555 Timer

Dieses Tutorial enthält Beispielschaltungen zum Einrichten eines 555-Timers in monostabilen, astabilen und bistabilen Modi sowie eine ausführliche Beschreibung der Funktionsweise des 555-Timers und der Auswahl der zu verwendenden Komponenten. Der 555-Timer ist ein Chip, der verwendet werden kann, um Impulse unterschiedlicher Dauer zu erzeugen, eine kontinuierliche Impulswellenform mit einstellbarer Impulsbreite und -frequenz auszugeben und als Reaktion auf Eingaben zwischen hohen und niedrigen Zuständen umzuschalten. Indem Sie den 555-Timer auf verschiedene Arten mit Widerständen und Kondensatoren verkabeln, können Sie ihn in drei verschiedenen Modi betreiben:

Der monostabile Modus eignet sich hervorragend zum Erstellen von Zeitverzögerungen. In diesem Modus bewirkt ein externer Trigger, dass der 555-Timer einen Impuls mit einstellbarer Dauer ausgibt. Wechseln Sie hier direkt zu einer Beispielschaltung für den monostabilen Modus.

Der Astable Mode gibt ein oszillierendes Impulssignal / eine oszillierende Wellenform aus. In diesem Modus schaltet der Ausgang des 555-Timers mit einer einstellbaren Frequenz und Impulsbreite zwischen hohen und niedrigen Zuständen um. Wechseln Sie hier direkt zu einer Beispielschaltung für einen stabilen Modus.

Im bistabilen Modus schaltet der 555-Timer seinen Ausgang abhängig vom Zustand zweier Eingänge zwischen High- und Low-Zustand um. Wechseln Sie hier direkt zu einer Beispielschaltung für den bistabilen Modus.

Einige Anwendungen, die mir in den Sinn kommen, sind:

- eine konstante Uhr / Trigger, um die Zeit in einem Stromkreis zu halten (astabiler Modus)

- Der Kernoszillator eines analogen Synthesizers. Mit einigen Operationsverstärkern und anderen Komponenten kann diese Pulswelle in Dreiecks-, Säge- und sogar Sinusformen geformt werden

- ein sehr einfacher Geräuschmacher im Chiptune-Stil (siehe Atari-Punk-Konsole)

- Zeitverzögerung für ein eingehendes Signal (monostabiler Modus)

- sehr einfache Speicherung von Eingabedaten / Verwaltung des Zwei-Tasten-Steuerungssystems (bistabiler Modus)

Der 555-Timer ist flexibel, günstig und leicht zu finden (Sie können ihn sogar bei Radioshack abholen). Es ist auch ein guter Ausgangspunkt für Audioprojekte, da der Ausgang direkt mit einem Lautsprecher verbunden werden kann.

Schritt 1: 555 Timer Pin Diagramm

Abb. 1 zeigt die Pin-Verbindungen zum 555-Timer, die direkt aus dem 555-Timer-Datenblatt entnommen wurden. Die Stromanschlüsse zum Chip erfolgen über die Pins 1 (Masse) und 8 (+ Vcc). Die positive Versorgungsspannung (+ Vcc) sollte zwischen 5 und 15 V liegen.

Das zweite Bild ist eine Nahaufnahme des Diagramms, das die internen Funktionskomponenten des Chips zeigt. Dies besteht aus einigen verschiedenen Elementen: Widerständen, Transistoren, Komparatoren, einem Flipflop und einer Ausgangsstufe.

Alle drei in Abb. 2 dargestellten Widerstände sind 5 kOhm (siehe Bildhinweise in Abb. 3). Der Zweck dieser Widerstände besteht darin, einen Spannungsteiler zwischen Vcc und Masse einzurichten. Da alle Widerstände den gleichen Wert haben, wissen wir, dass die Spannung an der Verbindungsstelle zwischen den Widerständen 2 / 3Vcc und 1 / 3Vcc beträgt (siehe Bildhinweise in Abb. 2). Diese Spannungen werden als Referenzspannungen für die Komparatoren verwendet.

Ein Komparator ist eine Schaltung, die einen Eingang mit einer Referenzspannung vergleicht und ein LOW- oder HIGH-Signal ausgibt, je nachdem, ob der Eingang eine höhere oder niedrigere Spannung als die Referenz ist. Der 555-Timer verwendet mehrere Transistoren, um seine Komparatoren zu konstruieren (siehe die Bildnotizen in Abb. 3), sodass sie im vereinfachten Funktionsdiagramm in Abb. 2 durch Kästchen mit der Bezeichnung "Komparator" dargestellt werden. Der an Pin 2 angeschlossene Komparator vergleicht den "Trigger" -Eingang mit einer Referenzspannung von 1 / 3Vcc und der an Pin 6 angeschlossene Komparator vergleicht den "Schwellen" -Eingang mit einer Referenzspannung von 2 / 3Vcc vom Spannungsteiler.

Ein Flip-Flop ist eine Schaltung, die basierend auf dem Zustand ihrer Eingänge zwischen zwei stabilen Zuständen umschaltet. Das 555-Flipflop gibt basierend auf den Zuständen der beiden Komparatoren ein High oder Low aus. Wenn der Triggerkomparator ein niedriges Signal ausgibt (unabhängig vom Zustand des Schwellenwertkomparators), schaltet das Flipflop hoch, wenn beide Komparatoren ein hohes Signal ausgeben, schaltet das Flipflop niedrig. Das Timing eines vom Flip-Flop ausgegebenen hohen Impulses kann auch manuell zurückgesetzt werden (der Beginn eines Impulses kann ausgelöst werden), indem der Rücksetzstift auf niedrig gesetzt wird.

Das Funktionsdiagramm in Fig. 2 enthält auch zwei Transistoren. Der an Pin 7 angebrachte Transistor ist ein NPN-Transistor. Da Pin 7 mit dem Kollektorstift des NPN-Transistors verbunden ist, wird diese Art der Konfiguration als offener Kollektor oder offener Drain bezeichnet. Dieser Pin ist normalerweise mit einem Kondensator verbunden und wird verwendet, um den Kondensator jedes Mal zu entladen, wenn der Ausgangsstift niedrig wird. Der an Pin 4 angebrachte Transistor ist ein PNP-Transistor. Der Zweck dieses Transistors besteht darin, den Rücksetzstift zu puffern, so dass der 555 keinen Strom von diesem Stift bezieht und dessen Spannung durchhängt.

Die Ausgangsstufe des 555-Timers ist in den Bildnotizen von Fig. 3 angegeben. Sie dient als Puffer zwischen dem 555-Timer und allen Lasten, die an seinem Ausgangsstift angebracht sein können. Die Ausgangsstufe versorgt den Ausgangsstift mit Strom, so dass die andere Funktionskomponente des 555-Timers dies nicht muss.

Schritt 2: 555 Timer: Monostabiler Modus

Im monostabilen Modus gibt der 555-Timer einen hohen Impuls aus, der beginnt, wenn der Trigger-Pin auf Low gesetzt wird (weniger als 1 / 3Vcc, wie im vorherigen Schritt erläutert, reicht aus, um den Ausgang des an den Trigger-Pin angeschlossenen Komparators umzuschalten). . Die Dauer dieses Impulses hängt von den Werten des Widerstands R und des Kondensators C im obigen Bild ab.

Wenn der Trigger-Pin hoch ist, leitet der Entladestift (Pin 7) die gesamte Ladung vom Kondensator ab (C in der Abbildung oben). Dadurch ist die Spannung am Kondensator (und die Spannung von Pin 6) = 0. Wenn der Trigger-Pin auf niedrig gestellt wird, kann der Entladestift keinen Strom mehr ablassen, wodurch sich gemäß der Gleichung eine Ladung auf dem Kondensator aufbaut unten. Sobald die Spannung am Kondensator (die Spannung von Pin 6) 2/3 der Versorgungsspannung entspricht (wie im vorherigen Schritt erläutert, reicht dies aus, um den Ausgang des an Pin 6 angeschlossenen Komparators zu schalten), ist der Ausgang von Der 555 wird niedrig zurückgetrieben. Der Ausgang bleibt niedrig, bis der Trigger-Pin wieder niedrig gepulst wird, wodurch der gerade beschriebene Prozess neu gestartet wird.

(Spannung am Kondensator) = Vcc * (1-et / (R * C))
Diese Gleichung beschreibt die Zeit, die benötigt wird, um einen Kondensator der Kapazität C aufzuladen, wenn er mit einem Widerstand des Widerstands R in Reihe geschaltet ist

Wie oben erläutert, interessiert uns die Zeit, die benötigt wird, bis die Spannung am Kondensator 2 / 3Vcc beträgt, oder:
2/3 * Vcc = Vcc * (1-e ^ -t / (R * C))

die neu angeordnet werden kann zu:
2/3 = 1-et / (R * C)
et / (R * C) = 1/3
-t / (R * C) = ln (1/3)
t = 1, 1 * R * C Sekunden

Im nächsten Schritt werde ich eine Anzeige-LED an den Ausgangspin des 555 anschließen und einige beliebige Werte für R und C auswählen, um sicherzustellen, dass dies wirklich funktioniert.

Schritt 3: 555 Timer: Monostable Mode Circuit

Wie ich im letzten Schritt erklärt habe, gibt ein 555-Timer im monostabilen Modus einen hohen Impuls (mit einer Spannung von ~ Vcc) aus, wenn der Trigger-Pin niedrig gepulst ist. Die Dauer dieses Ausgangsimpulses hängt von den Werten von R und C in Abb. 4 ab. Im letzten Schritt haben wir die Dauer des vom 555 im monostabilen Modus ausgegebenen Impulses wie folgt berechnet:

t = 1, 1 * R * C Sekunden
wobei R und C der Widerstand und der Kondensator in Reihe in Fig. 4 sind.

wenn wir R = 10Kohms und C = 470uF wählen
t = 1, 1 * 10000 * 0, 00047
t = 5, 17 s

Dies bedeutet, dass bei einem 10-kOhm-Widerstand und einem 470-uF-Kondensator ein niedriger Puls am Trigger-Pin des 555 (Pin 2) dazu führt, dass der Ausgang 5, 17 Sekunden lang hoch geht.

Ich habe eine Schaltung gebaut, die den Ausgangspin des 555 mit einer LED verbindet, wodurch die LED für die Dauer des Impulses aufleuchtet. Auf diese Weise hätte ich einen visuellen Hinweis darauf, dass meine Berechnungen korrekt waren. Ich habe den Auslösestift des 555 mit einem Druckknopf-Momentschalter verbunden und ihn beim Drücken mit Masse verbunden. Fotos der Schaltung sind oben gezeigt, und das Schema ist in 5 gezeigt.

Liste der Einzelteile:
555 Timer Digikey LM555CNFS-ND
0, 01 uF Kondensator Digikey 445-5297-ND
470uF Kondensator Digikey P5185-ND
(x2) 10 kOhm Widerstand Digikey CF14JT10K0CT-ND
470 Ohm Widerstand Digikey CF14JT470RCT-ND
bernsteinfarben geführt Digikey C503B-ACN-CW0Y0251-ND
Momentschalter Digikey CKN9018-ND
22 Gauge Überbrückungskabel
Steckbrett Amazon
5-15V-Stromversorgung - Wenn Sie keine Tischstromversorgung haben, versuchen Sie es mit einer 9V-Batterie und einem Batterie-Snap oder verwenden Sie den 5V-Ausgang eines Arduino

Verkabelungsinfo:
Das Schema ist in Abb. 5 dargestellt. Schließen Sie Strom und Masse an die Pins 8 und 1 des 555-Timers an (rote und schwarze Drähte). Ich habe eine 9-V-Versorgung und einen Batterie-Snap für meine Schaltung verwendet. Schließen Sie, wie im Schema in Abb. 5 gezeigt, einen 0, 01-uF-Kondensator zwischen Pin 5 und 1 an. Schließen Sie einen 440-uF-Kondensator zwischen Pin 1 und 6 an und stellen Sie sicher, dass die negative Leitung des Kondensators mit Pin 1 verbunden ist. Verbinden Sie Pin 6 und 7 mit einem Überbrückungskabel (grün). Schließen Sie einen 10K-Widerstand zwischen Pin 7 und 8 an. Ich habe den Reset-Pin schwebend gelassen, Sie können ihn auch an Vcc anschließen.

Schließen Sie eine LED und einen Strombegrenzungswiderstand in Reihe vom Ausgang des 555 an Masse an. Der Ausgangspin des 555 gibt maximal Vcc-1, 2V aus (die -1, 2V kommen von einigen Transistoren in der Schaltung, die die Spannung leicht abfallen lassen). Mein Stromkreis wurde von einer 9-V-Versorgung gespeist, daher beträgt die maximale Ausgangsleistung 9-1, 2 V = 7, 8 V. Ich habe für mein Setup einen Strombegrenzungswiderstand von 470 Ohm verwendet. Wenn Sie eine 5-V-Versorgung verwenden, können Sie einen niedrigeren Strombegrenzungswiderstand (wie 220 Ohm) und für höhere Vcc einen höheren Widerstand (möglicherweise sogar bis zu 1 K) verwenden.

Verdrahten Sie den momentanen Druckknopfschalter in Reihe mit einem 10K-Widerstand zwischen Vcc und Masse. Schließen Sie einen Draht (gelb) von der Verbindungsstelle zwischen Schalter und Widerstand an den Triggerstift an, sodass der Triggerstift hoch gehalten wird, wenn der Schalter nicht gedrückt wird. Wenn der Schalter gedrückt wird, fällt der Triggerstift auf niedrig. Sehen Sie sich den Schaltplan an, wenn dies keinen Sinn ergibt.

Betrieb:
Drücken Sie den Knopf. Die LED sollte eine Zeit lang aufleuchten und dann erlöschen. Wenn Sie die LED zeitlich festlegen, leuchtet sie genau 5, 17 Sekunden lang auf, genau wie oben berechnet.

Sie können experimentieren, indem Sie den 10k-Widerstand oder den 470uF-Kondensator (an den 555 angeschlossen) ausschalten, um zu sehen, wie sie sich auf die Dauer des Ausgangsimpulses auswirken. Denken Sie daran, da t = 1, 1 * R * C Sekunden ist, erhöht eine Erhöhung des Widerstands oder der Kapazität immer die Dauer des Impulses.

Ich habe ein 10Kohmpotentiometer als variablen Widerstand verkabelt und es anstelle des 10K-Widerstands zwischen 555 Pins 7 und 8 in meine Schaltung gesteckt (Abb. 9). Auf diese Weise leuchtet die LED 5, 17 Sekunden lang, wenn Sie den Knopf ganz zur Seite drehen. Wenn Sie jedoch auf das andere Extrem drehen, erlischt die LED sofort, nachdem ich die Taste losgelassen habe. Wenn Sie das Potentiometer in eine beliebige Position dazwischen drehen, wird eine Impulsdauer zwischen 0 und 5, 17 Sekunden verursacht.

Schritt 4: 555 Timer: Monostabiler Modus (schnelle Anwendungen)

In diesem Schritt werde ich etwas mehr über die Verwendung des monostabilen Modus sprechen, diesmal für schnellere Anwendungen.

In Schritt 2 haben wir die Zeit des hohen Impulses aus dem 555-Timer für ein gegebenes R und C berechnet
t = 1, 1 * R * C Sekunden

Wenn wir also R = 5, 1 kOhm und C = 1 uF wählen
t = 1, 1 * 5100 * 0, 000001
t = 5, 61 ms

Da dieser Impuls auf einer viel schnelleren Zeitskala als im letzten Schritt auftritt, habe ich mit einem Arduino alle 10 ms Pin 2 des 555-Timers auf Puls gesetzt und den Ausgang des 555 auf einem Oszilloskop gemessen. So habe ich es eingerichtet:

Liste der Einzelteile:
555 Timer Digikey LM555CNFS-ND
0, 01 uF Kondensator Digikey 445-5297-ND
1uF Kondensator Digikey P5174-ND
5, 1 kOhm Widerstand Digikey CF14JT5K10CT-ND
22 Gauge Überbrückungskabel

Steckbrett Amazon

5-15V-Stromversorgung - Wenn Sie keine Tischstromversorgung haben, versuchen Sie es mit einer 9V-Batterie und einem Batterie-Snap oder verwenden Sie den 5V-Ausgang eines Arduino
Pulsgenerator - Ich habe dafür ein Arduino verwendet
Oszilloskop

Verkabelungsinfo:
Die Abbildungen 1-3 zeigen, wie ich den 555 auf einem Steckbrett angeschlossen habe. Verbinden Sie Strom und Masse mit den Pins 8 und 1 des 555-Timers (rote und schwarze Kabel). Ich habe eine 9-V-Versorgung und einen Batterie-Snap für meine Schaltung verwendet. Schließen Sie, wie im Schema in Abb. 4 gezeigt, einen 0, 01-uF-Kondensator zwischen Pin 5 und 1 an. Schließen Sie einen 1-uF-Kondensator zwischen Pin 1 und 6 an und stellen Sie sicher, dass die negative Leitung des Kondensators mit Pin 1 verbunden ist. Verbinden Sie Pin 6 und 7 mit einem Überbrückungskabel (grün). Schließen Sie einen 5, 1K-Widerstand zwischen Pin 7 und 8 an. Ich habe den Reset-Pin schwebend gelassen.

Ich habe ein Arduino verwendet, um alle 10 ms einen niedrigen Impuls an Pin 2 des 555-Timers auszulösen. Sie können dieses Impulssignal auch mit einem Funktionsgenerator erzeugen. Hier ist der Code, den ich verwendet habe:
 // 555 Timer Trigger - monostabiler Modus // von Amanda Ghassaei // Sept 2012 // Pin-Verbindungen: // digitaler Pin 0 bis 555 Pin 2 // Arduino-Masse auf 555 Masse (Pin 1) void setup () {pinMode (0, AUSGABE); digitalWrite (0, HIGH); } void loop () {// Pulspin 0 momentan niedrig digitalWrite (0, LOW); digitalWrite (0, HIGH); Verzögerung (10); // 10 ms warten} 

Verbinden Sie den Signalausgang (digitaler Pin 0) mit 555 Pin 2 (gelb) und Masse (des Arduino oder des Funktionsgenerators) mit 555 Pin 1 (schwarz).

Betrieb:
Fig. 5 zeigt die Ausgabe des 555-Timers. Sie können sehen, dass die Dauer des hohen Impulses erwartungsgemäß etwa 5, 6 ms beträgt. Beachten Sie auch, wie alle 10 ms ein neuer Impuls ausgelöst wird, wenn das Signal vom Arduino niedrig fällt. Fig. 6 zeigt den Ausgang des 555 in blau und den Ausgang des digitalen Arduino-Pins 0 in gelb. Sie können sehen, dass das Arduino-Signal normalerweise hoch ist, es fällt für den Bruchteil einer Sekunde auf niedrig und ist nur sichtbar, wenn wir die Zeit / Div in Abbildung 7 vergrößern. In Abb. 7 können Sie sehen, dass das Signal vom Arduino auf niedrig fällt für weniger als 5us und die Ausgabe vom 555 geht sofort hoch. Fig. 8 zeigt den Ausgang des 555 in Blau und die Spannung über dem 1uF-Kondensator (auch die Spannung von Pin 6). Beachten Sie, wie der Ausgang des 555-Timers niedrig wird, wenn die Spannung am Kondensator = 2 / 3Vcc beträgt (in diesem Beispiel verwende ich eine 9-V-Batterieversorgung, also 2 / 3Vcc = 6V). Wenn der Ausgang des 555 niedrig fällt, bewirkt dies, dass der Entladestift (Pin 7) den 1uF-Kondensator schnell entlädt. Abb. 9 zeigt eine Nahaufnahme dieser Entladung. Sie können sehen, wie die Spannung am Kondensator in etwa 50us von 2 / 3Vcc auf 0 abfällt.

Zum Vergleich habe ich in den Abbildungen 10 und 11 einen weiteren 555-Timer auf meinem Steckbrett eingerichtet, der dem Aufbau des ersten 555 entspricht, aber anstelle eines 1uF einen Kondensator mit 0, 47 uF verwendet habe. Ich habe die Dauer des Impulses für diese neue Schaltung berechnet:

t = 1, 1 * R * C Sekunden
t = 1, 1 * 5100 * 0, 00000047
t = 2, 64 ms, ungefähr die Hälfte der Dauer des ersten 555-Zeitgeberimpulses.

Abb. 12 zeigt die Ausgabe beider 555 Timer am Oszilloskop: die 1uF-Schaltung in Blau und die .47uF-Schaltung in Gelb. Sie können sehen, dass die Dauer des Impulses vom zweiten (0, 47 uF) 555-Timer ungefähr 2, 6 ms beträgt, wie oben berechnet. Beachten Sie auch, dass beide Impulse, obwohl die Ausgangsimpulse unterschiedliche Dauern haben, zur gleichen Zeit starten, genau dann, wenn die Arduino-Impulse ihre Trigger-Pins niedrig halten. Diese Verwendung des monostabilen Modus mit einem externen Trigger ist eine effektive Möglichkeit, die Impulsbreite (die Dauer des hohen Impulses) Ihres Ausgangssignals zu steuern. Durch Ersetzen des Widerstands durch einen variablen Widerstand können Sie die Impulsbreite nach Ihren Wünschen einstellen. Sie können die Frequenz der Pulswellenform ändern, indem Sie die Frequenz Ihres externen Triggers ändern. In Schritt 7 werde ich auch eine andere Möglichkeit vorstellen, ein pulsbreitenmoduliertes Signal ohne externen Trigger im astabilen Modus zu erzeugen.

Schritt 5: 555 Timer: Astable Mode

Im astabilen Modus ist der Ausgang des 555-Timers eine kontinuierliche Impulswellenform mit einer bestimmten Frequenz, die von den Werten der beiden Widerstände (R A und R B ) und des Kondensators (C) abhängt, die in der Schaltung (Fig. 1) gemäß verwendet werden die folgende Gleichung. Der Astable-Modus ist eng mit dem Monostable-Modus verwandt (siehe Schritt 2). Sie können sehen, dass der Schaltplan nahezu identisch ist. Der wichtige Unterschied besteht darin, dass im stabilen Modus der Trigger-Pin mit dem Schwellen-Pin verbunden ist. Dies bewirkt, dass der Ausgang kontinuierlich zwischen dem hohen und dem niedrigen Zustand umschaltet.

Ausgabefrequenz = 1 / [0, 7 * (R A + 2 * R B ) * C]
(Keine Sorge, ich werde bald zeigen, wie ich diese Gleichung abgeleitet habe.)

Die Abfolge der Ereignisse ist etwas komplex, daher habe ich sie in fünf Schritte unterteilt:

1. Am Kondensator C befindet sich anfangs keine Ladung, daher ist die Spannung am Kondensator Null. Die Spannung am Kondensator C ist gleich der Spannung an den Pins 6 (Schwellwert-Pin) und 2 (Trigger-Pin), da alle miteinander verbunden sind. Daher liegen anfangs sowohl der Schwellenwert- als auch der Trigger-Pin bei Null Volt. Dies treibt den Ausgang hoch.

2. Wie in Schritt 2 dieses Instructable erläutert, kann der Entladestift den Kondensator nicht entladen, wenn der Triggerstift niedrig ist. Da der Kondensator C in Reihe mit R A und R B liegt und Vcc angelegt wird, fließt Strom durch die Widerstände und beginnt, Ladung auf dem Kondensator anzusammeln. Dies bewirkt, dass die Spannung am Kondensator C gemäß der folgenden Gleichung ansteigt:

(Spannung am Kondensator) = (Vcc - V 0 ) * (1-et / [(R A + R B ) * C])
wobei "Spannung über dem Kondensator" die Stromspannung über dem Kondensator zum Zeitpunkt t ist, V 0 die Anfangsspannung über dem Kondensator ist, Vcc die Gesamtspannung ist, die an die Widerstände R A, R B und den Kondensator C angelegt wird

3. Wenn die Spannung am Kondensator C 2 / 3Vcc beträgt, wird der Schwellenwert-Pin als hoch registriert (wie in Schritt 1 dieser Anweisung erläutert, wird der an dem Schwellenwert-Pin im 555 angebrachte Komparator umgedreht). Dies treibt den Ausgang auf niedrig und aktiviert den Entladestift. Die Zeit, die benötigt wird, bis sich eine Spannung von 2 / 3Vcc am Kondensator ansammelt, ist gegeben durch:

2/3 * Vcc = (Vcc - V 0 ) * (1-et / [(RA + RB) * C])
2/3 * Vcc / (Vcc - V 0 ) = 1 - et / [(RA + RB) * C]
1/3 * Vcc / (Vcc - V 0 ) = et / [(RA + RB) * C]
ln [1/3 * Vcc / (Vcc - V 0 ) ] = -t / [(RA + RB) * C]
t = - (R A + R B ) · C · ln [1/3 · Vcc / (Vcc - V 0 )]

für V 0 = 0 V ergibt sich Folgendes:
t = 1, 1 * (R A + R B ) * C Sekunden

4. Wenn der Entladestift aktiviert ist, beginnt die Ladung vom Kondensator über R B in den Entladestift des 555 zu fließen. Dadurch wird die Spannung am Kondensator gesenkt, wie in der folgenden Gleichung beschrieben:

(Spannung über dem Kondensator) = (Spitzenspannung über dem Kondensator) * (et / (R B * C))
wobei die Spitzenspannung über dem Kondensator die Spannung war, kurz bevor der Entladestift aktiviert wurde: 2 / 3Vcc
(Spannung am Kondensator) = 2/3 * Vcc * (et / (R B * C))

5. Sobald die Spannung am Kondensator (und die Spannung am Trigger-Pin) 1 / 3Vcc beträgt, wird der Trigger-Pin als niedrig registriert (wie in Schritt 1 dieser Anweisung erläutert), wodurch der an den Trigger-Pin im 555 angeschlossene Komparator umgedreht wird ). Die dafür erforderliche Zeit ist unten aufgeführt. Dies treibt den Ausgang hoch und bringt uns zurück zu Schritt 2 (oben). Von hier aus wiederholen sich die Schritte 2 bis 5 für immer und der Ausgang wechselt zwischen dem hohen und dem niedrigen Zustand, um eine kontinuierliche Impulswelle zu erzeugen. Die Zeit, die benötigt wird, um den Kondensator von 2 / 3Vcc auf 1 / 3Vcc zu entladen, ist unten angegeben:

1/3 * Vcc = 2/3 * Vcc * (et / (R B * C))
1/2 = et / (R B * C)
ln (1/2) = -t / (R B * C)
t = -R B * C * ln (1/2)
t = 0, 7 * R B * C Sekunden

Um die Frequenz dieser Schwingung zu berechnen, berechnen wir zuerst die Zeit, in der sich der Ausgang im hohen und niedrigen Zustand befindet. Der Ausgang befindet sich im hohen Zustand, während sich der Kondensator von 1 / 3Vcc auf 2 / 3Vcc auflädt. Die Zeit, die zum Laden des Kondensators von der Spannung V 0 auf 2/3 Vcc benötigt wird, wird nachstehend wiederholt:

Die Ausgabe ist hoch für:
t = - (R A + R B ) · C · ln [1/3 · Vcc / (Vcc - V 0 )]
In Schritt 3 (oben) haben wir V 0 = 0 als unsere Anfangsbedingungen gewählt, dies gilt jedoch nur für den ersten Zyklus des astabilen Modus. Für alle nachfolgenden Zyklen entlädt sich der Kondensator nur auf 1 / 3Vcc, bevor der Entladestift deaktiviert wird und die Ladung wieder auf dem Kondensator aufgebaut wird. Also setzen wir die Anfangsspannung auf 1 / 3Vcc:
t = - (R A + R B ) * C * ln [1/3 * Vcc / (Vcc - 1/3 Vcc)]
t = - (RA + RB) * C * ln (1/2)
t = 0, 7 * (R A + R B ) * C Sekunden

Wie wir oben berechnet haben, ist die Ausgabe niedrig für:
t = 0, 7 * R B * C Sekunden

Die Gesamtdauer sowohl des hohen als auch des niedrigen Zustands der Ausgabe beträgt also:
0, 7 * (RA + RB) * C + 0, 7 * RB * C.
0, 7 * (R A + 2 * R B ) * C Sekunden

Dann wird die Frequenz wie folgt berechnet:
Ausgabefrequenz = 1 / [0, 7 * (R A + 2 * R B ) * C]

Durch Ändern der Werte der Widerstände R A und R B und des Kondensators C können wir also die Frequenz des Ausgangs steuern. Zusätzlich können wir die Impulsbreite des Ausgangs steuern (die Dauer von hoch im Vergleich zur Dauer von niedrig), da die Dauer des hohen Zustands sowohl von R A als auch von R B abhängt, während die Dauer des niedrigen Zustands nur von R abhängt B. Im nächsten Schritt werde ich eine Beispielschaltung für den stabilen Modus einführen.

Schritt 6: 555 Timer: Astable Mode Circuit

Wie ich im letzten Schritt beschrieben habe, bewirkt das Einstellen des 555-Timers im astabilen Modus, dass er eine kontinuierliche Reihe von Impulsen ausgibt. In dieser Schaltung richte ich den 555-Timer so ein, dass eine Impulswelle mit einer Frequenz innerhalb des hörbaren Bereichs ausgegeben wird. Auf diese Weise kann ich den Ausgang an einen Lautsprecher anschließen und die Ergebnisse hören.

Liste der Einzelteile:
555 Timer Digikey LM555CNFS-ND
0, 01 uF Kondensator Digikey 445-5297-ND
100 kOhm lineares Konuspotentiometer Digikey 987-1300-ND
10 kOhm 1 / 4watt Widerstand Digikey CF14JT10K0CT-ND
0, 47 uF Kondensator (oder alles zwischen 10 uF und 0, 1 uF sollte in Ordnung sein) Digikey P5173-ND
Lautsprecher
22 Gauge Überbrückungskabel
Steckbrett Amazon
5-15V-Stromversorgung - Wenn Sie keine Tischstromversorgung haben, versuchen Sie es mit einer 9V-Batterie und einem Batterie-Snap oder verwenden Sie den 5V-Ausgang eines Arduino

Verdrahtungsinfo
Das Schema ist in Abb. 6 dargestellt. Schließen Sie Strom und Masse an die Pins 8 und 1 des 555-Timers an (rote und schwarze Drähte). Ich habe eine 9-V-Versorgung und einen Batterie-Snap für meine Schaltung verwendet. Schließen Sie, wie im Schema in Abb. 6 gezeigt, einen 0, 01-uF-Kondensator zwischen Pin 5 und 1 an. Schließen Sie einen 0, 47-uF-Kondensator zwischen Pin 1 und 6 an und stellen Sie sicher, dass die negative Leitung des Kondensators mit Pin 1 verbunden ist. Verdrahten Sie einen 10-kOhm-Widerstand zwischen Pin 6 und 7. Verdrahten Sie ein 100K-Potentiometer, das als variabler Widerstand zwischen Pin 7 und 8 verdrahtet ist. Verbinden Sie Pin 4 und 8 mit einem Überbrückungskabel (rot) und die Pins 2 und 6 miteinander (gelb).

Schließen Sie das Pluskabel eines Lautsprechers an Pin 3 des 555 an und verbinden Sie das Minuskabel mit Masse (Pin 1).

Betrieb
Wenn Sie diesen Stromkreis mit Strom versorgen, sollten Sie die vom 555 kommende Impulswellenform hören. Drehen Sie das Potentiometer, um die Frequenz dieser Impulswelle zu ändern. Wenn Sie eine bestimmte Frequenz erzeugen möchten, ändern Sie die Werte von R A, R B und C gemäß der folgenden Gleichung (abgeleitet im letzten Schritt):

Ausgabefrequenz = 1 / [0, 7 * (R A + 2 * R B ) * C]
wobei R A, R B und C in 7 gezeigt sind

Basierend auf den Komponenten, die ich in dieser Beispielschaltung verwendet habe, können wir den Bereich möglicher Ausgangsfrequenzen wie folgt berechnen:

Angenommen, das Potentiometer ist ganz zur Seite gedreht und der Widerstand beträgt 100 kOhm
Ausgabefrequenz = 1 / [0, 7 * (100.000 + 2 * 10.000) * 0, 00000047]
Ausgangsfrequenz = ~ 25Hz
Dieser Ausgang ist in Abb. 8 auf einem Oszilloskop dargestellt

Niedrige Werte von R A sollten vermieden werden, da sie verhindern, dass der 555-Timer den Kondensator C normal entlädt. Als ich den Topf ganz auf die andere Seite drehte (für einen Widerstand von 0 Ohm), funktionierte der 555-Timer nicht mehr wie erwartet (Abb. 10). Berechnen wir also die Ausgangsfrequenz des Timers, wenn der Poti auf den halben Punkt gedreht wird, für einen Widerstand von 50 kOhm.
Ausgabefrequenz = 1 / [0, 7 * (50.000 + 2 * 10.000) * 0, 00000047]
Ausgangsfrequenz = ~ 43Hz
Diese Ausgabe ist in Abb. 9 dargestellt (Hinweis: Es gibt einen Fehler, den ich auf halber Strecke erraten habe.)

Beachten Sie auch, dass sich die Dauer der Phase mit niedrigem Ausgang nicht wesentlich ändert, obwohl sich die Frequenz des Ausgangs zwischen den 8 und 9 ändert. Dies liegt daran, dass die Dauer der niedrigen Ausgangsphase nicht von R A (dem variablen Widerstand) abhängt. Wie im letzten Schritt berechnet:
t = 0, 7 * R B * C.
Wenn Sie R B = 10 kOhm und C = 0, 47 uF einsetzen, erhalten Sie:
t = ~ 3 ms
Dies kann in den Abbildungen 8 und 9 überprüft werden.

Schritt 7: 555 Timer: Astable Mode Duty Cycle

Das Tastverhältnis einer Pulswelle ist das Verhältnis der Zeit, die sie hoch verbringt, zur Gesamtdauer des hohen und niedrigen Zustands. Wir haben diese Dauer in Schritt 5 berechnet und können sie kombinieren, um den Arbeitszyklus des 555 zu berechnen:

Arbeitszyklus = (Zeitaufwand hoch) / (Gesamtzeitdauer hoher und niedriger Zustände)
Ersetzen Sie die Gleichungen aus Schritt 5, um Folgendes zu erhalten:
Arbeitszyklus = (0, 7 * (R A + R B ) * C) / (0, 7 * (R A + 2 * R B ) * C )

Dies vereinfacht sich zu:
Arbeitszyklus = (R A + R B ) / (R A + 2 * R B )

Wenn in der obigen Gleichung R A viel größer als R B ist (Sie können die R B -Terme ignorieren), erhalten Sie ein Tastverhältnis ~ = 1, und wenn R B viel größer als R A ist (Sie können R A ignorieren) Begriffe) Sie erhalten ein Tastverhältnis = ~ 1/2. Die Grenzen des Arbeitszyklus mit der in Fig. 2 gezeigten Schaltung liegen also bei 50% bis 100%. Wenn Sie einen Arbeitszyklus von weniger als 50% erhalten möchten, müssen Sie eine Schaltung wie die in Abb. 1 gezeigte verwenden. In dieser Schaltung umgeht eine Diode R B während der Ladephase des 555 (während der Ausgang gehalten wird hoch). Wie wirkt sich dies auf die Dauer der hohen und niedrigen Phasen des Ausgangs aus?

Die Dauer der niedrigen Ausgabe bleibt:
t = 0, 7 * R B * C Sekunden
Dies geschieht, wenn sich der Kondensator entlädt, sodass Strom vom Kondensator durch R B (in Aufwärtsrichtung in Abb. 1) in den Entladestift des 555 fließt. Dies ist die entgegengesetzte Richtung des Stromflusses, die die Diode benötigt akzeptieren, so fließt kein Strom durch die Diode. Während dieser Zeit entspricht die Schaltung in 1 funktionell der Schaltung in 2.

Die Dauer der hohen Ausgangsleistung ändert sich, insbesondere der RB-Beitrag verschwindet, weil er von der Diode umgangen wird. In diesem Fall wird der Kondensator aufgeladen, so dass Strom von der Stromversorgung Vcc durch R A (in der Abwärtsrichtung im Schema) und durch die Diode zum Kondensator fließt. Durch R B fließt kein Strom, da der Pfad durch die Diode der Pfad des Lease-Widerstands ist. Die Diode wirkt im wesentlichen als Draht über R B.

Zuvor war die Dauer der hohen Leistung:
t = 0, 7 * (R A + R B ) * C Sekunden
Wir können R B nicht einfach aus der Gleichung entfernen, da wir einen leichten Spannungsabfall (etwa 0, 7 V für Siliziumdioden) über der Diode berücksichtigen müssen. Wir haben die allgemeine Form der Dauer der hohen Ausgabe in Schritt 5 berechnet. Ich habe sie unten wiedergegeben:
t = - (R A + R B ) · C · ln [1/3 · Vcc / (Vcc - V 0 )]
Wir sollten den Spannungsabfall von der Diode (Vd) von beiden Instanzen von Vcc in dieser Gleichung subtrahieren und den Beitrag von R B entfernen
t = -R A * C * ln [(1/3 * Vcc-Vd) / (Vcc - Vd - V 0 )]
wie in Schritt 4 beträgt die Anfangsspannung V 0 1 / 3Vcc
t = -R A * C * ln [(1/3 * Vcc - Vd) / (Vcc - Vd - 1/3 Vcc)]
t = -R A * C * ln [(1/3 * Vcc - Vd) / (2/3 * Vcc - Vd)]
t = -R A * C * ln [(Vcc - 3 * Vd) / (2 * Vcc - 3 * Vd)]

Die Dauer der hohen Ausgabe ist also jetzt
t = RA * C * ln [(2 · Vcc - 3 · Vd) / (Vcc - 3 · Vd) ]
Beachten Sie, dass es keine RB-Abhängigkeit gibt. Beachten Sie auch, wie sich der Spannungsabfall an der Diode und die Versorgungsspannung auf die Gleichung auswirken.

Hierbei ist zu beachten, dass Sie auch den monostabilen Modus mit einem externen Trigger verwenden können, um ein PWM-Signal mit Arbeitszyklen zwischen 0 und 100% zu erzeugen. Wie das geht, habe ich am Ende von Schritt 4 erklärt. Weitere Informationen zu PWM mit dem 555-Timer finden Sie im Datenblatt.

Schritt 8: 555 Timer: Bistable Mode Circuit

Wie in Schritt 1 erläutert, ist ein Flip-Flop eine Schaltung, die basierend auf dem Zustand ihrer Eingänge zwischen zwei stabilen Zuständen umschaltet. Im Fall des 555-Timers im bistabilen Modus sind die beiden Eingänge die Trigger- und Reset-Pins. Standardmäßig werden beide durch Pull-up-Widerstände im bistabilen Modus hoch gehalten. Wenn der Trigger-Pin niedrig gepulst wird, wird der Ausgang hoch (Vcc). Der Ausgang bleibt hoch, auch wenn der Trigger-Pin wieder hoch gesetzt wird. Wenn der Rücksetzstift niedrig gepulst ist, geht der Ausgang auf niedrig. Auch hier bleibt der Ausgang in diesem Zustand, auch wenn der Reset-Pin wieder hoch geht.

Ich habe eine Schaltung eingerichtet, die Momentan-Tasten verwendet, um die Reset- und Trigger-Pins auf Low zu drücken, und den Status des Ausgangs mithilfe einer LED-Anzeige anzeigt.

Liste der Einzelteile:
555 Timer Digikey LM555CNFS-ND
0, 01 uF Kondensator Digikey 445-5297-ND
(x3) 10 kOhm Widerstand Digikey CF14JT10K0CT-ND
470 Ohm Widerstand Digikey CF14JT470RCT-ND
bernsteinfarben geführt Digikey C503B-ACN-CW0Y0251-ND
(x2) Momentschalter Digikey CKN9018-ND
22 Gauge Überbrückungskabel
Steckbrett Amazon
5-15V-Stromversorgung - Wenn Sie keine Tischstromversorgung haben, versuchen Sie es mit einer 9V-Batterie und einem Batterie-Snap oder verwenden Sie den 5V-Ausgang eines Arduino

Verdrahtungsinfo
Das Schema ist in Abb. 5 dargestellt. Schließen Sie Strom und Masse an die Pins 8 und 1 des 555-Timers an (rote und schwarze Drähte). Ich habe eine 9-V-Versorgung und einen Batterie-Snap für meine Schaltung verwendet. Schließen Sie, wie im Schaltplan in Abb. 5 gezeigt, einen 0, 01-uF-Kondensator zwischen Pin 5 und 1 an. Verbinden Sie Pin 6 mit einem Überbrückungskabel (schwarz) mit Masse. Lassen Sie Pin 7 schweben - er wird in diesem Setup nicht verwendet, da kein Kondensator zum Entladen vorhanden ist.

Schließen Sie eine LED und einen Strombegrenzungswiderstand in Reihe vom Ausgang des 555 an Masse an. Der Ausgangspin des 555 gibt maximal Vcc-1, 2V aus (die -1, 2V kommen von einigen Transistoren in der Schaltung, die die Spannung leicht abfallen lassen). Mein Stromkreis wurde von einer 9-V-Versorgung gespeist, daher beträgt die maximale Ausgangsleistung 9-1, 2 V = 7, 8 V. Ich habe für mein Setup einen Strombegrenzungswiderstand von 470 Ohm verwendet. Wenn Sie eine 5-V-Versorgung verwenden, können Sie einen niedrigeren Strombegrenzungswiderstand (wie 220 Ohm) und für höhere Vcc einen höheren Widerstand (möglicherweise sogar bis zu 1 K) verwenden.

Verdrahten Sie einen 10-kOhm-Widerstand zwischen Pin 4 und Vcc und Pin 2 und Vcc. Dies sind Pull-up-Widerstände, die die Pins 2 und 4 standardmäßig hoch halten. Verwenden Sie ein Überbrückungskabel, um die Stifte 2 und 4 mit zwei Momentschaltern (einen für jeden Stift) zu verbinden, die mit Masse verbunden sind. Wenn jede der Tasten gedrückt wird, wird der zugehörige Pin vorübergehend niedrig. Sehen Sie sich den Schaltplan an, wenn dies keinen Sinn ergibt.

Betrieb
Drücken Sie die Taste an Pin 2 (Auslöser). Die LED sollte aufleuchten und anzeigen, dass sich der Ausgang jetzt in einem hohen Zustand befindet. Lassen Sie die Auslösetaste los, die LED leuchtet weiter. Drücken Sie nun die Reset-Taste. Dadurch wird der Ausgang niedrig und die LED erlischt. Lassen Sie die Reset-Taste los, die LED sollte aus bleiben. Jetzt haben Sie eine Schaltung erstellt, die zwischen zwei stabilen Zuständen umschaltet, je nachdem, welche Taste zuletzt gedrückt wurde. Weitere Informationen finden Sie in Abb. 6-9.

Ähnlicher Artikel