2 Základní zapojení èasovaèe 555 Základní zapojení jsou taková zapojení, na kterých se na jedné stranì vysvìtlují základní principy funkce obvodu nebo

Vážení zákazníci, dovolujeme si Vás upozornit, že na tuto ukázku knihy se vztahují autorská práva, tzv. copyright. To znamená, že ukázka má sloužit výhradnì pro osobní potøebu potenciálního kupujícího (aby ètenáø vidìl, jakým zpùsobem je titul zpracován a mohl se také podle tohoto, jako jednoho z parametrù, rozhodnout, zda titul koupí èi ne). Z toho vyplývá, že není dovoleno tuto ukázku jakýmkoliv zpùsobem dále šíøit, veøejnì èi neveøejnì napø. umisováním na datová média, na jiné internetové stránky (ani prostøednictvím odkazù) apod. redakce nakladatelství BEN – technická literatura

[email protected]

2

Základní zapojení èasovaèe 555

Základní zapojení jsou taková zapojení, na kterých se na jedné stranì vysvìtlují základní principy funkce obvodu nebo na druhé stranì pøedstavují jeho typická užití. U èasovaèe 555 je to blokové zapojení, jehož pomocí lze zjednodušenì zobrazit pomìrnì složité souvislosti ve vlastním obvodu, což postaèuje pro vysvìtlení a pochopení vìtšiny jeho použití. Pro popis dalších zapojení je pøedpokládána znalost vnitøního blokového zapojení a èasovaè 555 je na vnìjšek pøedstavován jen jako jednoduchý „blok“ (z toho je odvozen název „blokové zapojení“) s osmi vývody. Vnitøní zapojení naproti tomu umožòuje poznat zpùsob práce èasovaèe 555 až do nejzašších podrobností a dává obraz o komplikované stavbì monolitického integrovaného obvodu, který je jeho základem. Èasovaè 555 je ponejvíce používán jako multivibrátor - je to tedy jeho základní zapojení. Pøitom existují rùzné druhy multivibrátorù, které pracují napø. jako èasovací nebo zpožïovací spínaèe (monostabilní multivibrátory), jako oscilátory (astabilní multivibrátory) nebo jako klopné obvody (bistabilní multivibrátory). Pro pochopení funkce dalších pøedložených zapojení je nutno znát funkci základních zapojení. Proto jsou v samostatné kapitole nejprve podrobnì popsána základní zapojení.

2.1

Popis funkce èasovaèe 555

Funkci èasovaèe lze popsat na základì zjednodušeného blokového zapojení nebo podrobnì na základì kompletního vnitøního zapojení. Pro vìtšinu pøípadù je blokové zapojení postaèující; koho však zajímají složité vnitøní souvislosti, mùže prohloubit studium èasovaèe natolik, že se dostane pøi pøesném popisu až na úroveò jednotlivých tranzistorù a odporù vnitøního zapojení.

2.1.1

Blokové zapojení

Èasovaè 555 je monolitický integrovaný obvod, provedený bipolární technikou. Jeho zapojení se skládá z napìového dìlièe, ze dvou komparátorù, z pamìového klopného obvodu, z výkonového koncového stupnì a ze spínacího tranzistoru. Komparátor je vlastnì porovnávaè napìtí. Jakmile pøekroèí vstupní napìtí hodnotu porovnávacího napìtí, zmìní výstup skokovì svùj stav. Na obr. 1 je blokové zapojení, tedy zjednodušené a pro výklad funkce nejvhodnìjší zobrazení obvodu. Blokové zapojení ukazuje vzájemné propojení nejdùležitìjších èástí. Vstupy dvou operaèních zesilovaèù, zapojených jako komparátory jsou hlavními vstupy zapojení. Porovnávacími napìtími jsou dvì referenèní napìtí, získaná napìovým dìlièem. Výstupy obou komparátorù jsou spojeny se vstupy klopného obvodu RS (reset-set), který má vyveden ještì jeden nulovací vstup. Výstup klopného obvodu je spojen se vstupem výstupního výkonového stupnì, jehož výstup je vyveden, tvoøí hlavní výstup èasovaèe 555 a umožòuje v rùzných zapojeních odpovídající zatížení.

8

Jan Hájek: Èasovaè 555

Obr. 1 Blokové zapojení. K1 - horní komparátor (vypínací komparátor), K2 - dolní komparátor (zapínací komparátor), KO - Flipflop (klopný obvod), IZ - invertující zesilovaè (koncový), T - spínací tranzistor. Na výstup klopného obvodu je navíc pøipojen tranzistorový spínací stupeò s tak zvaným otevøeným kolektorem. Vnitøní napìový dìliè tvoøí tøi shodné odpory s nominální hodnotou pøibližnì 5 kW. Dìliè je pøipojen na napájecí napìtí UB a vytváøí referenèní napìtí, potøebná pro vstupy komparátorù. Provozní napìtí UB (mìøeno proti zemi, vývod 1), pøiložené na vývod 8 je bez zapojení vnìjších souèástí nebo obvodù (nepøítomnost øídícího napìtí na vývodu 5) dìleno vždy v pomìru odporù, t.j. vznikají dvì èásteèná napìtí: 2/3 UB a 1/3 UB. Na tato dvì napìtí jsou pøipojeny vstupy obou komparátorù. Na propojení obou horních odporù je pøipojen invertující vstup horního operaèního zesilovaèe (komparátor K1, nazývaný též vypínací komparátor) - tento bod je souèasnì vyveden (vývod 5). Na propojení dolních odporù je pøipojen neinvertující vstup dolního operaèního zesilovaèe (komparátor K2, nazývaný též zapínací komparátor). Tímto spojením vstupù komparátorù s dìlièem napìtí je dosaženo toho, že komparátor K2 pøi poklesu spouštìcího napìtí pod jeho prahové napìtí nastaví klopný obvod, zatímco komparátor K1 pøi zvìtšení vstupního napìtí nad jeho prahové napìtí dává klopnému obvodu nulovací signál. Jan Hájek: Èasovaè 555

9

Obr. 2 Varianta blokového zapojení. K1 - vypínací komparátor, K2 - zapínací komparátor, KO - klopný obvod.

Vstupy obou komparátorù jsou vyvedeny a tvoøí hlavní vstupy èasovaèe 555. Vstup horního komparátoru K1 je spojen s vývodem 6 a je oznaèován jako práh (prahový vstup, prahová hodnota, prahové napìtí, vypínací úroveò atd., nìmecky „Schwelle“, anglicky „treshold“). Vstup dolního komparátoru K2 je spojen s vývodem 2 a je oznaèován jako spouštìní (spouštìcí vstup, spouštìcí napìtí, zapínací úroveò atd., anglicky „trigger“). Za klopným obvodem je zapojen invertující výkonový stupeò, takže hlavní výstup (vývod 3) mùže zpracovávat i vìtší proudy. Bez vnìjšího zapojení se chová èasovaè 555 jako komparátor s hysterezí, podobnì jako Schmittùv obvod. Jestliže napìtí na vstupu komparátoru K2 (vývod 2) poklesne pod dolní referenèní napìtí, pøeklopí výstup (vývod 3) na úroveò H. Pøekroèí-li naopak napìtí na vstupu komparátoru K1 (vývod 6) horní referenèní napìtí, pøeklopí výstup (vývod 3) na úroveò L.

10

Jan Hájek: Èasovaè 555

Obr. 3 Americká varianta blokového zapojení.

Klopný obvod slouží pøitom k odstranìní pøípadných zákmitù obou komparátorù, které samy hysterezi nemají. Toto zapojení umožòuje tak zpracování i takových vstupních napìtí, které se jen velmi málo mìní. Tato vlastnost je využita napø. pøi zapojení multivibrátorù. Na obr. 2 je uvedeno obdobné blokové zapojení, které mnohem lépe ukazuje provedení výkonové èásti výstupního obvodu èasovaèe. Podle toho, zda vede horní tranzistor T2, mùže koncový zesilovaè buï výstupní proud dodat (source), nebo jestliže vede dolní tranzistor T3, pak proud pøijmout (sink). Odpovídající zpùsob chování je urèen vnìjším zapojením výstupù: zátìž je zapojena buï mezi napájecím napìtám UB a výstupem nebo mezi výstupem a zemí (spoleèný vodiè). Maximální pøípustný výstupní proud je 200 mA. Èasovaè 555 má ještì jeden další výstup: vyvedený kolektor pomocného tranzistoru, který slouží jako spínaè. Jak je z obr. 2 vidìt, je tranzistor T1 buzen ze stejného místa jako dolní Jan Hájek: Èasovaè 555

11

tranzistor T3 koncového stupnì, takže je-li spojen kolektor tranzistoru T1 zatìžovacím odporem s napájecím napìtím, pracují oba výstupy soufázovì. Tento samostatný spínací tranzistor je používán k vybíjení vnìjšího kondenzátoru v zapojeních multivibrátorù a proto je jeho kolektor (vývod 7) oznaèován jako vybíjení (vybíjecí tranzistor, vybíjení kondenzátoru atd., nìmecky „Entladen“, anglicky „discharge“). Pamìový klopný obvod (KO) má ještì jeden nulovací vstup, pøístupný na vývodu 4, který umožòuje nulování klopného obvodu nezávisle na signálech z komparátorù. Úroveò L na tomto vstupu nastaví výstup klopného obvodu na úroveò H. Na výstupu èasovaèe 555 (vývod 3) je pak vzhledem k invertující vlastnosti koncového zesilovaèe úroveò L. Úroveò H na nulovacím vstupu nemá vliv na funkci zapojení - proto bývá vstup „nulování“ (vývod 4) èasto spojován s napájecím napìtím. Na obr. 3 je uvedeno další blokové zapojení, pocházející z pùvodních amerických publikací. Zjednodušené zobrazení koncového stupnì a pøidání tranzistoru T4 pro nulovací zapojení je typickým znakem tohoto blokového zapojení, které se èasto nalezne v anglosaské literatuøe. Proto bylo také ponecháno pùvodní anglické oznaèení vývodù.

2.1.2

Vnitøní zapojení

Na obr. 4 je vnitøní zapojení, podrobný ekvivalent vnitøní stavby èasovaèe 555. Obsahuje 16 odporù a 25 tranzistorù, pøièemž dva jsou zapojeny jako diody. Pro snazší orientaci je vnitøní zapojení rozdìleno do blokù, odpovídajících blokovému zapojení z obr. 1. Komparátor K 2 je tvoøen diferenèním zesilovaèem s tranzistory T10 až T 13 (pnp) v Darlingtonovì zapojení. Na invertující vstup tohoto operaèního zesilovaèe (vývod 2) lze pøivést napìtí zvnìjšku. Neinvertující vstup je spojen s interním referenèním napìtím UR9, které je získáváno z napìového dìlièe (odpory R7 až R9). Toto porovnávací napìtí je vždy polovinou referenèního napìtí UR8 komparátoru K1, které je souèasnì vyvedeno (vývod 5) a vnìjším zapojením je lze ovlivnit. Bez vnìjšího ovlivnìní je napájecí napìtí UB (vývod 8) dìleno stejnými odpory na tøetiny, takže referenèní napìtí UR9 je 1/3 UB a UR8 je 2/3 UB. Pokud je na vstupu komparátoru K2 (vývod 2) napìtí mezi 1/3 UB a UB, má výstup komparátoru úroveò L. Poklesne-li napìtí na spouštìcím vstupu pod referenèní napìtí (1/3 UB), stoupne napìtí na kolektorech T10 a T11 tak, že je klopný obvod KO pøes tranzistor T15 nastaven. Emitorový proud diferenèního stupnì je urèen zdrojem konstantního proudu s tranzistorem T9, který dostává porovnávací napìtí pøes T19. Komparátor K1 je tvoøen diferenèním zesilovaèem s tranzistory T1 až T4 (npn) v Darlingtonovì zapojení. Pracovními odpory jsou proudové zdroje s tranzistory T5 až T8. Neinvertující vstup komparátoru je vyveden (vývod 6), invertující vstup je spojen s interním referenèním napìtím UR8 a je souèasnì i z vnìjšku dostupný (vývod 5). Pøekroèí-li napìtí na neinvertujícím vstupu (vývod 6) referenèní napìtí U R8, dojde tranzistorem T6 k vynulování klopného obvodu KO. Klopný obvod KO je tvoøen tranzistory T16, T17 a zpìtnovazebním odporem R11 spolu se zdrojem proudu T19 a tranzistorem T18, zapojeným jako dioda. Na nastavovacím vstupu S je ještì pøipojen pomocný tranzistor T15. V nastaveném stavu je na kolektoru T17 nízké napìtí (úroveò L).

12

Jan Hájek: Èasovaè 555

Jan Hájek: Èasovaè 555

13

Obr. 4 Podrobné vnitøní zapojení èasovaèe 555.

Obr. 5 Zjednodušená pøedstava èasovaèe pro použití v zapojeních a rozdìlení jeho pøívodù. Nulování klopného obvodu KO je - nezávisle na výstupních stavech komparátorù - možné tranzistorem T25, jehož báze je dosažitelná z vnìjšku (vývod 4). Pøipojení tohoto vývodu na potenciál zemì nebo na úroveò L zpùsobí vynulování klopného obvodu. Nábìhová rychlost nulovacího signálu má být dostateènì velká, aby se zabránilo výskytu nedefinovaných stavù. Pro potlaèní nežádaného vynulování vnìjšími vlivy se doporuèuje zapojit na vývod 4 napìtí vìtší, než je 1/3 UB. V mnoha zapojeních bývá vývod 4 spojen pøímo s napájecím napìtím (vývod 8). Øídicí signál pro koncový stupeò je odebírán z kolektoru T17 a budicím stupnìm s T20 invertován. Dvojèinný výkonový stupeò se sestává z tranzistorù T21 až T24. Ve vynulovaném stavu T24 vede, t.j. na výstupu (vývod 3) je úroveò L. V nastaveném stavu vede T22 a výstup má úroveò H. Dvojèinný výkonový stupeò dovoluje kladné a záporné výstupní proudy až do 200 mA, takže je vnìjší zátìž možno pøipojit jak mezi výstup a napájecí napìtí, tak i mezi výstup a zem. Výstupní napìtí je však možno odebírat i bez pøipojení zatìžovacího odporu. Klopným obvodem je souèasnì pøes T20 øízen vybíjecí stupeò s tranzistorem T14 tak, že se pøi nastaveném stavu nachází ve vodivém stavu. Obr. 5 pøedstavuje èasovaè 555 jako jednoduchou souèástku se vstupy, výstupy a napájením. Komplexní a pomìrnì složité vnitøní zapojení bylo již popsáno a ve všech dalších zapojeních bude pracováno pøevážnì s takovýmto jednoduchým obdélníèkem s odpovídajícím zpùsobem

14

Jan Hájek: Èasovaè 555

oznaèenými vývody. Ètyøi vstupy èasovaèe 555 lze rozdìlit na dva hlavní vstupy, na které se zpravidla pøivádìjí signály, a na dva pomocné vstupy, které umožòují dodateèné ovlivòování stavu zapojení. Dva výstupy èasovaèe budou vždy na pravé stranì, pokud to bude možné (pøinejmenším však hlavní výstup na vývodu 3), takže bude dodržován pøirozený prùbìh signálù zleva napravo. Napájecí napìtí je pøiloženo na vývody 8 a 1. Pøíkladem rozšíøených možností pomocných vstupù je referenèní napìtí horního komparátoru (vývod 5). Je zde možnost zmìny prahových napìtí obou komparátorù pøipojením vnìjších souèástí. Všeobecnì se však zapojuje mezi vývod 5 a spoleèný vodiè (vývod 1) kondenzátor, který zabraòuje pronikání krátkých poklesù a zbytkového zvlnìní napájecího napìtí, které by mohly ovlivòovat referenèní napìtí komparátorù.

2.2

555 jako multivibrátor

Nejvíce používaná základní zapojení èasovaèe 555 jsou multivibrátory, tedy klopné obvody, zejména monostabilní a astabilní, ménì bistabilní. Monostabilní multivibrátory (univibrátory) vytváøejí po spuštìní spouštìcím impulzem výstupní impulz s definovanou šíøkou (dobou). Spouštìcí impulz na vstupu je vždy kratší než výstupní impulz a monostabilní multivibrátory jsou proto používány pro prodloužení nebo pro obnovení impulzù. Délka impulzu je dána èlenem urèujícím èas (zpravidla RC). Monostabilní multivibrátor mìní po jisté dobì (za jistý pøednastavený èas) stav svého výstupu. Proto je také nazýván èasovaè (timer) a právì pro tuto funkci byl vyvinut. Vzhledem k preciznímu dodržení nastaveného èasu se využívá v zapojeních jako pøesný èasový spínaè pro vytváøení definovaných èasových úsekù. Èasový spínaè není nic jiného než monostabilní multivibrátor, který po startu (= spouštìcí impulz) zapne pøipojený spotøebiè a po jisté dobì (délka výstupního impulzu) jej opìt vypne (nebo obrácenì, pokud je to tak žádáno). Astabilní multivibrátory jsou impulzní generátory, které pracují astabilnì a nepøetržitì vyrábìjí impulzy. Astabilní znamená, že žádný z obou výstupních stavù není stabilní a na výstupu se bez vnìjšího ovlivòování oba stavy støídají (na rozdíl od monostabilního multivibrátoru, který má jeden stabilní stav a po spuštìní jej jen na jistou dobu opustí). Astabilní multivibrátory jsou používány jako impulzní generátory, tónové generátory, blikaèe a pod., pøièemž je èasto použito možností ovlivòování øízení výstupního sledu impulzù pomocnými vstupy. Bistabilní multivibrátory jsou zapojení se dvìma stabilními stavy, které pøecházejí teprve po vstupním impulzu z jednoho do druhého stavu, ve kterém zùstávají tak dlouho, dokud nepøijde další impulz. Jinými slovy, udržují (zaznamenávají, pamatují si) informaci. Dokonce i èasovaè 555 obsahuje takový bistabilní multivibrátor, který se nachází za obìma komparátory jako pamìový klopný obvod - viz blokové zapojení (dvoustavová funkce je v angliètinì vyjádøena velmi typicky: Flip-Flop - buï tak nebo jinak - z toho také èasto užívané oznaèení FF). S èasovaèem 555 zapojeným jako bistabilní multivibrátor jsou realizovány zapínací a vypínací obvody, dotykové spínaèe a pod. Schmittùv klopný obvod je speciální verze bistabilního multivibrátoru, reagující na definovaná vstupní napìtí. Potøebuje nikoli jisté vstupní impulzy, nýbrž reaguje na pomìrnì pomalu se mìnící vstupní napìtí pøi dosažení pøedem definovaného prahového napìtí skokovou zmìnou výstupu. Tato vlastnost je využívána u mìnièù nebo obnovovaèù signálù, napø. pøevedení sinusovky na pravoúhlé impulzy. Jan Hájek: Èasovaè 555

15