Analóg és digitális rsz-ek megvalósítása prog. mikroák-kel
BMEVIEEM371
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem
Az 555-ös időzítő használata a mikrokontrolleres tervezésben Nagy Gergely Elektronikus Eszközök Tanszéke (BME)
2013. január 29.
Nagy Gergely (BME EET)
Az 555-ös időzítő
2013. január 29.
1 / 26
Analóg és digitális rsz-ek megvalósítása prog. mikroák-kel
BMEVIEEM371
Tartalom
1
Bevezetés
2
Az 555 felépítése
3
Alkalmazások
Nagy Gergely (BME EET)
Az 555-ös időzítő
2013. január 29.
2 / 26
Bevezetés
Bevezetés
Nagy Gergely (BME EET)
Az 555-ös időzítő
2013. január 29.
3 / 26
Bevezetés
Bevezetés Az 555-ös IC-t Hans Camenzind tervezte 1971-ben a Signetics (ma Philips) munkatársaként. Az eredeti cél egy olyan oszcillátor volt, amire teljesül, hogy: a frekvenciáját külső elemekkel (R, C) lehet beállítani, tápfeszültség- és hőmérsékletfüggetlen.
Végül egy általános időzítő áramkör készült el, ami a mai napig a legnagyobb példányszámban eladott IC: 2003 táján évi 1 milliárd darabot gyártottak belőle (Fairchild, Maxim, Motorola, ST, TI, NXP).
Nagy Gergely (BME EET)
Az 555-ös időzítő
2013. január 29.
4 / 26
Az 555 felépítése
Az 555 felépítése
Nagy Gergely (BME EET)
Az 555-ös időzítő
2013. január 29.
5 / 26
Az 555 felépítése
Az eredeti 555-ös
Az eredeti 555-ös Eredeti neve: NE555 (8 lábú DIP tokban). Bipoláris IC, nagyjából 20 BJT-ből (gyártófüggő), kb. ugyanennyi ellenállásból áll. Tápfeszültség: 4,5–15 V Tápáram (5 V-os tápfesz-nél): 3–6 mA Maximális kimeneti áram: 200 mA Működési hőmérséklettartomány: 0–70◦ C
Nagy Gergely (BME EET)
Az 555-ös időzítő
2013. január 29.
6 / 26
Az 555 felépítése
A bipoláris kapcsolás és magyarázata
A teljes kapcsolás
Nagy Gergely (BME EET)
Az 555-ös időzítő
2013. január 29.
7 / 26
Az 555 felépítése
A bipoláris kapcsolás és magyarázata
A kapcsolás felépítése
Nagy Gergely (BME EET)
Az 555-ös időzítő
2013. január 29.
8 / 26
Az 555 felépítése
A blokk-diagram
A blokk-diagram és a lábkiosztás
THRES
TRIG
6
VCC 8 CONT 5
RESET 4 R1 R S
3
OUT
2
7 1 GND
Nagy Gergely (BME EET)
8 VCC
GND 1
DISCH
TRIG 2 OUT 3
555
RESET 4
Az 555-ös időzítő
2013. január 29.
7 DIS 6 THR 5 CTRL
9 / 26
Az 555 felépítése
A CMOS változat
A CMOS változat Gyártják CMOS változatban is (pl. LMC555)
Nagy Gergely (BME EET)
Az 555-ös időzítő
2013. január 29.
10 / 26
Az 555 felépítése
Az 556-os IC
555 + 555 = 556 Két 555-ös egy tokban. VCC
DISCH
TH
CTRL
nRST
TR
OUT
14
CMP
CMP
CMP
Flipflop
Flipflop
CMP
LM556
1
DISCH
TH
Nagy Gergely (BME EET)
CTRL
nRST
OUT
Az 555-ös időzítő
TR
GND
2013. január 29.
11 / 26
Alkalmazások
Alkalmazások
Nagy Gergely (BME EET)
Az 555-ös időzítő
2013. január 29.
12 / 26
Alkalmazások
Hiszterézises komparátor
Hiszterézises komparátor
A THRES és a TRIG lábakat összekötve egy hiszterézises komparátort kapunk. Ez közvetlenül felhasználható állásos szabályozó megvalósítására. VCC
4
RESET 7
In
6 2
8
VCC
DIS THR
OUT
3
Out
TRIG GND CTRL 1
5 10nF
GND
Nagy Gergely (BME EET)
Az 555-ös időzítő
2013. január 29.
13 / 26
Alkalmazások
Schmitt-trigger
Schmitt-trigger A hiszterézises komparátor tulajdonképpen egy Schmitt-trigger, ami zajos digitális jelek javítására használható. A bemenet munkaponti értéke VCC /2; ha a jel eléri a 2 · VCC /3-at, akkor a kimenet logikai 1-be kerül, ha a VCC /3-ot, akkor logikai 0-ba. VCC
4
100k
RESET 7
Noisy input
6 2
100k
8
VCC
DIS THR
OUT
3
Out
TRIG GND CTRL 1
5 10nF
GND
Nagy Gergely (BME EET)
Az 555-ös időzítő
2013. január 29.
14 / 26
Alkalmazások
Monostabil multivibrátor
Monostabil multivibrátor Időzítésre használható kapcsolás – egy adott hosszúságú impulzus állítható elő a trigger jel segítségével (negatív logika). Amikor bekapcsoljuk a tápfeszültséget, R-en keresztül C elkezd feltöltődni. Mikor eléri 2 · VCC /3-at, kimenet 0 lesz és bekapcsol a kisütő tranzisztor (DIS). Ez a stabil állapot, amíg trigger jel nem érkezik, aminek hatására a kimenet 1 lesz és C újból töltődni kezd, míg újból el nem éri 2 · VCC /3at. VCC
trigger R
4
RESET 7 6
C
2
Trigger
8
VCC
DIS THR
OUT
3
Out
capacitor
TRIG GND CTRL 1
5 10nF
output t
GND
Nagy Gergely (BME EET)
Az 555-ös időzítő
2013. január 29.
15 / 26
Alkalmazások
Monostabil multivibrátor
A monostabil kapcsolás méretezése Föld és VCC között, feszültséggenerátorosan töltött kondenzátor feszültsége: −t UC = VCC · 1 − e RC Az 555 csak 2 · VCC /3-ig hagyja feltöltődni, így a kezdő- és végérték: −t1 0 = VCC · 1 − e RC −t2 2 · VCC = VCC · 1 − e RC 3 A két egyenlet hányadosából az exponenciálist kifejezve: 3=e
t2 −t1 RC
∆t
= e RC
Amiből: ∆t = ln(3) · RC ' 1,1 RC Nagy Gergely (BME EET)
Az 555-ös időzítő
2013. január 29.
16 / 26
Alkalmazások
Hiányzó impulzus detektor
Hiányzó impulzus detektor A monostabil kapcsolás van kiegészítve egy kisütő tranzisztorral (Missing-pulse Detector). Amikor megjön egy újabb impulzus a Trigger bemenetre, a kimenet 1-be kerül, és megkezdődne C feltöltése, azonban a PNP tranzisztor ezt megakadályozza. Ha az impulzusok elég sűrűn érkeznek, a tranzisztor nem hagyja feltöltődni C-t, és így a kimenet 1-ben marad. Ha kimarad(nak) impulzus(ok), akkor C feltöltődik, 0-ba kerül a kimenet és bekapcsol a belső kisütő tranzisztor. A bekeretezett ábra egy betörés-érzékelő alkalmazást mutat ezen az elven. VCC R
4
RESET 7
C
6 2
Trigger
8
VCC
DIS THR
OUT
3
Out
MPD
TRIG GND CTRL 1
5 10nF
GND
Nagy Gergely (BME EET)
Az 555-ös időzítő
2013. január 29.
17 / 26
Alkalmazások
ASK demoduláció
ASK demoduláció
Egy csúcsegyenirányítóval is megoldható a feladat, de akkor egy 1-es bit elején teljesen fel kell tölteni a kondenzátort, a végén pedig teljesen ki kell sütni – ez sok impulzusnyi idő, hiszen ha túl kicsi kondenzátort választanánk, akkor olyan mértékű lenne a kimenet hullámzása, hogy az már a logikai jel érétkét befolyásolhatná. Az alábbi megoldással lényegében egy periodusidőnél kevesebb idő alatt változik a logikai jel. Így sokkal nagyobb sávszélesség érhető el.
MPD
Nagy Gergely (BME EET)
Az 555-ös időzítő
2013. január 29.
18 / 26
Alkalmazások
Astabil multivibrátor
Astabil multivibrátor
Felhasználható négyszögjel-generátornak, de mérésre is: a kimeneti frekvencia mérésével megmérhető R vagy C értéke. 1 f= ln(2) · C · (R1 + 2R2 ) VCC R1
4
RESET 7 6
R2
2
8
VCC
DIS THR
OUT
3
Out
TRIG GND CTRL 1
5
C
10nF
GND
Nagy Gergely (BME EET)
Az 555-ös időzítő
2013. január 29.
19 / 26
Alkalmazások
VCO és FM
VCO és FM Astabil kapcsolásban a Control bemenet segítségével a komparálási szinteket állítva változik a frekvencia, így egy feszültségvezérelt oszcillátort (VCO) kapunk. Ha egy váltakozó jelet kapcsolunk a Control-ra, akkor annak függvényében változó frekvenciájú kimeneti jelet kapunk: ez frekvenciamoduláció (ezért hívják a Control bemenetet sokszor FM-nek). VCC R1
4
RESET 7 6
R2 FM
2
8
VCC
DIS THR
OUT
3
Out
TRIG GND CTRL 1
5
C GND
Nagy Gergely (BME EET)
Az 555-ös időzítő
2013. január 29.
20 / 26
Alkalmazások
Sötétség-detektor
Sötétség-detektor Ez egy egyszerű oszcillátor, aminek a RESET bemenetét irányítja egy szenzor. AZ LDR (Light Dependent Resistor) egy opto-ellenállás, aminek kis megvilágításnál nagy az értéke, fény hatására erősen lecsökken az ellenállása (félvezető alapú). Az LDR-t egy termo-ellenállásra cserélve... VCC
100k
4 1M 7 6 2
RESET
8
VCC
DIS
OUT
3
THR 100
TRIG GND CTRL
LDR
1000p
1
5 10n
GND
Nagy Gergely (BME EET)
Az 555-ös időzítő
2013. január 29.
21 / 26
Alkalmazások
Tápfeszültség megszünését jelző riasztó
Tápfeszültség megszünését jelző riasztó
VCC > 9 V
100k 4
RESET 7
100k
6 1M 2
8
VCC
DIS
OUT
3 9V
THR 100
TRIG GND CTRL 1
1000p
5 10n
GND
Nagy Gergely (BME EET)
Az 555-ös időzítő
2013. január 29.
22 / 26
Alkalmazások
Pulzus-szélesség moduláció
Pulzus-szélesség moduláció
A vezérlő bemenetet (CTRL) használva a moduláló jel bemeneteként, a monostabil kapcsolás PWM-ként használható. A trigger bemenetre kell a vivőt (négyszögjel) kötni. VCC
4 R
R
RESET 7 6 2
CLK
clock
8
VCC
DIS THR
OUT
3
modulation Out
TRIG GND CTRL
Modulation input
C
1
5
output
GND
Nagy Gergely (BME EET)
t
Az 555-ös időzítő
2013. január 29.
23 / 26
Alkalmazások
Háromszögjel-generátor
Háromszögjel-generátor Kihasználjuk, hogy a tranzisztorok kimeneti karakterisztikája áramgenerátor-jellegű. Egy pontosabb áramgenerátor-kapcsolással igényesebb jelet lehetne előállítani. A periódusidő: 2 1 T = · RC · VCC · 3 1 − UBE VCC
4
8
VCC
RESET 7 6 2
R
DIS THR
OUT
3
+ _
Out
TRIG GND CTRL 1
R
C
5 C
GND
Nagy Gergely (BME EET)
Az 555-ös időzítő
2013. január 29.
24 / 26
Alkalmazások
Vízszint-mérő
Vízszint-mérő Kihasználja a víz vezetőképességét (R ' 100 kΩ). A kimenetről egy szivattyút vezérelve, a minimum és maximum szint között lehet tartani a víz szintjét. VCC 1
1M
1M
4
RESET 7 6 1
2
8
VCC
DIS THR
OUT
3
Out
TRIG GND CTRL
max min
1
5 10n
GND
Nagy Gergely (BME EET)
Az 555-ös időzítő
2013. január 29.
25 / 26
Felhasznált irodalom
Felhasznált irodalom
Hans Camenzind: Designing analog chips Philips – AN170: NE555 and NE556 applications LM556 Datasheet, National Semiconductor Corporation Az 555-ös a Sentex honlapján Áramkörszimulátor applet Paul Falstad honlapján
Nagy Gergely (BME EET)
Az 555-ös időzítő
2013. január 29.
26 / 26
