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555定时器理论知识及工作原理

IC先生 IC先生 9423 2022-06-07 15:33:00

IC 555是最受欢迎和使用最广泛的IC产品之一,它是一种通用且极其坚固的集成电路,可用于许多应用,如定时器、波发生器(脉冲)和振荡器。

IC555,俗称555定时器,由Signetic公司的Hans Camenzind于1971年开发。IC555分两部分发布,即NE 555和SE 555。NE 555部件用于商业用途,温度范围为0°C至70°C,SE 555部件旨在满足军用标准,温度范围为-55°C至125°C。它是单片IC,也是第一款商用定时器IC。

555定时器操作模式

通常情况下,555定时器可以在三种模式下运行:非稳态、单稳态和双稳态。

1、非稳定模式

在此模式下,555定时器以自由运行模式工作。非稳态多谐振荡器的输出将在低和高之间不断切换,从而产生一串脉冲,这就是它被称为脉冲发生器的原因。

它们可以用作逆变器,也用于收音机的许多内部部分。另外,选择热敏电阻作为定时电阻允许在温度传感器中使用555定时器。

2、单稳态模式

顾名思义,在单稳态模式下,它保持稳定状态,直到且除非应用外部触发。在这种模式下,555定时器用作“一次性”脉冲发生器。单稳态的最佳应用是在系统中引入时间延迟。其应用包括许多方面,例如定时器、丢失脉冲检测还包括无弹跳开关、触摸开关以及分频器、电容测量和脉宽调制 (PWM) 等等。

3、双稳态模式

在双稳态模式下,555定时器充当触发器,因为它具有两个稳定状态。它可用于存储1位数据。

555定时器的引脚配置

555定时器采用8针金属罐封装、8针迷你双列直插式封装 (DIP) 和14  DIP。其中14针DIP为IC 556,由两个555定时器组成。

当然,最常用的是8针DIP。两种8引脚封装中的555定时器的引脚分配图如下所示:

双列直插式封装

(8双列直插式封装)

8针金属罐封装

(8针金属罐封装)

下表列出了所有引脚的名称和编号以及它们的描述:

引脚的名称和编号

引脚 1 – 接地 (GND)

地参考电压(低电平0V),所有电压都是相对于该端子测量的。

引脚 2 - 触发终端

它负责触发器的SET和RESET转换,外部触发脉冲的幅度会影响定时器的输出。当触发引脚的输入低于控制电压的一半(即VCC的1/3)时,输出变为高电平并开始计时。

引脚 3 – 输出端

此引脚提供输出驱动波形,它被驱动到低于VCC的1.7V。两种类型的负载可以连接到输出。一种是常关负载,连接在引脚3和1(GND)之间;另一种是常开负载,连接在引脚3和8(VCC)之间。

引脚 4 – 复位终端

该引脚上的负脉冲将禁用或重置定时器,只有当该引脚上的电压高于0.7V时定时器才会启动,因此在不使用时它通常连接到VCC。

引脚 5 – 控制电压

它控制阈值和触发电平,从而控制555的时序,输出脉冲的宽度由控制电压决定。输出电压可以通过施加到该引脚的外部电压进行调制。一般不使用时通过10µF电容接地,以消除噪声。

引脚 6 - 阈值终端

将此端子施加的电压与2/3 VCC的参考电压进行比较。当该端电压大于2/3 VCC时,触发器复位,输出从高电平下降到低电平。

引脚 7 - 放电

它连接到内部NPN晶体管的集电极开路,该晶体管为定时电容器放电。当该引脚的电压达到2/3VCC 时,输出从高电平切换到低电平。

引脚 8 – VCC或电源

5V至18V范围内的电源电压被施加到该端子。

555定时器主要特征

555定时器的一些重要特性是:

  • 可在5V至18V的各种电源下运行。
  • 提供3种不同的封装:8针金属罐封装、8 针DIP和14针DIP。
  • 时间可以从微秒到几小时不等。
  • 可以在非稳态和单稳态模式下运行。
  • 高输出电流。
  • 具有可调节的占空比。
  • 由于其高输出电流,它与TTL兼容。
  • 输出可以为负载提供或吸收200mA的电流。
  • 具有每° C 0.005%的温度稳定性。

555定时器内部电路图

555定时器的内部框图如下所示,它由以下内容组成:

555定时器内部电路图

比较器是基本的运算放大器。提供R输入的比较器1将阈值电压与2/3 VCC参考电压进行比较。为触发器提供S输入的比较器2将触发电压与1/3 VCC参考电压进行比较。

三个电阻器的电阻网络将充当分压器电路,这些电阻的阻值为5KΩ。这三个5K电阻是“ IC 555 ”名称由来原因。

在两个晶体管中,一个晶体管是放电晶体管。该晶体管的集电极开路连接到IC的放电引脚(引脚 7)。根据触发器的输出,该晶体管要么进入饱和状态,要么截止。当晶体管饱和时,它为外部连接的电容器提供放电路径。另一个晶体管的基极连接到复位端子(引脚 4),它复位定时器,而与其他输入无关。

555定时器工作原理

三个5KΩ电阻构成一个分压器网络,该网络为两个比较器提供两个参考电压,2/3 VCC到上层比较器(比较器 1)的反相端,1/3 VCC 到下层比较器(比较器 2)的同相端。

上比较器的反相端连接到控制输入。一般不使用控制输入,接2/3 VCC。上比较器的另一个输入是阈值,其输出连接到触发器的R输入。

当阈值电压大于 2/3 VC C(即控制电压)时,触发器为RESET,输出变为低电平,这将打开放电晶体管(晶体管进入饱和状态)并为任何外部连接的电容器提供放电路径。

触发输入连接到下比较器的反相端。当触发输入小于参考电压(1/3 VCC)时,下位比较器的输出为高电平。由于它连接到触发器的S输入,因此触发器被置位,输出变为高电平,定时间隔开始。当输出为高时,放电晶体管关闭,并允许对其外部连接的任何电容器充电。

因此,为了使输出变为高电平,触发输入应暂时小于参考电压。当阈值电压大于2/3 VCC 时,输出为低电平,这将复位触发器并因此复位输出。

关于RC时间常数

在大多数操作中,满足时间要求是一项高优先级任务。例如,工业中金属或材料的加热过程是有时间限制的。因此,可以通过定时器电路来满足特定的时间要求。

一个基本的定时器电路如下所示。它由充电电路、比较器和输出单元组成。

定时器电路

充电电路由电阻和电容组成。当RC电路的串联组合施加直流电压时,电容器充电到峰值所需的时间由电阻器控制。充电时间与电阻值成正比。RC电路中电容器充电的速率由时间常数给出。

RC时间常数,通常称为Tau(由符号τ表示)是RC电路的时间常数,它是电容器通过电阻器充电所花费的时间,约为初始值和最终值之间差异的63.2%。

与此同时,它也等于电容器放电到36.8%所需的时间。RC电路的时间常数等于R和C的乘积。

τ = RC

如前所述,当触发输入低于1/3 VCC时,定时器的输出变为高电平,保持高电平的时间由RC时间常数决定。

555定时器输出的脉冲宽度和频率由RC时间常数决定。

在定时器中为RC电路选择时序元件

555定时器可以提供从微秒到数小时的延迟,具体取决于充电电路中R和C的值。因此,为电阻器和电容器选择合适的值非常重要。

当555定时器工作在非稳态模式时,它需要一个由两个电阻和一个电容组成的RC电路。在单稳态工作模式的情况下,RC电路由一个电阻器和一个电容器组成。

定时电容

选择大容量的电容器将是一个问题。这是因为具有大电容的电解电容器通常倾向于具有更宽的容限,所以实际值和标记值可能会有很大差异。

此外,大容量电解质电容器将具有高泄漏电流,这会在电容器充电时影响计时精度。在选择大容量和低漏电流的电容器时,钽电容器是更好的选择。最好避免使用具有高额定工作电压的电解电容器,因为它们在低于其额定电压10%的电压下工作时无法有效工作。

因此,应选择工作电压大于555定时器VCC的电容。电容小于100pF的定时电容器以产生短输出脉冲也可能导致问题。对于具有如此低值的电容器,电路周围的杂散电容可能会影响定时电容器的电容。

定时电阻

当555定时器作为非稳态多谐振荡器运行时,定时电阻的值应至少为1千欧姆。如果想法是构建一个低功耗电路,那么最好为定时电阻设置更高的值。

但是,选择具有较高电阻的电阻器存在一个缺点,因为它们会导致时序不准确。为了尽量减少这些不准确,定时电阻的值不应超过1兆欧。

触发脉冲

555定时器中的引脚2是触发输入,当触发输入低于参考电压即1/3 VCC时,定时器的输出为高电平,计时间隔开始。

触发脉冲应暂时低于参考电压,并且持续时间很重要,因为它不应长于输出脉冲。触发脉冲通常由一个窄的负向尖峰来识别。由电容器和电阻器制成的微分电路会产生两个对称的尖峰,但二极管用于消除正向尖峰。

另外,脉冲的持续时间由微分电路确定(即取决于电容器和电阻器)。

555定时器的应用

自70年代初推出555定时器以来,它已被研究人员和爱好者用于众多电路和应用中。555定时器的一些重要应用领域是:

  • 脉冲产生
  • 时间延迟产生
  • 精确计时
  • 顺序时序
  • 脉宽调制 (PWM)

当然,555定时器的典型应用可以通过操作模式来区分。根据其工作模式,即非稳态或单稳态模式,555定时器的一些应用包括:

  • 分频器
  • 线性斜坡发生器
  • 缺失脉冲检测器
  • 脉冲位置调制
  • 方波产生
  • 脉冲宽度调制
  • 振荡器
  • 突发音发生器
  • 速度警告装置
  • 稳压直流 - 直流转换器
  • 电压 - 频率转换器、
  • 低成本线路接收器
  • 电缆测试仪

总结

由于其易用性、低廉的价格和良好的可靠性,目前555定时器已经被广泛应用于电子电路的设计中,其实用性是非常的强。

总装,以上就是关于555定时器理论知识及工作原理的相关介绍,内容仅供参考。如果有任何问题,欢迎关注IC先生公众号进行留言讨论。

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