Продолжение начатой темы применения таймера NE555
Пример №7 — Простой генератор прямоугольных импульсов на NE555
В момент включения схемы, конденсатор C1 разряжен и на выходе 3 таймера NE555 находится высокий уровень. Затем конденсатор C1 через резистор R1 начинает постепенно заряжаться.
В момент, когда потенциал на конденсаторе, и соответственно на выводе 6 (стоп) таймера, достигнет примерно 2/3 напряжения питания, сигнал на выводе 3 переключится на низкий уровень. Теперь конденсатор через сопротивление R1 начинает разряжаться. Когда уровень напряжения на входе 2 (запуск) упадет до 1/3 Uпит., на выходе снова будет высокий уровень. И процесс повторится снова.
Если к выходу добавить еще RC-цепь (выделено красным цветом), то выходной сигнал по форме будет приближен к синусоиде.
Пример №8 — Генератор высокой частоты на NE555
Для таймера NE555 – частота в 360кГц является максимальной, поскольку при увеличении ее, работа схемы становится нестабильной.
Пример №9 — Генератор низкой частоты на NE555
Генератор низкой частоты по сути своей являются таймером времени. Увеличивая емкость электролитического конденсатора можно растянуть временной интервал. При интервале более 30 минут, показания схемы будут неточными.
Пример №10 — Регулируемый генератор прямоугольных импульсов на NE555
Данная схема позволяет устанавливать на выходе таймера необходимую частоту генератора в пределах от 1 Гц до 100 кГц.
Пример №11 — Одновибратор на NE555
При подаче питания на схему одновибратора, на выводе 3 таймера NE555 будет низкий уровень. Запуск одновибратора происходит в момент подачи отрицательного импульса на вход 2 (запуск), при этом на его выходе будет высокий уровень в течение времени определяемое значениями R1 и C1.
Следует иметь в виду, что запускающий импульс должен быть короче выходного. Если же входной сигнал будет дольше, то пока на входе низкий уровень на выходе все время будет высокий. Подробнее о работе одновибратора на 555 таймере читайте здесь.
Пример №12 — Генератор, управляемый напряжением (ГУН) на NE555
Данный генератор иногда называют преобразователь частоты напряжением, так как частота может быть изменена путем изменения входного напряжения.
Как известно вывод 5 таймера 555 предназначен для управления длительностью импульсов на выходе путем подачи на него напряжения, которое должно составлять 2/3 от Uпит. При увеличении управляющего напряжения, увеличивается время заряда/разряда конденсатора и как следствие уменьшается частота на выходе генератора.
Источник: «Применение микросхемы 555», Колин М.
Генератор синусоидального сигнала на мосту Вина
В радиолюбительской практике часто возникает необходимости использовать генератор синусоидальных колебаний. Применения ему можно найти самые разнообразные. Рассмотрим как создать генератор синусоидального сигнала на мосту Вина со стабильной амплитудой и частотой.
В статье описывается разработка схемы генератора синусоидального сигнала. Сгенерировать нужную частоту можно и программно: Программа Audacity как простой генератор звука и шума
Наиболее удобным, с точки зрения сборки и наладки, вариантом генератора синусоидального сигнала является генератор, построенный на мосту Вина, на современном Операционном Усилителе (ОУ).
Мост Вина
Сам по себе мост Вина является полосовым фильтром, состоящим из двух RC фильтров. Он выделяет центральную частоту и подавляет остальные частоты.
Мост придумал, Макс Вин еще в 1891 году. На принципиальной схеме, сам мост Вина обычно изображается следующим образом:
Картинка позаимствована у Википедии
Мост Вина обладает отношением выходного напряжения ко входному b=1/3 . Это важный момент, потому что этот коэффициент определяет условия стабильной генерации. Но об этом чуть позже
Как рассчитать частоту
На мосту Вина часто строят автогенераторы и измерители индуктивности. Чтобы не усложнять себе жизнь обычно используют R1=R2=R и C1=C2=C. Благодаря этому можно упростить формулу. Основная частота моста рассчитывается из соотношения:
f=1/2πRC
Практически любой фильтр можно рассматривать как делитель напряжения, зависящий от частоты. Поэтому при выборе номиналов резистора и конденсатора желательно, чтобы на резонансной частоте комплексное сопротивление конденсатора (Z), было равно, или хотя бы одного порядка с сопротивлением резистора.
Zc=1/ωC=1/2πνC
где ω (омега) — циклическая частота, ν (ню) — линейная частота, ω=2πν
Мост Вина и операционный усилитель
Сам по себе мост Вина не является генератором сигнала. Для возникновения генерации его следует разместить в цепи положительной обратной связи операционного усилителя. Такой автогенератор можно построить и на транзисторе. Но использование ОУ явно упростит жизнь и даст лучшие характеристики.
Коэффициент усиления на троечку
Мост Вина имеет коэффициент пропускания b=1/3. Поэтому условием генерации является то, что ОУ должен обеспечивать коэффициент усиления равный трем. В таком случает произведение коэффициентов пропускания моста Вина и усиления ОУ даст 1. И будет происходить стабильная генерация заданной частоты.
Если бы мир был идеальным, то задав резисторами в цепи отрицательной обратной связи, нужный коэфф усиления, мы бы получили готовый генератор.
Генератор электрических импульсов на таймере 555
Электрический импульс — это кратковременный всплеск напряжения или силы тока. То есть это такое событие в цепи, при котором напряжение резко повышается в несколько раз, а затем так же резко падает к исходной величине. Самый понятный пример — электрический импульс, заставляющий наше сердце биться. Самое же большое количество импульсов возникает у нас в нервных клетках головного и спинного мозга. Мы мыслим и решаем уроки благодаря электрическим импульсам! А что в электронике? В электронике импульсы применяются повсеместно. Например, в микроконтроллерах или даже в полноценных процессорах домашнего компьютера электрические импульсы задают ритм его работы. Они еще называются тактовыми, или синхро-импульсами. Порой быстродействие вычислительных машин сравнивают именно при помощи значений тактовой частоты. Все данные внутри электронных устройств тоже передаются при помощи импульсов. Наш интернет, проводной и беспроводной, сотовая связь и даже пульт от телевизора — все используют импульсный сигнал. Попробуем выполнить несколько заданий и на собственном опыте понять особенности генерации электрических импульсов. А начнем мы со знакомства с их важными характеристиками.1. Период и скважность импульсного сигнала
Представим себе, что мы готовимся к встрече Нового Года и нам просто необходимо сделать мигающую гирлянду. Поскольку мы не знаем, как заставить её мигать самостоятельно, сделаем гирлянду с кнопкой. Будем сами нажимать на кнопку, соединяя тем самым цепь гирлянды с источником питания и заставляя лампочки зажигаться. Принципиальная схема гирлянды с ручным управлением будет выглядеть так:Внешний вид макет
Собираем схему и проводим небольшой тест. Попробуем управлять гирляндой согласно нехитрому алгоритму:- нажимаем на кнопку;
- ждем 1 секунду;
- отпускаем кнопку;
- ждем 2 секунды;
- переходим к пункту 1.
2. Генерация импульсного сигнала при помощи микросхемы 555
Теперь попробуем заменить человека и кнопку, ведь мы не хотим весь праздник включать и выключать гирлянду каждые 3 секунды. В качестве автоматического генератора импульсов используем очень известную микросхему семейства 555. Микросхема 555 — это генератор одиночных или периодических импульсов с заданными характеристиками. По-другому данный класс микросхем называют таймерами. Существуют разные модификации таймера 555, разработанные разными компаниями: КР1006ВИ1, NE555, TLC555, TLC551, LMC555. Как правило, все они имеют одинаковый набор выводов. Также производители выделяют два режима работы таймера: одновибратор и мультивибратор. Нам подойдет второй режим, именно в нем таймер будет непрерывно генерировать импульсы с заданными параметрами. Для примера, подключим к таймеру 555 один светодиод. Причем, используем вариант, когда положительный вывод светодиода соединяется с питанием, а земля к таймеру. Позже будет понятно, почему мы делаем именно так.Принципиальная схема
Внешний вид макета
3. Подключение группы светодиодов к таймеру 555
Теперь, когда мы научились задавать нужный ритм, соберем небольшую гирлянду. В новой схеме пять светодиодов будут включаться на 0.5 сек каждую секунду. Для такого ритма Ra = 0, Rb = 7.2 кОм. То есть, вместо резистора Ra мы можем поставить перемычку. Выход микросхемы 555 слишком слабый для того, чтобы одновременно зажечь 5 светодиодов. А ведь в настоящей гирлянде их может быть штук 15, 20 и более. Чтобы решить эту проблему, используем биполярный транзистор, работающий с режиме электронного ключа. Возьмем самый распространенный NPN транзистор 2N2222. Также в этой схеме можно использовать полевой N-канальный транзистор, например 2N7000. Нашим светодиодам потребуется токозадающий резистор. Суммарный ток пяти параллельно соединенных светодиодов должен быть равен I = 20 мА*5 = 100 мА. Напряжение питания всей схемы 9 Вольт. На светодиоде красного цвета напряжение падает на 2 Вольта. Таким образом закон ома на данном участке цепи имеет вид: 100 мА = (9В-2В)/R; отсюда R2 = 7В/0.1А = 70 Ом. Округлим сопротивление до 100 Ом, которое можно получить параллельным соединением двух резисторов на 200Ом. А можно и вовсе оставить один резистор на 200Ом, просто светодиоды будут гореть немного тусклее.Принципиальная схема
Внешний вид макета
Задания
- Генератор звука. В схеме гирлянды заменить группу светодиодов на пьезодинамик. Увеличить частоту звука, например, до 100 Гц. Если поднять частоту до 15 кГц, то можно будет отпугивать комаров!
- Железнодорожный светофор. Подключить к таймеру два светодиода таким образом, чтобы один соединялся с таймером катодом, а второй анодом. Установить частоту импульсов — 1 Гц.
Заключение
Как уже говорилось, таймер 555 — очень популярная микросхема. Это объясняется тем, что большинству электронных устройств свойственны периодические процессы. Любой звук — это периодический процесс. ШИМ сигнал, управляющий скоростью двигателя — тоже периодический, причем с изменяющимся коэффициентом заполнения. И как уже говорилось, работа любого микроконтроллера и процессора основана на тактовом сигнале, имеющем очень точную частоту. На следующем уроке мы сделаем бинарные часы с помощью таймера и двоичного счетчика. Будет немного сложнее, но интереснее!Полезные ссылки
Сборник проектов на таймере 555Вконтакте
Генератор высокого напряжения на NE555
РадиоКот >Схемы >Аналоговые схемы >Генераторы >Генератор высокого напряжения на NE555
На просторах интернета очень много схем посвящено данной тематике и подобным конструкциям. Как правило они не лишены одного своего серьёзного недостатка: все они не имеют системы защиты от обратного напряжения. В большинстве случаев это приводит к печальным последствиям: выгоранию выходных транзисторов и пробою таймера NE555.
Испытывая одну из подобных конструкций я сам спалил пару микросхем NE555 и несколько выходных ключей. Тогда и возникла идея доработки данной схемы и добавления простейшей, но надежной защиты. После проведённой доработки больше при работе не возникало никаких проблем и не сгорело ни одного элемента. Итак, рассмотрим работу устройства подробнее.
Основу данной схемы составляет генератор прямоугольных импульсов на интегральном таймере NE555 (отечественный аналог КР1006ВИ1). Частота генератора задаётся цепочкой R1-R2-C1. При данных номиналах частота генератора составляет приблизительно 30 килогерц. С выхода генератора через токоограничительный резистор R3 выходной сигнал поступает на вход составного транзистора Т1-Т2. В коллектор транзистора Т2 включена первичная обмотка повышающего выходного трансформатора. Диод VD1 служит для защиты устройства от броска обратного напряжения при закрытии транзистора. Супрессорный диод VD2 защищает транзистор Т2 от пробоя и выбирается по максимальному напряжению коллектор-эмиттер Т2. Супрессорный диод VD3 защищает микросхему DD1 от пробоя. Так как максимальное напряжение питания микросхемы составляет 15 вольт, супрессорный диод следует выбрать на напряжение открывания не более этого значения (или немного превышающим). При работе на вторичной обмотке трансформатора напряжение приблизительно 5-6 киловольт. Это напряжение поступает на вход умножителя УН-9/27. С выхода данного умножителя и снимается высокое напряжение.
Таким образом доработка схемы заключается в установке диода VD1 и супрессорных диодов VD2 и VD3. Несмотря на всю простоту защиты, она дала отличные результаты и надёжную защиту схемы от бросков обратного напряжения.
Следует отметить интересный факт, что генератор собранный по данной схеме имеет так называемый электронный ветер — поток отрицательно заряженных электронов у высоковольтного провода. Его можно обнаружить по холодку при приближении руки к высоковольтному проводу. Поэтому данная схема и используется очень часто при построении ионизаторов воздуха. Кроме того замечен ещё один интересный факт: высокое напряжение с данной установки способно растекаться по поверхности диэлектрических материалов (стеклу, дереву, бумаге, фарфору, пластмассе…), электризует вокруг себя лежащую бумагу (до того что при проведении рукой по газете, лежащей рядом с установкой по ней пробегают искры). Ни с одной другой схемой (без умножителя, то есть с переменным напряжением на выходе) таких эффектов не было обнаружено.
Внимание!!! Не проводите подобные опыты не имея достаточного опыта!!! Соблюдайте строго технику безопасности! Запомните: Электрический ток — это хороший слуга, но плохой хозяин!!!
Применяемые детали:
DD1 — NE555 (КР1006ВИ1)
VD1 — КД213
VD2 — 1.5КЕ100СА
VD3 — 1.5КЕ18СА
C1 — 0.01 мкФ
C2 — 0.01 мкФ
R1 — 680 Ом
R2 — 2К
R3 — 100 Ом
Т1 — КТ815А
Т2 — КТ8101А (С радиатором)
Трансформатор Tr1 — это переделанный строчный трансформатор от старого лампового телевизора. Для его переделки снимаем первичную обмотку и мотаем свою. Первичная обмотка содержит 8 витков провода ПЭЛ-1.5. Вторичная обмотка (высоковольтная, залитая пластмассой) остается штатной, после чего трансформатор собирается. При сборке следует между половинок сердечника следует сделать зазор около 1 мм из тонкого гетинакса или стеклотекстолита.
А теперь несколько фото с испытания:
С уважением, Андрей Савченко!
Файлы:
Схема в формате SPlan
Все вопросы в Форум.
Как вам эта статья? | Заработало ли это устройство у вас? |
Эти статьи вам тоже могут пригодиться:
Я собираюсь представить вам наиболее удачную среди всех выпускаемых микросхем — это таймер 555 (Рис.1). Поскольку в Интернете вы можете найти большое количество руководств, в которых рассматривается это устройство, и, следовательно, можете спросить, зачем же нам нужно здесь его обсуждать, то у меня для этого есть, по меньшей мере, три причины:
1. Этого нельзя избежать. Вы просто должны знать эту микросхему. По оценке некоторых источников ежегодное производство этих микросхем составляет более 1 миллиона штук ежегодно. Микросхема таймера 555 будет использоваться тем или иным способом в большинстве схем, которые нам еще придется рассмотреть.
2. Микросхема таймера 555 представляет собой отличное введение в интегральные микросхемы, поскольку она является надежными, универсальным устройством и демонстрирует сразу две функции, с которыми мы познакомимся позднее: функцией компаратора и триггера (flip-flop).
3. После чтения всех руководств по ИС 555, которые я смог найти, начиная с исходного текста оригинального технического описания от компании Fairchild Semiconductor и завершая различными описаниями, посвященными электронике в качестве хобби, я пришел к заключению, что его внутреннее функционирование редко объясняется достаточно понятно. Я хочу предоставить вам графическое изображение того, что происходит внутри, поскольку, если вы не будете иметь его, то не получите возможность творческого использования данной микросхемы.
Рис.1. Внешний вид микросхемы 555 (полное название NE555)
Вам понадобятся:
1. Источник питания с напряжением 9 В.
2. Макетная плата, провода для перемычек и мультиметр.
3. Потенциометр с линейной характеристикой и сопротивлением 5 кОм. Количество — 1 шт.
4. Микросхема таймера 555. Количество — 1 шт.
5. Набор резисторов и конденсаторов.
6. Однополюсные однопозиционные кнопки без фиксации. Количество — 2 шт.
7. Светодиод (любого типа). Количество — 1 шт.
Порядок действий
Микросхема таймера 555 очень надежный электронный компонент, но все же, теоретически, разрядом статического электричества вы можете вывести ее из строя. Поэтому, чтобы это исключить, перед тем, как начинать работу с микросхемой, вам надо будет заземлиться. Эта процедура подробно описана далее в Эксперименте 18. в примечании «Заземление себя». Хотя это примечание прежде всего относится к такому типу микросхем, которые называются CMOS (от англ. Complementary Metal-Oxide Semiconductor — комплементарный металлооксидный полупроводник — КМОП) и которые особенно уязвимы, заземление это именно та предосторожность, которой не следует пренебрегать в любом случае.
Посмотрите на маленький идентификационный элемент в форме круглого точечного углубления, на корпусе микросхемы и поверните корпус таким образом, чтобы эта метка (или иначе ключ) находилась в левом верхнем углу при направленных от вас выводах микросхемы. Если же на вашей микросхеме идентификационный элемент (ключ) выглядит как полукруглая выемка на середине одного из торцов корпуса, то надо повернуть микросхему таким образом, чтобы эта выемка находилась вверху.
При таком расположении микросхемы ее выводы нумеруются против часовой стрелки, начиная с левого верхнего вывода (находящегося рядом с ключом). Обратите внимание на рис. 2, на котором, кроме того, приведены наименования выводов микросхемы таймера 555, хотя вам пока нет необходимости знать о них что-то больше.
Рис. 2. Обозначение выводов микросхемы таймера 555. Выводы всех подобных микросхем нумеруются против часовой стрелки, начиная с левого верхнего угла. При этом метка (ключ) на корпусе должна находиться в верхней части корпуса
Вставьте микросхему в вашу макетную плату таким образом, чтобы его выводы попали в отверстия посередине платы. Теперь можно легко подать напряжение питания на одни выводы и получить сигналы с других выводов. Для более точного определения положения микросхемы в первом устройстве посмотрите на рис. 3. Таймер на нем обозначен, как «IC1», поскольку «IC» является общепринятым сокращением словосочетания «Integrated Circuit» (интегральная схема — ИС).
Рис. 3. Эта схема дает возможность исследовать поведение микросхемы таймера 555. Используйте ваш мультиметр, чтобы осуществлять контроль напряжения на выводе 2, как это показано на рисунке. Обращаю ваше внимание на то, что на схеме нет резисторов с обозначениями R1, R2 или R3 и нет конденсаторов C1 или C2, поскольку они будут добавлены в схему позднее. В схеме используются следующие элементы: R4 — резистор с сопротивлением 100 кОм; R5 — резистор с сопротивлением 2,2 кОм; R6 — резистор с сопротивлением 10 кОм; R7 — резистор с сопротивлением 1 кОм; R8 — потенциометр с линейный характеристикой и сопротивлением 5 кОм; C3 — конденсатор электролитический емкостью 100 мкФ; C4 — конденсатор электролитический емкостью 47 мкФ; C5 — конденсатор керамический 0,1 мкФ; IC1 — микросхема таймера 555; S1, S2 — кнопочные однополюсные однопозиционные переключатели без фиксации; D1 — светодиод общего назначения. Резистор R5 поддерживает положительный потенциал на выводе 2 (Запуск) до тех пор, пока не будет нажата кнопка S1, которая понижает напряжение в этой точке до значения, задаваемого положением оси потенциометра R8. Когда напряжение на входе «Запуск» падает ниже 1/3 напряжения питания, выход микросхемы (вывод 3) переходит в состояние высокого уровня в течение периода времени, которое определяется номиналами R4 и C4. Кнопочный переключатель S2 осуществляет сброс таймера путем уменьшения напряжения на выводе 4 (Сброс). Конденсатор C3 сглаживает пульсации напряжения питания, а конденсатор С5 изолирует вывод 5 (Управляющее напряжение), чтобы он не смог оказать влияние на функционирование этой схемы. (Мы будем использовать вывод 5 в следующем эксперименте.)
Для всех интегральных схем необходим источник питания. На микросхему таймера 555 напряжение питания должно быть подано следующим образом — отрицательное напряжение на вывод 1, а положительное на вывод 8. Если вы случайно перепутаете полярность, то это может привести к выходу ИС из строя, поэтому будьте очень внимательны при подключении ваших перемычек для подачи питания.
Установите на вашем сетевом адаптере выходное напряжение равным 9 В. Это вполне подходящее значение напряжения для выполнения эксперимента, если вы присоедините плюс питания к правой стороне макетной платы, а минус к левой стороне, как это показано на рис. 3. C3 — это электролитический конденсатор большой емкости, по меньшей мере 100 мкФ, который подключен параллельно источнику напряжения для сглаживания его пульсаций и для обеспечения накопления определенного заряда при подаче напряжения питания на микросхему, которая осуществляет переключения. Кроме этого, он также ограничивает другие быстрые перепады напряжения. Хотя микросхема таймера 555 не является устройством, которое было специально спроектировано для очень быстрого переключения. Однако существуют и другие микросхемы, являющиеся таковыми, и поэтому вы должны взять за правило применять такого рода средства защиты от быстрых переключений.
Сначала повернем ось потенциометра против часовой стрелки до конца для того, чтобы максимально увеличить сопротивление между точками, к которым он подключен. После этого, когда вы приложите измерительный провод вашего тестера к выводу 2, то вы должны получить напряжение 6 В после нажатия кнопки S1.
Теперь поверните потенциометр по часовой стрелке и снова нажмите кнопку S1. Если светодиод D1 не загорится, то продолжайте вращать потенциометр и нажимать и отпускать эту кнопку. Когда вы повернете ось потенциометра примерно на две трети ее полного хода, то вы должны увидеть, что светодиод после каждого нажатия кнопки S1 будет загораться и светиться примерно 5 сек. Далее приведены некоторые факты, в справедливости которых вам следует убедиться самостоятельно.
• Светодиод продолжает гореть после того, как вы отпускаете кнопку S1.
• Вы можете удерживать нажатой кнопку S1 достаточно долго (но меньше продолжительности цикла таймера) и светодиод всегда будет выдавать световой импульс одной и той же длительности.
• Таймер срабатывает после снижения напряжения на выводе 2. Вы можете проверить это своим мультиметром.
• Светодиод D1 будет либо полностью включен, либо полностью выключен. Вы не сможете увидеть слегка мерцающий светодиод, когда он находится в выключенном состоянии, а переход из положения «выключено» и «включено» происходит очень быстро и четко.
Посмотрите на соответствующую электрическую схему устройства (рис. 4) и на расположение всех компонентов на вашей макетной плате (рис. 5). Согласно справочной информации, представленной в листах технических данных таймера 555, в схему нужно будет добавить некоторые компоненты, которые мы обозначим как R1, R2, C1 и C2. Поэтому в этой исходной схеме резисторы обозначены, начиная с R4, а конденсаторы, начиная с C3.
Рис. 4. Графическое представление электрической схемы устройства, монтажная схема которого показана на рис. 3. Мы будем рассматривать принципиальные схемы, которые выполнены таким образом, что они максимально похожи на расположение компонентов на макетной плате. Это не всегда самое оптимальное изображение компоновки, но пользуясь этим изображением проще всего выполнять монтаж. Номиналы всех компонентов схемы представлены на рис. 3
Когда кнопка S1 не нажата, на вывод 2 таймера 555 через резистор R5, который имеет сопротивление 2,2 кОм, поступает положительное напряжение. Поскольку внутреннее входное сопротивление таймера на выводе 2 имеет очень высокое значение, то напряжение на нем будет почти равно напряжению источника питания, т. е. 9 В.
Рис. 5. Здесь показано, как выглядят компоненты схемы после их установки на макетную плату. Зажимы типа «крокодил» присоединены к проводу, который соединяет электролитический конденсатор С3 емкостью 100 мкФ с потенциометром R8. Напряжение питания на плату не подано
Если же нажать на кнопку S1, то помимо этого к выводу 2 через резистор R8 (потенциометр с сопротивлением 5 кОм) будет подключен еще и минусовой вывод источника питания. Таким образом, для вывода 2 резисторы R8 и R5 образуют делитель напряжения. Вы, наверное, можете вспомнить аналогичное решение, когда вы выполняли тестирование транзисторов. Напряжение между этими резисторами будет меняться в зависимости от значений их сопротивлений.
Если ось потенциометра R8 повернуть примерно наполовину, то сопротивление потенциометра будет примерно равно сопротивлению резистора R5, т. е. в средней точке делителя, подключенной к выводу 2, напряжение будет равно примерно половине напряжения источника питания. Но когда вы будете поворачивать ось потенциометра таким образом, чтобы его сопротивление уменьшалось, напряжение на выводе 2 микросхемы начнет постепенно уменьшаться.
Если у вас есть зажимы на измерительных проводах вашего мультиметра, то вы можете закрепить их на соответствующих выводах элементов, а затем следить за тестером при повороте потенциометра в одну и в другую сторону, после чего каждый раз следует нажимать на кнопку S1.
Графики на рис. 6 иллюстрируют происходящее. На верхнем графике показано напряжение, которое приложено к выводу 2 микросхемы при произвольных нажатиях кнопки и различных положениях оси потенциометра. На нижнем графике показано, что микросхема таймера 555 срабатывает тогда, и только тогда, когда напряжение на выводе 2 становится меньше напряжения 3 В. Что такого особенного в этой величине 3 В? Это одна треть от напряжения питания 9 В.
Рис. 6. На верхнем графике показано напряжение запуска (вывод 2), когда нажата кнопка, причем интервалы нажатия и отпускания кнопки разные при различных положениях оси потенциометра. Нижний график иллюстрирует выходной сигнал (вывод 3), который скачкообразно меняется от нуля до напряжения питания, в тот момент времени, когда напряжение на выводе 2 станет меньше 1/3 напряжения питания
Далее следуют пункты, которые надо проверить при выполнении домашнего задания.
• Выход микросхемы таймера 555 (вывод 3) выдает положительный импульс только тогда, когда напряжение запуска (вывод 2) становится меньше одной трети напряжения питания схемы.
• Микросхема таймера 555 каждый раз формирует положительной импульс одной и той же длительности (начиная с момента выдачи запускающего напряжения на выводе 2).
• Чем больше сопротивление резистора R4 или емкость конденсатора C4, тем больше длительность выходного импульса.
• Когда на выходе (вывод 3) будет напряжение высокого уровня, то это напряжение будет практически равно напряжению питания. Когда на выходе напряжение низкого уровня, то оно почти равно нулю.
Микросхема таймера 555 преобразует хаотичный мир входных запускающих импульсов в прецизионный и регулируемый на выходе. Микросхема на самом деле не включается и не выключается абсолютно мгновенно, но все-таки достаточно быстро, чтобы каждый раз можно было бы считать ее изменяющейся мгновенно.
Теперь осталась еще одна вещь, которую следует попробовать. Срабатывание таймера приводит к тому, что загорается светодиод D1. Если же в это время нажать на кнопку S2, то она на вывод 4 (Сброс) подаст нулевое напряжение. При этом светодиод должен мгновенно погаснуть.
Когда напряжение на выводе «Сброс» станет низким, выход тоже становится низким вне зависимости от напряжения, которое приложено к выводу «Запуск».
Есть еще одна вещь, о которой я хотел бы упомянуть до начала использования таймера в более интересных схемах. Я включил резисторы R5 и R6 таким образом, что как только вы подадите питание на таймер, он не должен формировать импульсы, но был бы готов к выполнению этого. Данные резисторы задают положительные напряжения соответственно на выводах «Запуск» и «Сброс», что создает такие условия, при которых таймер 555 будет готов запуститься, как только на него подадите напряжение питания.
Пока напряжение на выводе «Запуск» будет оставаться высоким, таймер не будет генерировать импульсы. (Он генерирует импульсы только, когда это напряжение будет меньше некоторого порогового значения.)
Пока напряжение на выводе «Сброс» будет оставаться высоким, таймер будет в состоянии формировать импульсы. (Генерация прекращается, когда напряжение на этом выводе будет иметь низкий уровень.)
Резисторы R5 и R6 известны, как подтягивающие резисторы, поскольку подтягивают напряжение в точках их подключения к напряжению питания. Вы с легкостью можете подавить это напряжение, используя непосредственное подключение этих точек к отрицательному выводу источника питания. Типичное значение сопротивления подтягивающего резистора для таймера 555 составляет 10 кОм. В соответствии с законом Ома при наличии источника питания с напряжением 9 В через резистор будет протекать ток, равный 0,9 мА.
Наконец, вы можете задаться вопросом о назначении конденсатора C5, присоединенного к выводу 5. Этот вывод известен, как вывод «Управляющего напряжения», что означает, что если вы подаете на него напряжение, то вы можете управлять чувствительностью таймера. Я вернусь и рассмотрю это более подробно несколько позднее. Поскольку мы не используем эту функцию прямо сейчас, то в качестве нормального решения будет подключение к выводу 5 конденсатора, чтобы защитить его от колебаний напряжения питания и предотвратить попадание на него какого-либо сигнала, который окажет на этот вывод негативное воздействие при нормальном функционировании.
Прежде чем продолжите чтение, убедитесь, что вы знакомы с основными функциями таймера 555.
Теория |
| Внутри таймера 555.Режим одновибратора (моностабильный) Пластмассовый корпус таймера 555 содержит пластинку кремния (кристалл), на которой вытравлены сотни транзисторных переходов согласно схеме, которая слишком сложна, чтобы ее можно было сразу. Тем не менее я смог обобщить функции этих внутренних элементов, разделив их на основные группы, которые показаны на рис. 7. Кроме этого на этой схеме показаны внешний резистор R4 и два внешних конденсатора С4 и С5, которые обозначены так же, как и на схеме, приведенной на рис. 4. Символами питания с минусом «-» и плюсом «+» внутри интегральной микросхемы отмечено напряжение питания, которое подается на ее выводы 1 и 8 соответственно. Я опустил внутренние соединения этих выводов, чтобы сделать схему более понятной. Два желтых треугольника, обозначенных буквами «А» и «В», означают два внутренних компаратора. Каждый компаратор сравнивает два напряжения на двух входах (в основании треугольника) и выдает выходное напряжение (из вершины треугольника) в зависимости от того, одинаковый сигнал на входах или различный. В дальнейшем мы обязательно будем использовать компараторы для различных целей. Прямоугольник зеленого цвета, который внизу обозначен буквами «FF», означает триггер (flip-flop) . На структурной схеме я показал его в виде двухполюсного двухпозиционного переключателя, поскольку в данном случае он функционирует именно так, хотя, естественно, это твердотельный полупроводниковый переключатель. Рис. 7. Внутренняя структурная схема таймера 555. Белыми линиями показаны резисторы и соединения внутри микросхемы. Треугольниками с буквами «А» и «В» обозначены два компаратора. Прямоугольник, обозначенный «FF» — это триггер (flip-flop), который находится либо в одном, либо в другом стабильном состоянии, аналогично двухполюсному двух-позиционному переключателю. Снижение уровня напряжения на выводе 2 контролируется компаратором «А», который при определенном значении напряжения переключает триггер (переключатель) в нижнее по схеме положение (DOWN), и таким образом формирует положительный импульс на выходе микросхемы (вывод 3). Когда конденсатор C4 зарядится до напряжения, равного 2/3 напряжения питания, что определяется компаратором «В», который в это время переключает триггер (переключатель) в верхнее по схеме положение (UP). В этом состоянии триггера заряженный ранее конденсатор C4 разряжается через вывод 7 Изначально, когда вы подаете напряжение питания на микросхему, триггер находится в верхнем по схеме положении (которое и показано на рис. 7), когда отрицательный (общий) вывод источника питания, обозначенный символом «-», поступает на выход микросхемы (вывод 3). Если на триггер приходит сигнал (DOWN) от компаратора «А», то он переключается в нижнее по схеме положение и затем какое-то время остается в этом состоянии. Когда же на триггер приходит сигнал (UP) от компаратора «В», то он снова переключается в верхнее по схеме положение и фиксируется уже в этом состоянии. Обозначения «UP» (вверх) и «DOWN» (вниз) на выходах соответствующих компараторов будут напоминать вам, что каждый из них делает, когда переходит в активное состояние. Триггер является основным элементом в цифровой электронике. Компьютеры не смогли бы функционировать без использования этого элемента. Обратите внимание на внешний провод, который присоединяет вывод 7 к конденсатору С4. Пока триггер находится в верхнем по схеме положении, на этот вывод поступает «-» источника питания, что препятствует заряду конденсатора от «+» источника питания через резистор R4. Если напряжение на выводе 2 падает до 1/3 напряжения питания, то компаратор «А», замечая это, выполняет переключение триггера. Это приводит к началу формирования положительного импульса на выводе 3, а также к отключению «-» источника питания от вывода 7. Поэтому в это время конденсатор C4 через резистор R4 начинает заряжаться от «+» источника питания. Пока выполняется заряд конденсатора, на выходе таймера продолжает присутствовать «+» источника питания, т. е. продолжается формирование положительного импульса. По мере заряда конденсатора C4 компаратор «В» через вывод 6, который называется «Порог» (Threshold), отслеживает возрастающее на конденсаторе напряжение. Когда конденсатор зарядится до значения, равного 2/3 напряжения источника питания, компаратор «В» сработает и выдаст сигнал «UP» (вверх) на триггер, возвращая его обратно в исходное состояние, которое показано на рисунке. Это приводит к разряду конденсатора через вывод 7, который так и называется «Разряд» (Discharge). В это время триггер прекращает формирование положительного импульса на выходе микросхемы (вывод 3) и выдает на него «-» источника питания. Таким образом таймер 555 возвращается в исходное состояние. Обобщая все предыдущее, приведу последовательность основных выполняемых событий: 1. Изначально триггер через источник питания закорачивает (разряжает) конденсатор C4 и выдает на выходе микросхемы (вывод 3) низкий уровень сигнала («-» источника питания). 2. После уменьшения напряжения на выводе 2 до значения, равного 1/3 напряжения питания или менее того, микросхема на выходе (вывод 3) начинает формирование положительного импульса и предоставляет возможность конденсатору C4 начать заряжаться через резистор R4. 3. Когда конденсатор достигает 2/3 напряжения питания, микросхема разрядит конденсатор C4, завершится формирование положительного импульса и на выходе (вывод 3) снова будет напряжение низкого уровня. В рассмотренном случае таймер 555 работает в режиме ждущего одновибратора, что означает, что он выдает только по одному импульсу, а вы, чтобы получить каждый следующий импульс, должны заставить его сработать.
|
Длительность формируемого импульса можно регулировать за счет изменения значений сопротивления резистора и емкости конденсатора С4. Каким же образом вам узнать какие значения надо выбрать? Обратитесь к следующему разд. «Фундаментальные сведения» и посмотрите на табл. 1 с приблизительными уже рассчитанными данными. В этом же разделе имеется формула, воспользовавшись которой, вы можете рассчитать и свои собственные значения.
Я не побеспокоился о том, чтобы в данную таблицу включить импульсы длительностью менее 0,01 сек, поскольку одиночный импульс такой длительности, как правило, не имеет практической ценности. Кроме того, я округлил значения в таблице до 2 цифр после запятой, поскольку значения емкости конденсатора редко бывают более точными.
Фундаментальные сведения |
| Таблица. 1 показывает длительность формируемого таймером 555 импульса в режиме одновибратора. • Длительность импульса приводится в секундах с округлением до двух значащих цифр после запятой. • Горизонтальная шкала показывает значение сопротивления между выводом 7 и положительным выводом источника питания. • Вертикальная шкала показывает общие значения емкости между выводом 6 и отрицательным выводом источника питания. Чтобы рассчитать различную длительность импульса, надо выполнить умножение по формуле: tи = сопротивление х емкость х 0,0011, где сопротивление приводится у килоомах, емкость в микрофарадах, а длительность получается в секундах. Таблица 1. |
Базовые сведения |
| Как родился таймер В конце 1970 года, когда имелось полдюжины корпораций, пустивших корни на плодородной почве Силиконовой долины, компания Signetics приобрела идею у инженера по имени Ханс Камензинд (Hans Camenzind). Это не была такая уж революционная идея — имелось всего 23 транзистора и набор резисторов, которые могли работать, как программируемый таймер. Таймер обещал быть универсальным, стабильным и простым, но все эти достоинства бледнели при обращении к его начальной стоимости. Используя революционную технологию создания интегральных микросхем, компания Signetics смогла оформить все устройство в одном кремниевом чипе. Рис. 8. Ханс Камерзинд (Hans Camenzind) изобретатель и разработчик микросхемы таймера 555 производства компании Signetics Разработка предполагала пройти некоторый путь проб и ошибок. Камензинд, работая один, выполнил все устройства в большом масштабе, используя имеющиеся в наличии транзисторы, резисторы и диоды, установленные на макетной плате. Он начал с того, что немного поменял номинальные значения разных компонентов, следя за тем, каким образом схема будет реагировать на разные изменения в процессе производства и такие факторы, как, например, изменение температуры в процессе эксплуатации. Он сделал, по меньшей мере, около 10 различных вариантов схемы. На это ушло несколько месяцев работы. Затем настало время ручной работы. Камензинд садился за рабочий стол и, используя специально изготовленный компанией нож «X-Acto», наносил свою схему на большой лист пластика. Компания Signetics затем уменьшила это изображение с помощью фотографии в масштабе примерно 300 : 1. Они протравили ее в тонкой кремниевой пластине, а затем поместили всю эту конструкцию в прямоугольный пластмассовый корпус с номером изделия, который был отпечатан на крышке. Таким образом родился таймер 555. Ему была уготована судьба наиболее популярной микросхемы в истории, как по количеству проданных единиц (десятки миллионов, и этот счет растет) и продолжительности существования конструкции (она остается неизменной вот уже сорок лет). Микросхема таймера 555 использовалась везде — от ракет до детских игрушек. Он может заставить мигать огни, приводить в действие охранную сигнализацию, менять длительность между звуковыми сигналами и создавать сами звуковые сигналы. В настоящее время ИС разрабатываются большими командами производителей и тестируются путем моделирования их поведения с помощью программного обеспечения компьютера. Таким образом, микросхемы, расположенные внутри компьютера, предоставляют возможность спроектировать новые ИС. Золотые дни конструкторов-одиночек, таких как Ханс Камерзинд, давно прошли, но его гений до сих пор живет внутри каждого таймера 555, который выходит с заводского конвейера. |
Фундаментальные сведения |
| Почему таймер 555 так полезен? В своем режиме одновибратора (моностабильном), который мы только что рассмотрели, таймер 555 генерирует один импульс фиксированной (но программируемой) длительности. Есть ли у вас какие-либо мысли, как можно было бы использовать этот прибор? Подумайте о продолжительности времени, когда импульс от таймера 555 управляет некоторым другим компонентом. Датчик движения для включения наружного освещения, например. Когда инфракрасный детектор «видит», что что-то движется, то загорается свет на определенный период времени, который может задаваться таймером 555. Другим применением может быть тостер. Когда кто-то опускает кусок хлеба, переключатель замыкает контакты, что приводит к включению цикла работы тостера. Чтобы изменять длительность этого цикла, вы вместо сопротивления R4 можете использовать потенциометр и присоединить его к ручке, установленной на корпусе устройства, чтобы с его помощью задавать необходимый уровень прожаренности хлеба. В конце цикла тостера выходной сигнал от таймера 555 должен пройти через мощный транзистор, который в свою очередь подает напряжение питания на катушку электромагнита (это что-то вроде реле, за исключением того, что у нее нет контактов для включения/выключения), выбрасывающего прожаренный кусок хлеба. Еще одно применение. Периодически включаемые дворники автомобиля могут управляться таймером 555 — и в прежних моделях автомобилей это было именно так. А что можно сказать об охранной сигнализации, которую мы описывали в Эксперименте 15? Одна из функций, которую я упоминал, и которая не была реализована, это возможность самостоятельного отключения системы сигнализации через определенный, фиксированный интервал времени. Для выполнения этого мы можем использовать регулируемый выходной сигнал таймера. Эксперимент, который вы сейчас будете выполнять, выглядит примитивным, но в нем фактически реализуются все его возможности. |
Ограничения при использовании микросхемы таймера 555
1. Таймер может запускаться от стабильного источника питания с напряжением от 5 до 15 В.
2. Большинство производителей рекомендуют регулирующий резистор, присоединенный к выводу 7, в диапазоне сопротивлений от 1 кОм до 1 МОм.
3. Величина емкости времяопределяющего конденсатора может быть настолько высокой, насколько продолжительным вы хотите получить временной интервал, но точность при увеличении длительности интервала будет падать.
4. На выходе микросхемы может быть получена мощность до 100 мА при напряжении питания 9 В. Этого достаточно для большинства небольших реле или миниатюрных динамиков, что вы увидите в следующих экспериментах.
Остерегайтесь, чтобы не перепутать выводы!
Во всех схемах я привожу микросхемы точно с таким расположением, как было показано ранее — вывод 1 находится вверху слева. В других схемах, которые вы можете найти на веб-сайтах, все может быть показано иначе. Для удобства изображения схем некоторые часто указывают номера выводов микросхем таким образом, что вывод 1 необязательно находится рядом с выводом 2.
Рис. 9. Многие рисуют схемы, в которых номера выводов микросхем располагаются в произвольном порядке, что значительно уменьшает схему и упрощает понимание ее функций. Это не помогает, когда вы начинаете реально выполнять подключения. Здесь приведена точно такая же схема, как и на рис. 4. Однако этот вариант схемы будет труднее реализовать на макетной плате
Автор: Чарльз Платт
Музыкальный сигнал совсем не похож на меандр. Частотный диапазон, воспринимаемый средним взрослым человеком редко превышает 17КГц. Поэтому я считаю, что эмоциональные обсуждения того, как тот или иной усилитель справляется с «прямоугольником» 100КГц — не слишком убедительны. Но как инженер-электронщик могу подтвердить, что «просвистеть» усилитель меандром 100КГц может помочь обнаружить проблемы в конструкции, совсем неочевидные при тестировании сигналами в звуковом диапазоне частот. Например выбросы перерегулирования петлевой ООС, влияние (преимущественно входных и миллеровских) емкостных нагрузок и т.п.
Прежде, чем собрать данный генератор на КМОП 555 таймере, я опробовал К561ЛА7, К561ЛН2, 74HC04 и 74HCT04, а так же обычный 555 — в различных вариантах схем релаксационных генераторов. Они все звенят ужастно. Так что из моего опыта получилось лишь два приемлимых бюджетных варианта:
Микросхема таймера 555
Важно: в данной конструкции необходимо использовать только качественный КМОП вариант 555 таймера. Обычные биполярные 555, к которым относится и КР1006ВИ1, работают плохо. Пример хорошего КМОП таймера: TLC555 datasheet от TI.
На мой взгляд, одна из наиболее наглядных отрисовок блок-схемы микросхемы 555:
 |
| Блок-схема КМОП таймера 555 |
- GND — Ground = «Земля», отрицательный вывод питания
- TRIG — Trigger = Триггер
- OUT — Output = Выход
- RESET = Сброс
- CONT — Control voltage = Управляющее напряжение
- THRES — Threshold = Порог
- DISCH — Discharge = Разряд
- VDD — Positive supply voltage = Положительное напряжение питания
Апологеты микроконтроллеров могут смеяться. Впрочем, я и сам подумывал, отчего бы не замутить универсальный генератор на ATmega-8, который к тому же всегда под рукой. Потом стало лень программить, да и намучался я уже с присвистами ото всех этих цифровых штуковин. Для проверки качественного аудио аппарата хотелось иметь и качественный же тестовый сигнал 😉
Простота — залог успеха
Надеюсь, что описывая конструкцию по схеме практически из datasheet’ов, всё же помогу кому-нибудь из моих читателей сэкономить немного времени и собрать сразу удобный генератор тестовых сигналов, при этом избежав нескольких ненужных проб и ошибок.
 |
| Генератор прямоугольного сигнала (меандра) |
- C1 = 1 нФ
- R1 = 6.2 кОм
- R2 = 1 кОм
- R3 = 300 Ом
- R4 = 5 кОм
- C2 = 1 мкФ
- C3 = 10 мкФ 25 В
- C4, C5 = 0.1 мкФ
Для тестирования аудио-конструкций удобно иметь источник сигнала центрированный относительно земли. Но и «смещённый» (с ощутимой постоянной состовляющей) сигнал бывает полезен, к примеру чтобы проверить работу серво-цепи, обеспечивающей нулевое смещение по выходу. Так что предлагаю предусмотреть возможность закорачивать проходной конденсатор на выходе генератора.
Все частоты хороши — выбирай на вкус
Раз уж греть паяльник — почему бы не обеспечить возможность выбора частоты генерируемого сигнала? Рядок DIP-переключателей, несколько дополнительных емкостей и резисторов, небольшой потенциометр — и генератор на все случаи жизни готов 🙂
В теории частоту на выходе генератора можно прикинуть как:
f = 0.72 / (R1 * C1)
На практике частота получается чуть ниже рассчётной, особенно на высоких частотах.
Я ограничился следующим набором емкостей и резисторов:
- C1: 1 нФ, 10 нФ, 0.1 мкФ, 1 мкФ
- R1: 2.2 кОм, 6.2 кОм, 150 кОм, подстроечник 220 кОм
Удобные комбинации R1 и C1:
- 250 кГц — 1 нФ 2.2 кОм
- 100 кГц — 1 нФ 6.2 кОм
- 30 кГц — 10 нФ 2,2 кОм
- 10 кГц — 10 нФ 6,2 кОм
- 3.1 кГц — 0.1 мкФ 2.2 кОм
- 1.1 кГц — 0.1 мкФ 6.2 кОм
- 465 Гц — 10 нФ 150 кОм
- 46 Гц — 0.1 мкФ 150 кОм
- 4.5 Гц — 1 мкФ 150 кОм
Конечно, частоты даны очень приблизительно, всё зависит от применённых компонентов.
Собираем — Проверяем
Данную конструкцию удобно запитывать от батареек или маленького сетевого блока с обычным трансформатором и выпрямителем прямо в коробочке-вилке. Во избежание выжигания столь любимых мною КМОП 555 таймеров защита от переполюсовки тут весьма уместна.
 |
| Генератор меандра с защитой от переполюсовки питания |
 |
| Монтаж паутинкой «Kynar wire» — быстро и недорого |