De 555 Timer IC Meester Worden: Principes, Blokdiagrammen en Schakelschema's

In deze tutorial leren we hoe de 555 Timer werkt, een van de populairste en meest gebruikte IC's aller tijden. Je kunt de volgende video bekijken of de geschreven tutorial hieronder lezen.

Overzicht

De 555 Timer, ontworpen door Hans Camenzind in 1971, kan in veel elektronische apparaten gevonden worden, van speelgoed en keukenapparaten tot zelfs een ruimtevaartuig. Het is een hoogst stabiele geïntegreerde schakeling die nauwkeurige tijdvertragingen en oscillaties kan produceren. De 555 Timer heeft drie werkingsmodi: bistabiel, monostabiel en astabiel.

Hoe Het Werkt, Interne Schematic en Blokdiagram

Laten we eens nader kijken wat er in de 555 Timer zit en uitleggen hoe het in elk van de drie modi werkt. Hier is de interne schematic van de 555 Timer, die bestaat uit 25 transistoren, 2 diodes en 15 weerstanden.

Vergelijkbaar met een blokdiagram bestaat het uit 2 comparatoren, een flip-flop, een spanningsdeler, een ontlaadtransistor en een uitgangstrapt.

De spanningsdeler bestaat uit drie identieke 5k-weerstanden die twee referentiespanningen creëren op 1/3 en 2/3 van de toegevoerde spanning, die kan variëren van 5 tot 15V.

Vervolgens zijn er de twee comparatoren. Een comparator is een schakelingselement dat twee analoge invoerspanningen vergelijkt op zijn positieve (niet-inverterende) en negatieve (inverterende) invoerterminal. Als de invoerspanning op de positieve terminal hoger is dan de invoerspanning op de negatieve terminal, zal de comparator 1 uitvoeren. Omgekeerd, als de spanning op de negatieve invoerterminal hoger is dan de spanning op de positieve terminal, zal de comparator 0 uitvoeren.

De negatieve invoerterminal van de eerste comparator is verbonden met de 2/3 referentiespanning aan de spanningsdeler en de externe "control"-pin, terwijl de positieve invoerterminal verbonden is met de externe "Threshold"-pin.

Aan de andere kant is de negatieve invoerterminal van de tweede comparator verbonden met de "Trigger"-pin, terwijl de positieve invoerterminal verbonden is met de 1/3 referentiespanning aan de spanningsdeler.

Dus met de drie pinnen, Trigger, Threshold en Control, kunnen we de uitgang van de twee comparatoren besturen, die vervolgens worden voergegeven aan de R- en S-ingangen van de flip-flop. De flip-flop zal 1 uitvoeren als R 0 is en S 1 is, en omgekeerd, het zal 0 uitvoeren als R 1 is en S 0 is. Daarnaast kan de flip-flop gereset worden via de externe pin "Reset", die de twee ingangen kan overschrijven, dus de hele timer op elk moment kan resetten.

De Q-baar uitgang van de flip-flop gaat naar de uitgangstrapt of de uitgangsdrivers die een stroom van 200mA naar de last kunnen sourcen of sinken. De uitgang van de flip-flop is ook verbonden met een transistor die de "Discharge"-pin met de grond verbindt.

555 Timer – Bistabiele Modus

Nu laten we een voorbeeld maken van de 555 Timer die in een bistabiele modus werkt. Voor dat doel hebben we twee externe weerstanden en twee drukknoppen nodig.

De Trigger- en Reset-pinnen van de IC zijn met de twee weerstanden aan VCC verbonden, en op die manier zijn ze altijd hoog. De twee drukknoppen zijn tussen deze pinnen en de grond verbonden, dus als we ze ingedrukt houden, wordt de invoertoestand laag.

Initieel zijn de uitgangen van de twee comparatoren 0, dus de uitgang van de flip-flop evenals de uitgang van de 555 Timer zijn 0.

Als we de Trigger-drukknop indrukken, wordt de toestand bij de Trigger-invoer Laag, dus de comparator zal Hoog uitvoeren en dat zal de Q-baar uitgang van de flip-flop Laag maken. De uitgangstrapt zal dit inverteren en de uiteindelijke uitgang van de 555 Timer zal Hoog zijn.

De uitgang blijft hoog, zelfs als de trigger-drukknop niet meer ingedrukt wordt, omdat in dat geval de flip-flop-ingangen R en S 0 zullen zijn, wat betekent dat de flip-flop de vorige toestand niet zal veranderen. Om de uitgang Laag te maken, moeten we de Reset-drukknop indrukken, wat de flip-flop en de hele IC reset.

Gerelateerde tutorial: Wat is Schmitt Trigger | Hoe Het Werkt

555 Timer – Monostabiele Modus

Vervolgens laten we zien hoe de 555 Timer in een monostabiele modus werkt. Hier is een voorbeeldschakeling.

De trigger-invoer wordt hoog gehouden door het verbinden met VCC via een weerstand. Dat betekent dat de trigger-comparator 0 uitvoert naar de S-invoer van de flip-flop. Aan de andere kant is de Threshold-pin Laag en dat zorgt ervoor dat de Threshold-comparator ook 0 uitvoert. De Threshold-pin is eigenlijk Laag omdat de Q-baar uitgang van de flip-flop Hoog is, wat de ontlaadtransistor actief houdt, zodat de spanning van de bron naar de grond gaat via die transistor.

Om de 555 Timer-uitgangstoestand te veranderen naar Hoog, moeten we op de drukknop op de trigger-pin drukken. Dat zal de trigger-pin naar de grond verbinden, of de invoertoestand wordt 0, dus de comparator zal 1 uitvoeren naar de S-invoer van de flip-flop. Dit zal ervoor zorgen dat de Q-baar uitgang Laag gaat en de 555 Timer-uitgang Hoog. Tegelijkertijd kunnen we zien dat de ontlaadtransistor wordt uitgezet, zodat nu de condensator C1 gaat opladen via de weerstand R1.

De 555 Timer blijft in deze toestand tot de spanning over de condensator 2/3 van de toegevoerde spanning bereikt. In dat geval zal de Threshold-invoerspanning hoger zijn en de comparator 1 uitvoeren naar de R-invoer van de flip-flop. Dit brengt de schakeling in de initiële toestand. De Q-baar uitgang wordt Hoog, wat de ontlaadtransistor activeert alsook de IC-uitgang weer Laag maakt.

Dus we kunnen zien dat de hoeveelheid tijd dat de uitgang van de 555 Timer Hoog is, afhangt van hoeveel tijd de condensator nodig heeft om op te laden tot 2/3 van de toegevoerde spanning, en dat hangt af van de waarden van zowel de condensator C1 als de weerstand R1. We kunnen deze tijd eigenlijk berekenen met de volgende formule: T = 1,1 * C1 * R1.

555 Timer – Astabiele Modus

Vervolgens laten we zien hoe de 555 Timer in een astabiele modus werkt. In deze modus wordt de IC een oscillator of ook wel Free Running Multivibrator genoemd. Het heeft geen stabiele toestand en schakelt continu tussen Hoog en Laag zonder toepassing van een externe trigger. Hier is een voorbeeldschakeling van de 555 Timer die in astabiele modus werkt.

We hebben slechts twee weerstanden en een condensator nodig. De Trigger- en Threshold-pinnen zijn met elkaar verbonden, dus er is geen externe triggerpuls nodig. Initieel zal de spanningsbron beginnen met het opladen van de condensator via de weerstanden R1 en R2. Terwijl het oplaadt, zal de Trigger-comparator 1 uitvoeren omdat de invoerspanning bij de Trigger-pin nog steeds lager is dan 1/3 van de toegevoerde spanning. Dat betekent dat de Q-baar uitgang 0 is en de ontlaadtransistor gesloten is. Op dit moment is de uitgang van de 555 Timer Hoog.

Eenmaal de spanning over de condensator 1/3 van de toegevoerde spanning bereikt, zal de Trigger-comparator 0 uitvoeren, maar op dit punt doet dat geen verandering aangezien zowel R- als S-ingangen van de flip-flop 0 zijn. De spanning over de condensator blijft stijgen, en zodra het 2/3 van de toegevoerde spanning bereikt, zal de Threshold-comparator 1 uitvoeren naar de R-invoer van de flip-flop. Dit zal de ontlaadtransistor activeren en nu zal de condensator beginnen te ontladen via de weerstand R2 en de ontlaadtransistor. Op dit moment is de uitgang van de 555 Timer Laag.

Terwijl het ontlaadt, begint de spanning over de condensator te dalen, en de Threshold-comparator begint direct 0 uit te voeren, wat eigenlijk geen verandering doet aangezien nu zowel R- als S-ingangen van de flip-flop 0 zijn. Maar zodra de spanning over de condensator daalt tot 1/3 van de toegevoerde spanning, zal de Trigger-comparator 1 uitvoeren. Dit zal de ontlaadtransistor uitschakelen en de condensator zal weer gaan opladen. Dus dit proces van opladen en ontladen tussen 2/3 en 1/3 van de toegevoerde spanning blijft van zichzelf lopen, wat een blokgolf op de 555 Timer-uitgang produceert.

We kunnen de tijd berekenen dat de uitgang Hoog en Laag is met de getoonde formules. De Hoog-tijd hangt af van de weerstand van zowel R1 als R2, evenals de capaciteit van de condensator. Aan de andere kant hangt de Laag-tijd alleen af van de weerstand van R2 en de capaciteit van de condensator. Als we de Hoog- en Laag-tijden optellen, krijgen we de Periode van één cyclus. Aan de andere kant is de frequentie hoe vaak dit per seconde gebeurt, dus één gedeeld door de Periode geeft ons de frequentie van de blokgolf-uitgang.

Als we enkele wijzigingen aan deze schakeling aanbrengen, bijvoorbeeld de R2-weerstand vervangen door een variabele weerstand of een potentiometer, kunnen we de frequentie en de duty cycles van de blokgolf direct regelen. Echter, meer over dit in mijn volgende video waar we een PWM DC-motor snelheidscontroller maken met de 555 Timer.

Ik hoop dat je van deze tutorial hebt genoten en iets nieuws hebt geleerd. Voel je vrij om vragen te stellen in de reacties hieronder.