Микросхема не555 схемы: Микросхема 555 практическое применение — Схеми радіоаматорів

Лучшие схемы на микросхеме 555

Микросхема 555 является одной из наиболее популярных, используемых в различных электронных проектах. Это недорогое, широко используемое точное устройство синхронизации, применяемое в качестве базового таймера для создания одиночных импульсов или больших временных задержек или в качестве генератора стабилизированных сигналов с коэффициентом заполнения от 50 до 100%. Поскольку её внутренняя схема включает в себя сеть делителя напряжения; состоит из трех резисторов по 5 кОм, поэтому и название 555. Итак, в этой статье обсудим 10 лучших проектов с использованием микросхемы таймера NE555.

Сервоконтроллер

Принципиальная электрическая схема

Работа схемы

В схеме драйвера серводвигателя используем микросхему NE555 в качестве нестабильного мультивибратора, и она генерирует на выходе импульсы с двумя разными длительностями. Длительность импульса на выходе зависит от времязадающего резистора и конденсатора, включенных в схему.

Когда переключатель SW1 замкнут, микросхема 555 генерирует импульс большой длительности, и сервопривод вращается по часовой стрелке. А когда переключатель SW2 замыкается, чип генерирует короткий высокий импульс, и серводвигатель вращается назад. Таким образом и работает схема.

Контроллер мигания светодиодов

Принципиальная электрическая схема

Работа схемы

Тут 2 светодиода будут перемигиваться в зависимости от частотозадающих внешних элементов. Схема работает с диапазоном напряжения от 9 до 12 вольт.

Хлопок управляет светом

Принципиальная электрическая схема

Работа схемы

Этот переключатель состоит из двух ступеней. Первая – это каскад обнаружения, имеющий конденсаторный микрофон и сам таймер 555, который сконфигурирован как моностабильный мультивибратор. Выход с микрофона подается на срабатывающий входной контакт таймера. На второй выход микросхемы таймера подается на тактовый вход D-триггера. Другими словами, можно сказать что таймер обеспечивает синхронизацию триггера. D-триггер распознает положительный фронт импульса и соответствующим образом меняет свое состояние. Выход триггера подается на базу транзистора, который управляет реле.

Когда хлопаем рядом с конденсаторным микрофоном, он генерирует некоторый всплеск, который запускает микросхему и, следовательно, генерируется моноимпульс, который принимает микросхема триггера. Триггер обнаруживает положительный фронт импульса и меняет свое состояние на ON или OFF, в зависимости от текущего состояния.

Датчик яркости

Принципиальная электрическая схема

Работа схемы

Когда свет падает на фоторезистор, схема световой сигнализации, использующая 555 таймеров, издает звук. Микросхема 555, которая подключена к схеме в качестве нестабильного мультивибратора, в качестве датчика темноты использует LDR. Цепь управляется переменным резистором 10 кОм, который стимулирует срабатывание сигнализации при необходимой степени темноты. Динамик сопротивлением 8 Ом подключен к конденсатору емкостью 4,7 мкФ и выдает звук на выходе.

Таймер с сигналом

Принципиальная электрическая схема

Работа схемы

В этой простой схеме управляемого таймера, чип 555 является основным компонентом схемы с несколькими другими легко доступными радиодеталями. В качестве источника питания используется батарея 9 В, конечно можно подключить стационарный источник питания, используя понижающий трансформатор. Зуммер подключен к выходному выводу микросхемы. Кнопка запуска подключена к контакту 2 и через резистор R2. Схема имеет разный диапазон резисторов для разных временных диапазонов. Включаем эту цепь, замкнув переключатель S1. Выбрать диапазон таймера, замкнув переключатели S3, S4, S5 или S6, затем нажать пусковой переключатель s2 и подождать. Зуммер начнет издавать звук в зависимости от временного диапазона.

Датчик наступления темноты

Принципиальная электрическая схема

Работа схемы

Тут 555 служит в качестве схемы нестабильного мультивибратора. В схеме есть переменный резистор, позволяющий регулировать чувствительность. Когда на LDR падает непрерывный свет, ток в цепи отсутствует. Когда LDR определяет темноту (отсутствие света) – он снижает сопротивление. Затем электричество проходит по цепи. В результате подается звуковой сигнал.

Регулятор скорости мотора

Принципиальная электрическая схема

Работа схемы

Вот схема управления скоростью двигателя постоянного тока с использованием микросхемы 555. Когда подаем на схему входное напряжение 12 В, микросхема генерирует импульсы на выходном контакте 3. Импульсы зависят от потенциометра, подключенного к цепи. Этот выходной импульс от чипа управляет полевым МОП-транзистором, подключенным к цепи, поскольку выходной сигнал подается на базу транзистора, который затем подключается к двигателю для управления скоростью. Следовательно, скорость можно контролировать или изменять с помощью потенциометра.

Сенсорный переключатель

Принципиальная электрическая схема

Работа схемы

В этой схеме NE555 используется для создания импульсов, следовательно, работает как моностабильный мультивибратор. Контакт с человеком определяется сенсором. Когда кладем палец на сенсорную панель, сигнал принимается триггерным контактом микросхемы, который генерирует моноимпульс на выходе. Импульс определяется времязадающим конденсатором с1 и резистором R1. С выходной стороны есть светодиод, который включается при получении импульса. Можно поставить сюда реле и управлять мощной нагрузкой.

Диммер светодиодов

Принципиальная электрическая схема

Работа схемы

Таймер 555 действует как нестабильный мультивибратор в этой схеме диммера светодиодов, генерируя импульсы ШИМ. Компоненты синхронизации, такие как резисторы, потенциометры и конденсаторы, включены в схему и управляют рабочим циклом ШИМ-сигнала. Когда рабочий цикл высок, интенсивность света выше; когда рабочий цикл низкий, яркость соответственно ниже. Диоды используются на триггерном выводе для обхода цикла проводного потенциометра во время зарядки микросхемы в нестабильном режиме, а также для контроля постоянной частоты независимо от рабочего цикла. МОП-транзисторы подключены к выходу микросхемы для питания яркого мощного светодиода.

Светодиодные бегущие огни

Принципиальная электрическая схема

Работа схемы

В этой схеме, использующей чипы 555 и 4017, тактовый вход интегральной схемы декадного счетчика CD4017 подключен к таймеру NE555. Микросхема таймера обеспечивает вход CLK декадного счетчика прямоугольным сигналом. Каждый контакт на CD4017 подключается к светодиоду. По умолчанию, выходной контакт микросхемы имеет высокий уровень, а остальные контакты отключены. Когда входной контакт тактового сигнала микросхемы 4017 обнаруживает повышение напряжения от низкого до высокого, он отключает токовый выход и включает следующий последовательный выход.

Это изменение выходного сигнала, при котором светодиоды преследуют друг друга, продолжается до тех пор пока не будет достигнут последний светодиод, после чего выходной сигнал сбрасывается на первый светодиод и всё повторяется сначала.

datasheet на русском, описание и схема включения

Каждый радиолюбитель не раз встречался с микросхемой NE555. Этот маленький восьминогий таймер завоевал колоссальную популярность за функциональность, практичность и простоту использования. На 555 таймере можно собрать схемы самого различного уровня сложности: от простого триггера Шмитта, с обвеской всего в пару элементов, до многоступенчатого кодового замка с применением большого количества дополнительных компонентов.

В данной статье детально ознакомимся с микросхемой NE555, которая, несмотря на свой солидный возраст, по-прежнему остается востребована. Стоит отметить, что в первую очередь данная востребованность обусловлена применением ИМС в схемотехнике с использованием светодиодов.

Содержание

• 1 Описание и область применения
• 2 Особенности и недостатки
• 3 Основные параметры ИМС серии 555
• 4 Расположение и назначение выводов
• 5 Режимы работы NE555
  • 5.1 Одновибратор
  • 5.2 Мультивибратор
  • 5.3 Прецизионный триггер Шмитта с RS-триггером
• 6 3 наиболее популярные схемы на основе NE555
  • 6. 1 Одновибратор
  • 6.2 Мигание светодиодом на мультивибраторе
  • 6.3 Реле времени

Описание и область применения

NE555 является разработкой американской компании Signetics, специалисты которой в условиях экономического кризиса не сдались и смогли воплотить в жизнь труды Ганса Камензинда. Именно он в 1970 году сумел доказать важность своего изобретения, которое на тот момент не имело аналогов. ИМС NE555 имела высокую плотность монтажа при низкой себестоимости, чем заслужила особый статус.

Впоследствии её стали копировать конкурирующие производители из разных стран мира. Так появилась отечественная КР1006ВИ1, которая так и осталась уникальной в данном семействе. Дело в том, что в КР1006ВИ1 вход останова (6) имеет приоритет над входом запуска (2). В импортных аналогах других фирм такая особенность отсутствует. Данный факт следует учитывать при разработке схем с активным использованием двух входов.

Однако в большинстве случаев приоритеты не влияют на работу устройства. С целью снижения мощности потребления, ещё в 70-х годах прошлого века был налажен выпуск таймера КМОП-серии. В России микросхема на полевых транзисторах получила название КР1441ВИ1.

Наибольшее применение 555 таймер нашёл в построении схем генераторов и реле времени с возможностью задержки от микросекунд до нескольких часов. В более сложных устройствах он выполняет функции по исключению дребезга контактов, ШИМ, восстановлению цифрового сигнала и так далее.

Особенности и недостатки

Особенностью таймера является внутренний делитель напряжения, который задаёт фиксированный верхний и нижний порог срабатывания для двух компараторов. Ввиду того что делитель напряжения нельзя исключить, а пороговым напряжением нельзя управлять, область применения NE555 сужается.

Таймер на биполярных транзисторах имеет один существенный недостаток, связанный с переходом выходного каскада из одного состояния в противоположное. Каждое переключение сопровождается паразитным сквозным током, который в пике может достигать 400 мА, увеличивая тепловые потери. Решение проблемы заключается в установке полярного конденсатора ёмкостью до 0,1 мкФ между выводом управления (5) и общим проводом. Благодаря ему, повышается стабильность при запуске и надёжность всего устройства. Кроме того, для повышения помехоустойчивости цепь питания дополняют неполярным конденсатором 1 мкФ.

Таймеры, собранные на КМОП-транзисторах, лишены перечисленных недостатков и не нуждаются в монтаже внешних конденсаторов.

Основные параметры ИМС серии 555

Внутреннее устройство NE555 включает в себя пять функциональных узлов, которые можно видеть на логической диаграмме. На входе расположен резистивный делитель напряжения, который формирует два опорных напряжения для прецизионных компараторов. Выходные контакты компараторов поступают на следующий блок – RS-триггер с внешним выводом для сброса, а затем на усилитель мощности. Последним узлом является транзистор с открытым коллектором, который может выполнять несколько функций, в зависимости от поставленной задачи.

Рекомендуемое напряжение питания для ИМС типа NA, NE, SA лежит в интервале от 4,5 до 16 вольт, а для SE может достигать 18В. При этом ток потребления при минимальном Uпит равен 2–5 мА, при максимальном Uпит – 10–15 мА. Некоторые ИМС 555 КМОП-серии потребляют не более 1 мА. Наибольший выходной ток импортной микросхемы может достигать значения в 200 мА. Для КР1006ВИ1 он не выше 100 мА.

Качество сборки и производитель сильно влияют на условия эксплуатации таймера. Например, диапазон рабочих температур NE555 составляет от 0 до 70°C, а SE555 от -55 до +125°C, что важно знать при конструировании устройств для работы в открытой окружающей среде. Более детально ознакомиться с электрическими параметрами, узнать типовые значения напряжения и тока на входах CONT, RESET, THRES, и TRIG можно в datasheet на ИМС серии XX555.

Расположение и назначение выводов

NE555 и её аналоги преимущественно выпускаются в восьмивыводном корпусе типа PDIP8, TSSOP или SOIC. Расположение выводов независимо от корпуса – стандартное. Условное графическое обозначение таймера представляет собой прямоугольник с надписью G1 (для генератора одиночных импульсов) и GN (для мультивибраторов).

1. Общий (GND). Первый вывод относительно ключа. Подключается к минусу питания устройства.
2. Запуск (TRIG). Подача импульса низкого уровня на вход второго компаратора приводит к запуску и появлению на выходе сигнала высокого уровня, длительность которого зависит от номинала внешних элементов R и С. О возможных вариациях входного сигнала написано в разделе «Одновибратор».
3. Выход (OUT). Высокий уровень выходного сигнала равен (Uпит-1,5В), а низкий – около 0,25В. Переключение занимает около 0,1 мкс.
4. Сброс (RESET). Данный вход имеет наивысший приоритет и способен управлять работой таймера независимо от напряжения на остальных выводах. Для разрешения запуска необходимо, чтобы на нём присутствовал потенциал более 0,7 вольт. По этой причине его через резистор соединяют с питанием схемы. Появление импульса менее 0,7 вольт запрещает работу NE555.
5. Контроль (CTRL). Как видно из внутреннего устройства ИМС он напрямую соединен с делителем напряжения и в отсутствие внешнего воздействия выдаёт 2/3 Uпит. Подавая на CTRL управляющий сигнал, можно получить на выходе модулированный сигнал. В простых схемах он подключается к внешнему конденсатору.
6. Останов (THR). Является входом первого компаратора, появление на котором напряжения более 2/3Uпит останавливает работу триггера и переводит выход таймера в низкий уровень. При этом на выводе 2 должен отсутствовать запускающий сигнал, так как TRIG имеет приоритет перед THR (кроме КР1006ВИ1).
7. Разряд (DIS). Соединен напрямую с внутренним транзистором, который включен по схеме с общим коллектором. Обычно к переходу коллектор-эмиттер подключают времязадающий конденсатор, который разряжается, пока транзистор находится в открытом состоянии. Реже используется для наращивания нагрузочной способности таймера.
8. Питание (VCC). Подключается к плюсу источника питания 4,5–16В.

Режимы работы NE555

Таймер 555 серии работает в одном из трёх режимов, рассмотрим их более детально на примере микросхемы NE555.

Одновибратор

Принципиальная электрическая схема одновибратора приведена на рисунке. Для формирования одиночных импульсов, кроме микросхемы NE555, понадобится сопротивление и полярный конденсатор. Схема работает следующим образом. На вход таймера (2) подают одиночный импульс низкого уровня, который приводит к переключению микросхемы и появлению на выходе (3) высокого уровня сигнала. Продолжительность сигнала рассчитывается в секундах по формуле:

t=1,1*R*C.

По истечении заданного времени (t) на выходе формируется сигнал низкого уровня (исходное состояние). По умолчанию вывод 4 объединен с выводом 8, то есть имеет высокий потенциал.

Во время разработки схем нужно учесть 2 нюанса:

1. Напряжение источника питания не влияет на длительность импульсов. Чем больше напряжение питания, тем выше скорость заряда времязадающего конденсатора и тем больше амплитуда выходного сигнала.
2. Дополнительный импульс, который можно подать на вход после основного, не повлияет на работу таймера, пока не истечет время t.

На работу генератора одиночных импульсов можно влиять извне двумя способами:

• подать на Reset сигнал низкого уровня, который переведёт таймер в исходное состояние;
• пока на вход 2 поступает сигнал низкого уровня, на выходе будет оставаться высокий потенциал.

Таким образом, с помощью одиночных сигналов на входе и параметров времязадающей цепочки можно получать на выходе импульсы прямоугольной формы с чётко заданной длительностью.

Мультивибратор

Мультивибратор представляет собой генератор периодических импульсов прямоугольной формы с заданной амплитудой, длительностью или частотой, в зависимости от поставленной задачи. Его отличие от одновибратора состоит в отсутствии внешнего возмущающего воздействия для нормального функционирования устройства. Принципиальная схема мультивибратора на базе NE555 показана на рисунке.

В формировании повторяющихся импульсов участвуют резисторы R₁, R₂ и конденсатор С₁. Время импульса (t₁), время паузы(t₂), период (T) и частоту (f) рассчитывают по нижеприведенным формулам: Из данных формул несложно заметить, что время паузы не сможет превысить время импульса, то есть достичь скважности (S=T/t₁) более 2 единиц не удастся. Для решения проблемы в схему добавляют диод, катод которого соединяют с выводом 6, а анод с выводом 7.

В datasheet на микросхемы часто оперируют величиной, обратной скважности – Duty cycle (D=1/S), которую отображают в процентах.

Схема работает следующим образом. В момент подачи питания конденсатор С₁ разряжен, что переводит выход таймера в состояние высокого уровня. Затем С₁ начинает заряжаться, набирая ёмкость до верхнего порогового значения 2/3 U_ПИТ. Достигнув порога ИМС переключается, и на выходе появляется низкий уровень сигнала. Начинается процесс разряда конденсатора (t₁), который продолжается до нижнего порогового значения 1/3 U_ПИТ. По его достижении происходит обратное переключение, и на выходе таймера устанавливается высокий уровень сигнала. В результате схема переходит в автоколебательный режим.

Прецизионный триггер Шмитта с RS-триггером

Внутри таймера NE555 встроен двухпопроговый компаратор и RS-триггер, что позволяет реализовывать прецизионный триггер Шмитта с RS-триггером на аппаратном уровне. Входное напряжение делится компаратором на три части, при достижении каждой из которых происходит очередное переключение. При этом величина гистерезиса (обратного переключения) равна 1/3 U_ПИТ. Возможность применения NE555 в качестве прецизионного триггера востребована в построении систем автоматического регулирования.

3 наиболее популярные схемы на основе NE555

Одновибратор

Практический вариант схемы одновибратора на TTL NE555 приведен на рисунке. Схема питается однополярным напряжением от 5 до 15В. Времязадающими элементами здесь являются: резистор R₁ – 200кОм-0,125Вт и электролитический конденсатор С₁ – 4,7мкФ-16В. R₂ поддерживает на входе высокий потенциал, пока некоторое внешнее устройство не сбросит его до низкого уровня (например, транзисторный ключ). Конденсатор С₂ защищает схему от сквозных токов в моменты переключения.

Активизация одновибратора происходит в момент кратковременного замыкания на землю входного контакта. При этом на выходе формируется высокий уровень длительностью:

t=1,1*R₁*C₁=1,1*200000*0,0000047=1,03 c.

Таким образом, данная схема формирует задержку выходного сигнала относительно входного на 1 секунду.

Мигание светодиодом на мультивибраторе

Отталкиваясь от рассмотренной выше схемы мультивибратора можно собрать простую светодиодную мигалку. Для этого к выходу таймера последовательно с резистором подключают светодиод. Номинал резистора находят по формуле:

R=(U_ВЫХ-U_LED)/I_LED,

U_ВЫХ – амплитудное значение напряжения на выводе 3 таймера.

Количество подключаемых светодиодов зависит от типа применяемой микросхемы NE555, её нагрузочной способности (КМОП или ТТЛ). Если необходимо мигать светодиодом мощностью более 0,5 Вт, то схему дополняют транзистором, нагрузкой которого станет светодиод.

Реле времени

Схема регулируемого таймера (электронное реле времени) показана на рисунке. С её помощью можно вручную задавать длительность выходного сигнала от 1 до 25 секунд. Для этого последовательно с постоянным резистором в 10 кОм устанавливают переменный номиналом в 250 кОм. Ёмкость времязадающего конденсатора увеличивают до 100 мкФ.

Схема работает следующим образом. В исходном состоянии на выводе 2 присутствует высокий уровень (от источника питания), а на выводе 3 низкий уровень. Транзисторы VT1, VT2 закрыты. В момент подачи на базу VT1 положительного импульса по цепи (Vcc-R2-коллектор-эмиттер-общий провод) протекает ток. VT1 открывается и переводит NE555 в режим отсчета времени. Одновременно на выходе ИМС появляется положительный импульс, который открывает VT2. В результате ток эмиттера VT2 приводит к срабатыванию реле. Пользователь может в любой момент прервать выполнение задачи, кратковременно закоротив RESET на землю.

Транзисторы SS8050, приведенные на схеме, можно заменить на КТ3102.

Рассмотреть все популярные схемы на основе NE555 в одной статье невозможно. Для этого существуют целые сборники, в которых собраны практические наработки за всё время существования таймера. Надеемся, что приведенная информация послужит ориентиром во время сборки схем, в том числе нагрузкой которых служат светодиоды.

Electronics Components: Как работает микросхема таймера 555 2 Исследуйте книгу Купить на Amazon

-чиповая версия широко используемой схемы, называемой мультивибратором , которая полезна в самых разных электронных схемах. Микросхема таймера 555, вероятно, является самой популярной интегральной схемой из когда-либо созданных.

Вы можете использовать микросхемы 555 для основных функций синхронизации, таких как включение света на определенный период времени, или вы можете использовать их для создания сигнальной лампы, которая мигает и выключается. Вы можете использовать его для создания музыкальных нот определенной частоты или для управления позиционированием сервопривода.

Вот расположение восьми контактов в стандартной микросхеме 555. 555 поставляется в 8-контактном DIP-корпусе.

Вот функции каждого из восьми контактов:

• Земля: Контакт 1 соединен с землей.

• В _CC : Контакт 8 подключен к положительному напряжению питания. Это напряжение должно быть не менее 4,5 В и не более 15 В. Обычно схемы 555 работают с четырьмя батареями AA или AAA, обеспечивающими 6 В, или с одной батареей 9 В.батарея В.

• Выход: Контакт 3 является выходным контактом. На выходе либо низкий уровень, который очень близок к 0 В, либо высокий уровень, который близок к напряжению питания на контакте 8. Точная форма выхода — то есть, как долго он высокий и как долго низкий, зависит от соединений с оставшимися пятью контактами.

• Триггер: Контакт 2 — это триггер , который работает как стартовый пистолет для запуска таймера 555. Триггер — активный низкий уровень триггера , что означает, что таймер запускается, когда напряжение на контакте 2 падает ниже одной трети напряжения питания. Когда 555 запускается через контакт 2, выход на контакте 3 становится высоким.

• Разрядка: Контакт 7 называется разгрузкой . Этот контакт используется для разрядки внешнего конденсатора, который работает вместе с резистором для управления временным интервалом. В большинстве схем контакт 7 подключен к напряжению питания через резистор и к земле через конденсатор.

• Порог: Контакт 6 называется порогом . Целью этого вывода является контроль напряжения на конденсаторе, который разряжается через контакт 7. Когда это напряжение достигает двух третей напряжения питания (Vcc), цикл синхронизации заканчивается, и выход на контакте 3 становится низким.

• Контроль: Контакт 5 является контрольным контактом. В большинстве схем 555 этот вывод просто соединен с землей, обычно через небольшой конденсатор емкостью 0,01 мкФ. (Конденсатор предназначен для выравнивания любых колебаний напряжения питания, которые могут повлиять на работу таймера.)

• Сброс: Контакт 4 является контактом сброса, который можно использовать для перезапуска операции синхронизации 555. Как и триггерный вход, сброс является активным низким входом. Таким образом, вывод 4 должен быть подключен к напряжению питания для работы таймера 555. Если контакт 4 на мгновение замыкается на землю, работа таймера 555 прерывается и не запускается снова до тех пор, пока он снова не будет запущен через контакт 2.

При использовании на принципиальной схеме выводы микросхемы таймера 555 почти всегда показаны в показанном здесь расположении. Напряжение питания вверху, земля внизу, входы слева, выходы справа.

Эту статью можно найти в категории:

• Схема ,

взгляд внутрь чипа таймера Early 555

Если вы играли с электронными схемами, вы, вероятно, знаете
интегральная схема таймера 555,1
считается самой продаваемой интегральной схемой в мире
с проданными миллиардами.
Разработанный волшебником аналоговых ИС Гансом Камензиндом2, 555 был назван одним из
лучшие фишки всех времен.

8-контактный таймер 555 с логотипом Signetics. У него нет метки 555, вместо этого он помечен как «52B 01003» с кодом даты 7304, что указывает на 4-ю неделю из 19.73. Фото предоставлено Эриком Шлепфером.

Эрик Шлепфер (@TubeTimeUS) недавно наткнулся на указанный выше чип с загадочным номером детали.
Он утомительно отшлифовал эпоксидную смолу, чтобы открыть кристалл (ниже), и определил, что чип представляет собой таймер 555.
Signetics выпустила таймер 555 в середине 1972 г. 4 , а приведенный ниже чип имеет код даты января 1973 г. (7304), поэтому он должен быть одним из первых таймеров 555.
Любопытно, что на нем нет маркировки 555, так что, возможно, это прототип или внутренняя версия.3
Я сделал подробные фотографии штампов, которые я обсуждаю в этом сообщении в блоге.

Таймер 555 с отшлифованной упаковкой, чтобы обнажить кремниевый кристалл, крошечный квадратик посередине.

Краткое описание таймера 555

Таймер 555 имеет сотни приложений, работающих как таймер или защелка, как генератор или модулятор, управляемый напряжением.
На приведенной ниже диаграмме показано, как таймер 555 работает как простой генератор.
Внутри микросхемы 555 три резистора образуют делитель, формирующий опорные напряжения 1/3 и 2/3 от напряжения питания.
Внешний конденсатор будет заряжаться и разряжаться между этими пределами, создавая колебания.
Более подробно, конденсатор будет медленно заряжаться (А) через внешние резисторы, пока его напряжение не достигнет опорного значения 2/3.
В этот момент (B) верхний (пороговый) компаратор отключает триггер и выход. Это включает разрядный транзистор, медленно разряжая конденсатор (С). Когда напряжение на конденсаторе достигает опорного значения 1/3 (D), включается нижний (триггерный) компаратор, устанавливая триггер и выход, и цикл повторяется. Значения резисторов и конденсатора определяют время от микросекунд до часов.5

Схема, показывающая, как таймер 555 может работать как осциллятор. Внешний конденсатор заряжается и разряжается через внешние резисторы под управлением таймера 555.

Подводя итог, ключевыми компонентами таймера 555 являются компараторы для определения верхнего и нижнего пределов напряжения, делитель с тремя резисторами для установки этих пределов и триггер для отслеживания того, заряжается или разряжается цепь.
Таймер 555 имеет два других вывода (сброс и управляющее напряжение), которые я не рассмотрел выше; их можно использовать для более сложных схем.

Структура интегральной схемы

Фото ниже я создал из компоновки изображений микроскопа.
Поверх кремния тонкий слой металла соединяет разные части чипа. Этот металл хорошо виден на фото в виде светлых следов. Под металлом тонкий стеклообразный слой диоксида кремния обеспечивает изоляцию между металлом и кремнием, за исключением случаев, когда контактные отверстия в диоксиде кремния позволяют металлу соединяться с кремнием. На краю чипа тонкие провода соединяют металлические площадки с внешними контактами чипа.

Штамп фото таймера 555. Нажмите на это изображение (или любое другое), чтобы увеличить его.

Различные типы кремния на чипе труднее увидеть.
Области чипа обрабатываются (легируются) примесями для изменения электрических свойств кремния. Кремний N-типа имеет избыток электронов (отрицательный), в то время как кремний P-типа не имеет электронов (положительный).
На фотографии эти области показаны немного другим цветом, окруженным тонкой черной рамкой.
Эти области являются строительными блоками микросхемы, образуя транзисторы и резисторы.

Транзисторы NPN внутри микросхемы

Транзисторы являются ключевыми компонентами микросхемы. В таймере 555 используются биполярные транзисторы NPN и PNP.
Если вы изучали электронику, вы, вероятно, видели схему NPN-транзистора, подобную приведенной ниже, на которой показаны коллектор (C), база (B) и эмиттер (E) транзистора. сэндвич из кремния P между двумя симметричными слоями кремния N; слои N-P-N составляют NPN-транзистор.
Оказывается, транзисторы на микросхеме выглядят совсем не так, а база зачастую даже не посередине!

Схематическое обозначение транзистора NPN вместе с упрощенной схемой его внутренней структуры.

На фотографии ниже крупным планом показан один из транзисторов 555, как он выглядит на микросхеме.
Немного отличающиеся оттенки в кремнии указывают на области, которые были легированы с образованием областей N и P.
Беловатые области — это металлический слой чипа поверх кремния — они образуют провода, соединяющиеся с коллектором, эмиттером и базой.

Структура транзистора NPN на кристалле.

Под фотографией находится поперечный разрез, иллюстрирующий конструкцию транзистора. Там гораздо больше, чем просто бутерброд N-P-N, который вы видите в книгах, но если вы внимательно посмотрите на вертикальное сечение под буквой «E», вы можете найти N-P-N, который образует транзистор. Провод эмиттера (E) подключен к кремнию N+. Ниже находится P-слой, соединенный с базовым контактом (B). А под ним находится слой N+, связанный (косвенно) с коллектором (C)6.
Транзистор окружен кольцом P+, которое изолирует его от соседних компонентов.

PNP-транзисторы внутри микросхемы

Можно было ожидать, что PNP-транзисторы будут аналогичны NPN-транзисторам, только поменяв местами N- и P-кремний. Но по разным причинам PNP-транзисторы имеют совершенно другую конструкцию.
Они состоят из небольшого круглого эмиттера (P), окруженного кольцеобразным основанием (N), которое окружено коллектором (P). Это образует сэндвич PNP по горизонтали (сбоку), в отличие от вертикальной структуры транзисторов NPN.

На приведенной ниже диаграмме показан один из PNP-транзисторов в модели 555, а также поперечное сечение кремниевой структуры.
Обратите внимание, что хотя металлический контакт для базы находится на краю транзистора, он электрически соединен через области N и N+ с его активным кольцом между коллектором и эмиттером.

Транзистор PNP в микросхеме таймера 555. Соединения для коллектора (C), эмиттера (E) и базы (B) помечены вместе с кремнием, легированным N и P. База образует кольцо вокруг эмиттера, а коллектор образует кольцо вокруг базы.

Выходные транзисторы модели 555 намного больше, чем другие транзисторы, и имеют другую структуру, обеспечивающую сильноточный выходной сигнал. На фото ниже показан один из выходных транзисторов. Обратите внимание на многочисленные сцепленные «пальцы» эмиттера и базы, окруженные большим коллектором.

Большой сильноточный выходной транзистор NPN в микросхеме таймера 555. Коллектор (C), база (B) и эмиттер (E) помечены.

Как резисторы реализованы в кремнии

Резисторы являются ключевым компонентом аналоговых микросхем. К сожалению, резисторы в ИС большие и неточные; сопротивление может варьироваться на 50% от чипа к чипу. Таким образом, аналоговые ИС спроектированы таким образом, что имеет значение только отношение резисторов, а не абсолютные значения, поскольку отношения остаются почти постоянными.

Резистор внутри таймера 555. Резистор представляет собой полоску кремния P между двумя металлическими контактами.

На фото выше показан 10 кОм; Резистор в 555, образованный из полоски кремния P (розовато-серого цвета), контактирующей с металлическими проводами на обоих концах. Другие металлические провода пересекаются
резистор. Резистор имеет спиралевидную форму, чтобы его длина соответствовала доступному пространству.
Ниже резистор на 100 кОм. пережимной резистор .
Слой кремния N поверх пережимного резистора делает проводящую область намного тоньше (то есть сжимает ее), формируя гораздо более высокое, но менее точное сопротивление.

Пережимной резистор внутри таймера 555. Резистор представляет собой полоску кремния P между двумя металлическими контактами. Слой N сверху зажимает резистор и увеличивает сопротивление. Этот резистор пересекает вертикальная металлическая линия.

Компонент ИС: Текущее зеркало

Есть некоторые подсхемы, которые очень распространены в аналоговых ИС, но на первый взгляд могут показаться загадочными. Текущее зеркало является одним из них.
Если вы смотрели на блок-схемы аналоговых интегральных схем, вы, возможно, видели приведенные ниже символы, указывающие на источник тока, и задавались вопросом, что такое источник тока и почему вы должны его использовать. Идея состоит в том, что вы начинаете с одного известного тока, а затем можете «клонировать» несколько копий тока с помощью простой транзисторной схемы, токового зеркала.

Схематические символы для источника тока.

На следующей схеме показано, как реализовано токовое зеркало с двумя идентичными транзисторами. 7 Опорный ток проходит через правый транзистор. (В этом случае ток задается резистором.) Поскольку оба транзистора имеют одинаковое напряжение эмиттера и напряжение базы, они вырабатывают одинаковый ток, поэтому ток справа соответствует эталонному току слева.8

Текущая схема зеркала. Ток справа копирует ток слева.

Токовое зеркало обычно используется для замены резисторов. Как объяснялось ранее, резисторы внутри ИС имеют неудобные размеры и неточны. По возможности, использование токового зеркала вместо резистора экономит место.
Кроме того, токи, создаваемые токовым зеркалом, почти идентичны, в отличие от токов, создаваемых двумя резисторами.

Три транзистора образуют токовое зеркало в микросхеме таймера 555. Все они имеют одну базу, а два транзистора имеют общие эмиттеры.

Три приведенных выше транзистора образуют токовое зеркало с двумя выходами. Обратите внимание, что три транзистора имеют общее соединение базы, подключенное к коллектору справа, а эмиттеры справа соединены вместе.
На схеме два транзистора справа изображены как один двухколлекторный транзистор Q19.

Компонент интегральной схемы: дифференциальная пара

Второй важной схемой для понимания является дифференциальная пара, наиболее распространенная двухтранзисторная подсхема, используемая в аналоговых ИС. 9Вы, возможно, задавались вопросом, как компаратор сравнивает два напряжения или операционный усилитель вычитает два напряжения. Это работа дифференциальной пары.

Схема простой цепи дифференциальной пары. Источник тока посылает фиксированный ток I через дифференциальную пару. Если два входа равны, ток делится поровну.

На приведенной выше схеме показана простая дифференциальная пара. Источник тока в нижней части обеспечивает фиксированный ток I, который распределяется между двумя входными транзисторами. Если входные напряжения равны, ток будет разделен поровну на две ветви (I1 и I2). Если одно из входных напряжений немного выше другого, соответствующий транзистор будет проводить экспоненциально больший ток, поэтому одна ветвь получает больше тока, а другая ветвь — меньше.
Небольшой входной разницы достаточно, чтобы направить большую часть тока в «выигрышную» ветвь, включая или выключая компаратор.
Микросхема 555 использует одну дифференциальную пару для порогового компаратора, а другую — для триггерного компаратора.10

Схематический интерактивный проводник 555

Фото и схема кристалла 55511
ниже интерактивны. Щелкните компонент на кристалле или схеме, и отобразится краткое описание компонента.
(Подробное обсуждение того, как работает таймер 555, см.
555 Принципы работы.)

Для краткого обзора см.
большие выходные транзисторы и разрядный транзистор являются наиболее очевидными особенностями кристалла.
Пороговый компаратор состоит из транзисторов с Q1 по Q8. Компаратор триггера состоит из транзисторов Q10–Q13 и токового зеркала Q9..
Q16 и Q17 образуют триггер. Три 5кОм; резисторы, образующие делитель напряжения, находятся в середине микросхемы.12
Городская легенда гласит, что 555 назван в честь этих трех резисторов 5K, но
по словам его дизайнера
555 — это просто произвольное число в серии 500 чипов.

Нажмите на кристалл или схему для получения подробной информации…

Заключение

Надеюсь, вы нашли этот взгляд внутри микросхемы таймера 555 интересным.
В следующий раз, когда вы будете создавать проект 555, вы точно будете знать, что находится внутри чипа.
Я уже писал о таймере 555 раньше; этот пост почти такой же, как тот, но с другим кубиком.
Я также писал о версии CMOS.
Спасибо Эрику Шлепферу13 за предоставление штампа; см. его ветку в Твиттере, чтобы узнать об этом чипе.

Я анонсирую свои последние посты в Твиттере, так что подписывайтесь на меня @kenshirriff, и вы не пропустите ни одной статьи! У меня также есть RSS-канал.

Примечания и ссылки

1. Таймер 555 достаточно символичен, чтобы его можно было включить.
   кружки, сумки,
   кепки и
   футболки.
   Целые книги посвящены
   555
   таймер
   схемы. ↩

2. Книга Designing Analog Chips , написанная изобретателем 555 Гансом Камензиндом, действительно интересна, и я рекомендую ее, если вы хотите узнать, как работают аналоговые микросхемы.
   В главе 11 подробно обсуждается история и работа модели 555. На странице 11-3 утверждается, что 555 была самой продаваемой микросхемой каждый год, хотя я не знаю, так ли это до сих пор.
   Бесплатный PDF здесь
   или получить
   книга. ↩

3. Матрица имеет номер детали 1000 и версию «C», так что это, вероятно, соответствует номеру 01003 на упаковке.
   Я подозреваю, что эта микросхема является третьей ревизией маски оригинальной 555.

   .

   Первый штамп 555 с выделенным номером детали «1000» и увеличенной версией «A».

   Кристалл первой версии таймера 555 (выше) отмечен номером «1000» и ревизией «А».
   Я сравнил это изображение с фотографией кристалла, которую сделал, и не увидел никаких отличий, за исключением того, что ревизия изменилась на «C».
   Изменения маски, должно быть, были довольно тонкими.
   (Это изображение есть в Википедии и
   IEEE Спектр.
   Изображение подписано как штамп первой микросхемы таймера 555, произведенной в 1971.) ↩

4. Чип 555 был представлен в середине 1972 года, согласно Signetics Analog Applications, стр. 149. ↩

5. Отличительной особенностью таймера 555 является то, что частота колебаний зависит только от внешних резисторов и конденсатора и нечувствительна к напряжению питания. Если напряжение питания падает, эталоны 1/3 и 2/3 также падают, поэтому можно ожидать, что колебания будут быстрее. Но более низкое напряжение заряжает конденсатор медленнее, компенсируя это и поддерживая постоянную частоту.

   Эта нечувствительность к напряжению настолько коварна, что разработчик чипа не понял этого почти до самого конца конструкции 555,
   но это имело большое значение.
   Первоначальная конструкция была более сложной и требовала девяти выводов, что является ужасным размером для микросхемы.
   так как нет пакетов между 8 и 14 пинами.
   Окончательная, более простая конструкция 555 работала с 8 контактами, что делало упаковку чипа намного дешевле.
   (Полную информацию см. на стр. 11-3 из Designing Analog Chips .) ↩

6. Вы, наверное, задавались вопросом, почему существует различие между коллектором и эмиттером транзистора, когда типичная схема транзистора симметрична.
   Как видно из фото кристалла, в реальном транзисторе коллектор и эмиттер сильно отличаются. Помимо очень большой разницы в размерах, легирование кремния отличается. В результате транзистор будет иметь плохой коэффициент усиления, если коллектор и эмиттер поменять местами. ↩

7. Для получения дополнительной информации о текущих зеркалах проверьте Википедию, любую книгу по аналоговым ИС или главу 3
   Проектирование аналоговых микросхем. ↩

8. На схеме внизу изображен необычный символ, обозначающий транзистор с двумя коллекторами.
   База нарисована с той же стороны, что и эмиттер и коллекторы, что добавляет путаницы.
   На кристалле этот транзистор реализован двумя отдельными транзисторами с эмиттерами и базами, соединенными вместе.
   В других схемах иногда используется один транзистор с двумя физическими коллекторами.

   Этот символ указывает на транзистор с двумя коллекторами.

   ↩

9. Дифференциальные пары также называются парами с длинными хвостами.
   В соответствии с
   Анализ и проектирование аналоговых интегральных схем
   дифференциальная пара — это «пожалуй, наиболее широко используемые двухтранзисторные подсхемы в монолитных
   аналоговые схемы.» (стр.214)
   Для получения дополнительной информации о дифференциальных парах см. Википедию, любую книгу по аналоговым микросхемам или главу 4 книги Designing Analog Chips . ↩

10. В модели 555 пороговый компаратор использует NPN-транзисторы, а триггерный компаратор — PNP-транзисторы. Это позволяет пороговому компаратору работать вблизи напряжения питания, а триггерному компаратору работать вблизи земли. Компараторы 555 также используют два транзистора на каждом входе (пара Дарлингтона) для буферизации входов. ↩

11. Схема 555, используемая в этой статье, взята из
    Техническое описание Филипс.
    Он идентичен схеме Signetics p150. ↩

12. Обратите внимание, что три резистора делителя напряжения расположены параллельно и рядом друг с другом.