). Рисовать графики не стал, просто поверьте на слово.
На остальных диапазонах стабильность импульсов приемлемая.
Вот что он выдаёт на 1 диапазоне
На максимальном сопротивлении подстроечников
В режиме меандр (верхний 300 Ом, нижний на максимуме)
В режиме максимальной частоты (верхний 300 Ом, нижний на минимум)
В режиме минимальной скважности импульсов (верхний подстроечник на максимуме, нижний на минимуме)
Для китайских производителей: добавьте ограничивающий резистор 300-390 Ом, замените керамический конденсатор 6,8мкФ на электролитический 2,2мкФ/50В, и замените конденсатор 0,1мкФ Y5V на более качественный 47нФ X5R (X7R)
Вот готовая доработанная схема
Себе генератор не переделывал, т.к. указанные недостатки для моего применения не критичны.
Вывод: полезность устройства выясняется, когда какая-либо Ваша самоделка потребует подать на неё импульсы:)
Продолжение следует…
Генератор на NE555 с регулировкой частоты
К слову, микроконтроллер NE555 был разработан еще в 1971 году и настолько удачно, что его применяют даже в настоящее время. Существует множество аналогов, более функциональных моделей, модификаций и т.п., но оригинальный чип по-прежнему актуален.
Описание NE555
Микросхема представляет собой интегральный таймер. В настоящее время выпускается преимущественно в DIP-корпусах (ранее были версии в круглых металлических).
Функциональная схема выглядит следующим образом.
Рис. 1. Функциональная схема
Может работать в одном из двух основных режимов:
1.Мультивибратор (моностабильный);
2.Генератор импульсов.
Нас интересует только последний вариант.
Простой генератор на NE555
Наиболее простая схема представлена ниже.
Рис. 2. Схема генератора на NE555
Рис. 3. График выходного напряжения
Таким образом, расчет частоты колебаний (с периодом t на графике) будет выполняться на основе следующей формулы:
f = 1 / (0,693*С*(R1 + 2*R2)),
соответственно формула полного периода:
t = 0,693*С*(R1 + 2*R2).
Время импульса (t1) считается так:
t1 = 0,693 * (R1 + R2) * C,
тогда промежуток между импульсами (t2) – так:
t2 = 0,693 * R * 2 * C
Изменяя значения резисторов и конденсатора, можно получить требуемую частоту с заданным временем длительности импульсов и паузы между ними.
Регулируемый генератор частоты на NE555
Самый простой вариант – это переработка нерегулируемой схемы генератора.
Рис. 4. Схема генератора
Здесь второй резистор заменяется на два регулируемых включенных со встречно-параллельными диодами.
Другой вариант регулируемого генератора на таймере 555.
Рис. 5. Схема регулируемого генератора на таймере 555
Здесь положением переключателя (за счет включения нужного конденсатора) можно изменить регулируемый диапазон частот:
- 3-153 Гц;
- 437-21000 Гц;
- 1,9-95 кГц.
Включатель перед диодом D1 увеличивает скважность, его можно даже не использовать в схеме (при его работе может незначительно изменяться частотный диапазон).
Транзистор лучше всего смонтировать не теплоотводе (можно даже на небольшом).
Скважность и частоту регулируют переменные резисторы R3 и R2.
Еще одна вариация с регулированием.
Рис. 6. Схема регулируемого генератора
IC1 – это таймер NE555N.
Транзистор – высоковольтный полевой (чтоб свести к минимуму эффект нагрева даже при высоких токах).
Чуть более сложная схема, работающая с большим числом диапазонов регулирования.
Рис. 7. Схема, работающая с большим числом диапазонов регулирования
Все детали уже обозначены на схеме. Регулируется за счет включения одного из диапазонов (на конденсаторах C1-C5) и потенциометрами P1 (отвечает за частоту), P4 (отвечает за амплитуду).
Схема требует двуполярного питания!
Дата публикации:
21.02.2018Мнения читателей
- Valentin
/ 16.06.2019 - 18:53
Под Рис.3 в формуле для длительности паузы между импульсами следует убрать лишнюю звездочку и привести формулу к виду t2=0,693×R2×C - shadi abusalim
/ 03.09.2018 - 13:55
Пожалуйста, помогите вам использовать электронную схему, используя встроенный 555 Чтобы отрегулировать ширину импульса и управлять им, чтобы добавить управление в вспышку, тушите и зажигайте лампу в том же круге Частота цепи должна составлять до 500 кГц Существует круг, расположенный на сайте, похожий, но слегка колеблется mail [email protected] The current and frequency are controlled by the variable resistors R3 and R2. Another variation with regulation. Fig. 6. Scheme of the regulated generator
Для начинающих радиолюбителей переход от создания простейших схем с применением резисторов, конденсаторов, диодов к созданию печатных плат с различными микросхемами, означает переход на новый уровень мастерства. Однако при этом схемы основываются на базе простейших микросхем, одной из которых является микросхема интегрального таймера NE555.
Изучение любой микросхемы следует начинать с фирменной документации - DATA SHEET. Для начала следует обратить внимание на расположение выводов и их назначение для таймер NE555 (рисунок 1). Иностранные компании, как правило, не предоставляют принципиальные схемы своих устройств. Однако микросхема таймера NE555 является достаточно популярной и имеет свой отечественный аналог КР1006ВИ1, схема которого представлена на рисунке 2.
Рисунок 1
1. Одновибратор на базе NE555 (рисунок 3).
Рисунок 3
Работа схемы: на вывод 2 микросхемы подается импульс низкого уровня. На выходе 3 микросхемы получается прямоугольный импульс, длительность которого определяется времязадающей RC-цепочкой (ΔT = 1,1*R*C). Сигнал высокого уровня на выводе 3 формируется до тех пор, пока не зарядится времязадающий конденсатор С до напряжения 2/3Uпит. Диаграммы работы одновибратора показаны на рисунке 4. Для формирования импульса запуска работы микросхемы можно воспользоваться механической кнопкой (рисунок 5) или полупроводниковым элементом.
Рисунок 4
Рисунок 5
Назначение схемы одновибратора на базе микросхемы интегрального таймера NE555 – создание временных выдержек от нескольких миллисекунд до нескольких часов.
2 Генераторы на базе интегрального таймера NE555
Генератор на базе NE555 способен вырабатывать импульсы с максимальной частотой в несколько килогерц для прямоугольных импульсов и с частотой в несколько мегагерц для импульсов не прямоугольной формы. Частота, как и в случае с одновибратором, будет определяться параметрами времязадающей цепи.
2.1 Генератор импульсов формы меандр на базе NE555
Схема такого генератора представлена на рисунке 6, а временные диаграммы работы генератора на рисунке 7. Отличительной особенностью генератора импульсов формы меандр является то, что время импульса и время паузы равны между собой.
Рисунок 6
Рисунок 7
Принцип действия схемы аналогичен схеме одновибратора. Исключение составляет лишь отсутствующий импульс запуска работы микросхемы таймера на выводе 2. Частота вырабатываемых импульсов определяется выражением f = 0,722/(R1*C1).
2.2 Генератор импульсов с регулируемой скважностью на базе NE555
Регулирование скважности вырабатываемых импульсов позволяет строить на базе NE555 широтно-импульсные генераторы. Скважность определяется отношением времени импульса к длительности импульса. Обратной величиной скважности является коэффициент заполнения (англ. Duty cycle). Схема генератора импульсов с регулируемой скважностью на базе NE555 представлена на рисунке 8.
Рисунок 8
Принцип работы схемы: время импульса и время паузы определяется временем заряда конденсатора С1. Сигнал высокого уровня формируется при заряде С1 по цепи R1-RP1-VD1. При достижении напряжения 2/3Uпит таймер переключается и конденсатор С1 разряжается по цепи VD2-RP1-R1. По достижению 1/3Uпит таймер снова переключается и цикл повторяется.
Регулировка времени заряда и разряда конденсатора С1 осуществляется переменным резистором RP1. При этом происходит изменение скважности выходных импульсов при постоянном периоде следования импульса.
Для проверки работоспособности микросхемы интегрального таймера NE555 можно собрать схему, представленную на рисунке 9 (схема в симуляторе Multisim).
Рисунок 9
Регулировка выходного напряжения осуществляется переменным резистором R1. На приведенной схеме достаточно просто разобраться в алгоритме работы таймера. При величине питающего напряжения 12В опорное значение напряжения для переключения микросхемы составляет 4В и 8В. При напряжении 7,8В (Рисунок 10) на выходе таймера – высокий уровень сигнала (светодиод LED1 не горит). При достижении 8В (рисунок 11) произойдет переключение микросхемы – загорается светодиод LED1. Дальнейшее увеличение напряжение никаких изменений в работе таймера не вызовет.
Резистором R1 регулируется частота следования импульсов. Резистором R2 регулируется длительность импульсов. Конденсатором С3 задается частотный диапазон.
Принцип работы схемы генератора
Пока конденсатор С3 заряжается через резистор R2 диод VD1, на выходе 3 микросхемы высокий уровень напряжения (на пол Вольта меньше по отношению к источнику питания). Транзистор в это время открыт. После зарядки конденсатора выход микросхемы переключается в низкий уровень. Транзистор закрывается. Одновременно переключается на массу вывод 7 микросхемы. Конденсатор С3 разряжается через этот выход и резистор R1. Далее процесс повторяется.
При указанных номиналах частота генератора находится в пределах 10 - 300 КГц. Минимальная длина импульса 1 мкс. Увеличение емкости конденсатора, скажем в десять раз до 1 нф, снижает диапазон до 1-30 КГц. При емкости 2,2 нф генератор перекрывает практически весь звуковой диапазон.
Резистор R2 не должен быть ниже 1 КОм. Иначе нарушается пропорциональность, поскольку у вывода 7 достаточно высокое сопротивление.
Электрический импульс — это кратковременный всплеск напряжения или силы тока. То есть это такое событие в цепи, при котором напряжение резко повышается в несколько раз, а затем так же резко падает к исходной величине. Самый понятный пример — электрический импульс, заставляющий наше сердце биться. Самое же большое количество импульсов возникает у нас в нервных клетках головного и спинного мозга. Мы мыслим и решаем уроки благодаря электрическим импульсам! А что в электронике? В электронике импульсы применяются повсеместно. Например, в микроконтроллерах или даже в полноценных процессорах домашнего компьютера электрические импульсы задают ритм его работы. Они еще называются тактовыми, или синхро-импульсами. Порой быстродействие вычислительных машин сравнивают именно при помощи значений тактовой частоты. Все данные внутри электронных устройств тоже передаются при помощи импульсов. Наш интернет, проводной и беспроводной, сотовая связь и даже пульт от телевизора — все используют импульсный сигнал. Попробуем выполнить несколько заданий и на собственном опыте понять особенности генерации электрических импульсов. А начнем мы со знакомства с их важными характеристиками.
1. Период и скважность импульсного сигнала
Представим себе, что мы готовимся к встрече Нового Года и нам просто необходимо сделать мигающую гирлянду. Поскольку мы не знаем, как заставить её мигать самостоятельно, сделаем гирлянду с кнопкой. Будем сами нажимать на кнопку, соединяя тем самым цепь гирлянды с источником питания и заставляя лампочки зажигаться. Принципиальная схема гирлянды с ручным управлением будет выглядеть так:Внешний вид макет
Собираем схему и проводим небольшой тест. Попробуем управлять гирляндой согласно нехитрому алгоритму:
- нажимаем на кнопку;
- ждем 1 секунду;
- отпускаем кнопку;
- ждем 2 секунды;
- переходим к пункту 1.
У данного сигнала мы можем определить период повторения и частоту. Период повторения (T)
— это отрезок времени, за который гирлянда возвращается в исходное состояние. На рисунке хорошо виден этот отрезок, он равен трем секундам. Величина обратная периоду повторения называется частотой периодического сигнала (F)
. Частота сигнала измеряется в Герцах. В нашем случае:
F = 1/T = 1/3 = 0.33 Гц
Период повторения можно разбить на две части: когда гирлянда горит и когда она не горит. Отрезок времени, в течение которого гирлянда горит называется длительностью импульса (t)
.
А теперь самое интересное! Отношение периода повторения (T) к длительности импульса (t) называется скважностью
.
S = T / t
Скважность нашего сигнала равна S = 3/1 = 3.
Скважность величина безразмерная.
В англоязычной литературе принят другой термин — коэффициент заполнения (Duty cycle)
. Это величина, обратная скважности.
D = 1 / S = t / T
В случае нашей гирлянды коэффициент заполнения равен:
D = 1 / 3 = 0.33(3) ≈ 33%
Этот параметр более нагляден. D = 33% означает, что треть периода занята импульсом. А, например, при D = 50% длительность высокого уровня сигнала на выходе таймера будет равна длительности низкого уровня.
2. Генерация импульсного сигнала при помощи микросхемы 555
Теперь попробуем заменить человека и кнопку, ведь мы не хотим весь праздник включать и выключать гирлянду каждые 3 секунды. В качестве автоматического генератора импульсов используем очень известную микросхему семейства 555. Микросхема 555 — это генератор одиночных или периодических импульсов с заданными характеристиками. По-другому данный класс микросхем называют таймерами. Существуют разные модификации таймера 555, разработанные разными компаниями: КР1006ВИ1, NE555, TLC555, TLC551, LMC555. Как правило, все они имеют одинаковый набор выводов.
Также производители выделяют два режима работы таймера: одновибратор и мультивибратор. Нам подойдет второй режим, именно в нем таймер будет непрерывно генерировать импульсы с заданными параметрами.
Для примера, подключим к таймеру 555 один светодиод. Причем, используем вариант, когда положительный вывод светодиода соединяется с питанием, а земля к таймеру. Позже будет понятно, почему мы делаем именно так.
Принципиальная схема
Внешний вид макета
Примечание.
Конденсатор C2 в схеме можно не использовать.
В этой схеме есть три компонента без номиналов: резисторы Ra и Rb, а также конденсатор C1 (далее просто C). Дело в том, что именно с помощью этих элементов настраиваются нужные нам характеристики генерируемого импульсного сигнала. Делается это с помощью несложных формул, взятых из технической документации к микросхеме.
T = 1/F = 0.693*(Ra + 2*Rb)*C; (1)
t = 0.693*(Ra + Rb)*C; (2)
Ra = T*1.44*(2*D-1)/C; (3)
Rb = T*1.44*(1-D)/C. (4)
Здесь F — частота сигнала; T — период импульса; t — его длительность; Ra и Rb — искомые сопротивления. Исходя из этих формул, коэффициент заполнения не может быть меньше 50% (иначе мы получим отрицательное значение сопротивления). Вот это новость! А что же нам делать с гирляндой? Ведь согласно нашей постановке, коэффициент заполнения импульсного сигнала должен быть непременно 33%.
Чтобы обойти это ограничение имеется два способа. Первый способ заключается в использовании другой схемы подключения таймера. Существуют более сложные схемы, которые позволяют варьировать параметр D во всем диапазоне от 0 до 100%. Второй способ не требует переделки схемы. Мы просто-напросто инвертируем выход таймера!
Собственно, в предложенной выше схеме мы это уже и сделали. Вспомним, что катод светодиода мы соединили с выводом таймера. В этой схеме светодиод будет гореть, когда на выходе таймера будет низкий уровень.
Раз так, то нам нужно настроить сопротивления Ra и Rb схемы так, чтобы коэффициент заполнения D был равен 66.6%. Учитывая, что T = 3 сек, а D = 0.66, получаем:
Ra = 3*1.44*(2*0.66 — 1)/0.0001 = 13824 Ом
Rb = 3*1.44*(1-D)/0.0001 = 14688 Ом
На самом деле, если мы будет использовать более точные значения D, то получим Ra = Rb = 14400 Ом. Вряд ли мы найдем резистор с таким номиналом. Скорее всего нам потребуется поставить последовательно несколько резисторов, например: один резистор на 10 КОм и 4 штуки на 1 КОм. Для большей точности можем добавить еще два резистора по 200 Ом.
В результате должно получиться что-то подобное:
В этой схеме используются резисторы на 15 КОм.
3. Подключение группы светодиодов к таймеру 555
Теперь, когда мы научились задавать нужный ритм, соберем небольшую гирлянду. В новой схеме пять светодиодов будут включаться на 0.5 сек каждую секунду. Для такого ритма Ra = 0, Rb = 7.2 кОм. То есть, вместо резистора Ra мы можем поставить перемычку. Выход микросхемы 555 слишком слабый для того, чтобы одновременно зажечь 5 светодиодов. А ведь в настоящей гирлянде их может быть штук 15, 20 и более. Чтобы решить эту проблему, используем биполярный транзистор, работающий с режиме электронного ключа. Возьмем самый распространенный NPN транзистор 2N2222. Также в этой схеме можно использовать полевой N-канальный транзистор, например 2N7000. Нашим светодиодам потребуется токозадающий резистор. Суммарный ток пяти параллельно соединенных светодиодов должен быть равен I = 20 мА*5 = 100 мА. Напряжение питания всей схемы 9 Вольт. На светодиоде красного цвета напряжение падает на 2 Вольта. Таким образом закон ома на данном участке цепи имеет вид: 100 мА = (9В-2В)/R; отсюда R2 = 7В/0.1А = 70 Ом. Округлим сопротивление до 100 Ом, которое можно получить параллельным соединением двух резисторов на 200Ом. А можно и вовсе оставить один резистор на 200Ом, просто светодиоды будут гореть немного тусклее.Принципиальная схема
Внешний вид макета
Примечание.
Конденсатор C2 в схеме можно не использовать.
Собираем схему, подключаем батарейку и наблюдаем за результатом. Если все работает как надо, закрепим полученные знания, сделав несколько забавных устройств.
Задания
- Генератор звука. В схеме гирлянды заменить группу светодиодов на пьезодинамик. Увеличить частоту звука, например, до 100 Гц. Если поднять частоту до 15 кГц, то можно будет отпугивать комаров!
- Железнодорожный светофор. Подключить к таймеру два светодиода таким образом, чтобы один соединялся с таймером катодом, а второй анодом. Установить частоту импульсов — 1 Гц.