Timer 555 – układ znany i tak uniwersalny, że montowany prawie wszędzie, od zabawek do statków kosmicznych. Układ, który może działać jako oscylator, przerzutnik Schmitta, generator sygnałów PWM, syrena alarmowa, czujnik światła i wiele więcej. Jest najpopularniejsza kostką od momentu wprowadzenia na rynek około 1971 r. i dziś jego sprzedaż wynosi rocznie ponad 1 miliard sztuk. W tym artykule dowiesz się, jak zbudować swój własny timer 555, używając jedynie rezystorów i tranzystorów.
Dlaczego więc robić coś takiego?
1. Dla nauki: realizując układ można dowiedzieć się wiele na temat komparatorów i układów analogowych a także poznać podstawy działania układu 555. Timer łączy w sobie obwody analogowe i cyfrowe, i w momencie, kiedy elektronika cyfrowa jest tak popularna, można wciąż sobie przypomnieć podstawy układów analogowych.
2. Dla zrozumienia: Timer 555 jest uniwersalnym układem, dlatego też produkowany jest w tak dużych ilościach. Jako że używany jest tak często, warto zrozumieć, jak działają obwody zawierające ten układ.
3. Dla zabawy: Jeśli lubisz zabawę z elektroniką, ten projekt będzie dla Ciebie! Przekroczysz barierę czarnej, plastykowej obudowy układu i będziesz mógł zobaczyć działanie układu w całej okazałości.
Jak działa 555?
Na pierwszym z poniższych obrazków widać, że we wnętrzu znajdują się dwa komparatory – jeden na wejściu trigger i jeden przy pinie threshold. Komparatory są połączone do dzielnika napięcia – komparator pinu threshold działa dla napięcia 2/3Vcc i komparator pinu trigger działa dla napięcia 1/3Vcc. Wyjścia komparatorów są połączone z przerzutnikiem – jest to przerzutnik typu RS, co nie wynika wprost ze schematu. Wyjście przerzutnika jest połączone z obwodami wyjściowymi i tranzystorem sterującym procesem rozładowywania.
Kiedy napięcie na wejściu trigger przekroczy poziom referencyjny 1/3Vcc, komparator powoduje – poprzez przerzutnik – ustawienie stanu wysokiego na wyjściu i wyłączenie rozładowywania. Kiedy na wejściu threshold przekroczy 2/3Vcc, komparator resetuje przerzutnik, co powoduje pojawienie się stanu niskiego na wyjściu i uruchomienie rozładowywania.
Jeśli przyjrzeć się dokładniej schematowi (drugi obrazek), można stwierdzić, że komparatory to wzmacniacze różnicowe z dodanymi elementami pasywnymi dla zwiększenia wzmocnienia i czułości. W komparatorze pinu threshold użyto tranzystorów NPN, zaś w komparatorze wejścia trigger – tranzystorów PNP. Obwody przerzutnika są dość skomplikowane i odpowiadają także częściowo za reset – autor zarzucił wzorowanie się na oryginalnym rozwiązaniu i zaprojektował swoją wersję opartą na 3 tranzystorach.
Obwody wyjściowe składają się z dwu tranzystorów i są stosunkowo proste; pracują w konfiguracji push-pull.
Na poniższym schemacie można obejrzeć autorski projekt układu NE555. Założeniem projektu była jak największa prostota układów przy zachowaniu pełnej funkcjonalności oryginału. Obwody komparatorów oparte są na oryginalnych rozwiązaniach, prostsze komparatory nie spełniały swojej roli – albo nie działały w ogóle albo miały za małą dokładność.
Dzielnik napięcia oparty jest na trzech rezystorach 4,7 kΩ. Możliwe jest użycie lepszych rezystorów, aby uzyskać wartości napięć wynoszące dokładnie 1/3 i 2/3 napięcia zasilania.
Jak wspomniano wcześniej, układ przerzutnika RS został przeprojektowany przez autora i jest zbliżony do znanych konstrukcji, służących do migania LEDami.
Obwody wyjściowe również są inne niż oryginalne – i o wiele prostsze. Wykorzystują jedynie tranzystor NPN i PNP pracujące w układzie komplementarnym. Takie rozwiązanie zachowuje wszystkie funkcje oryginalnego rozwiązania i daje dodatkową możliwość – zwykłe tranzystory zastąpić można elementami o dużej mocy i sterować w ten sposób układy pobierające więcej niż 200 mA prądu.
Co jest potrzebne do budowy timera?
Tylko kilka elementów: 2 rezystory 1kΩ, 2 rezystory 10kΩ, 11 rezystorów 4,7kΩ oraz 11 tranzystorów NPN typu 2N3904 (lub zamiennik) oraz 9 tranzystorów PNP typu 2N3906 (lub zamiennik). W czasie testów warto też dodać kondensator (100 µF) do filtrowania zasilania.
Budowa i testowanie komparatora wejścia trigger i threshold.
Schemat komparatora wejścia trigger pokazany jest na rysunku, do testów został on złożony na płytce stykowej. Dla łatwej orientacji, żółty przewód oznacza wejście, a niebieski – wyjście. Testowanie działania jest proste – komparator należy zasilać napięciem od 3 do 12V. Na wejście odniesienia należy podać napięcie z prostego dzielnika rezystorowego, a do wyjścia przyłączyć diodę LED. Po połączeniu wejścia komparatora do masy dioda powinna się zaświecić, a po podaniu na wejście napięcia zasilania – zgasnąć.
Schemat komparatora wejścia threshold jest także pokazany na schemacie ogólnym. Budowa i działanie jest analogiczne jak w powyższym przypadku.
Budowa i testowanie przerzutnika RS.
Przerzutnik RS został skonstruowany na podstawie schematu ogólnego na płytce stykowej. Testy przerzutnika można łatwo przeprowadzić – najpierw należy dodać diody LED sygnalizujące stan wyjścia. Po podaniu napięcia jedna z diod powinna się zapalić. Po podaniu stanu wysokiego na wejście SET, świecąca dioda nie zgaśnie lub zapali się kolejna dioda. Po usunięciu stanu wysokiego diody powinny również pozostać zapalone. Podając stan wysoki na wejście RESET świecąca się dotychczas dioda powinna zgasnąć, a druga – zaświecić.
Połączenie komparatorów i przerzutnika.
Po przetestowaniu działania powyższych układów należy połączyć wyjście komparatora threshold do wejścia RESET przerzutnika. Wejście SET powinno zostać połączone z komparatorem wejścia trigger.
Dokańczanie konstrukcji.
Najpierw należy przygotować dzielnik z trzech rezystorów i połączyć jego wyjścia z wejściami odpowiednich komparatorów. Następnie należy przygotować obwody wyjściowe, stosując dwa tranzystory: NPN i PNP pracujące w układzie komplementarnym. Bazy tranzystorów, połączone razem, należy połączyć z wyjściem przerzutnika RS. Potem należy dodać tranzystor PNP odpowiadający za reset układu i połączyć kolektor z wejściem RESET przerzutnika RS. Ostatnią rzeczą jest wejście rozładowywania. W tym celu tranzystor NPN należy połączyć z jednym z wyjść przerzutnika RS.
Po wypróbowaniu całości w oparciu o klasyczną aplikację kostki 555 układ można zmontować na uniwersalnej płytce drukowanej. Finalny efekt można zobaczyć na poniższych zdjęciach.
Źródło
Dlaczego więc robić coś takiego?
1. Dla nauki: realizując układ można dowiedzieć się wiele na temat komparatorów i układów analogowych a także poznać podstawy działania układu 555. Timer łączy w sobie obwody analogowe i cyfrowe, i w momencie, kiedy elektronika cyfrowa jest tak popularna, można wciąż sobie przypomnieć podstawy układów analogowych.
2. Dla zrozumienia: Timer 555 jest uniwersalnym układem, dlatego też produkowany jest w tak dużych ilościach. Jako że używany jest tak często, warto zrozumieć, jak działają obwody zawierające ten układ.
3. Dla zabawy: Jeśli lubisz zabawę z elektroniką, ten projekt będzie dla Ciebie! Przekroczysz barierę czarnej, plastykowej obudowy układu i będziesz mógł zobaczyć działanie układu w całej okazałości.
Jak działa 555?
Na pierwszym z poniższych obrazków widać, że we wnętrzu znajdują się dwa komparatory – jeden na wejściu trigger i jeden przy pinie threshold. Komparatory są połączone do dzielnika napięcia – komparator pinu threshold działa dla napięcia 2/3Vcc i komparator pinu trigger działa dla napięcia 1/3Vcc. Wyjścia komparatorów są połączone z przerzutnikiem – jest to przerzutnik typu RS, co nie wynika wprost ze schematu. Wyjście przerzutnika jest połączone z obwodami wyjściowymi i tranzystorem sterującym procesem rozładowywania.
Kiedy napięcie na wejściu trigger przekroczy poziom referencyjny 1/3Vcc, komparator powoduje – poprzez przerzutnik – ustawienie stanu wysokiego na wyjściu i wyłączenie rozładowywania. Kiedy na wejściu threshold przekroczy 2/3Vcc, komparator resetuje przerzutnik, co powoduje pojawienie się stanu niskiego na wyjściu i uruchomienie rozładowywania.
Jeśli przyjrzeć się dokładniej schematowi (drugi obrazek), można stwierdzić, że komparatory to wzmacniacze różnicowe z dodanymi elementami pasywnymi dla zwiększenia wzmocnienia i czułości. W komparatorze pinu threshold użyto tranzystorów NPN, zaś w komparatorze wejścia trigger – tranzystorów PNP. Obwody przerzutnika są dość skomplikowane i odpowiadają także częściowo za reset – autor zarzucił wzorowanie się na oryginalnym rozwiązaniu i zaprojektował swoją wersję opartą na 3 tranzystorach.
Obwody wyjściowe składają się z dwu tranzystorów i są stosunkowo proste; pracują w konfiguracji push-pull.
Na poniższym schemacie można obejrzeć autorski projekt układu NE555. Założeniem projektu była jak największa prostota układów przy zachowaniu pełnej funkcjonalności oryginału. Obwody komparatorów oparte są na oryginalnych rozwiązaniach, prostsze komparatory nie spełniały swojej roli – albo nie działały w ogóle albo miały za małą dokładność.
Dzielnik napięcia oparty jest na trzech rezystorach 4,7 kΩ. Możliwe jest użycie lepszych rezystorów, aby uzyskać wartości napięć wynoszące dokładnie 1/3 i 2/3 napięcia zasilania.
Jak wspomniano wcześniej, układ przerzutnika RS został przeprojektowany przez autora i jest zbliżony do znanych konstrukcji, służących do migania LEDami.
Obwody wyjściowe również są inne niż oryginalne – i o wiele prostsze. Wykorzystują jedynie tranzystor NPN i PNP pracujące w układzie komplementarnym. Takie rozwiązanie zachowuje wszystkie funkcje oryginalnego rozwiązania i daje dodatkową możliwość – zwykłe tranzystory zastąpić można elementami o dużej mocy i sterować w ten sposób układy pobierające więcej niż 200 mA prądu.
Co jest potrzebne do budowy timera?
Tylko kilka elementów: 2 rezystory 1kΩ, 2 rezystory 10kΩ, 11 rezystorów 4,7kΩ oraz 11 tranzystorów NPN typu 2N3904 (lub zamiennik) oraz 9 tranzystorów PNP typu 2N3906 (lub zamiennik). W czasie testów warto też dodać kondensator (100 µF) do filtrowania zasilania.
Budowa i testowanie komparatora wejścia trigger i threshold.
Schemat komparatora wejścia trigger pokazany jest na rysunku, do testów został on złożony na płytce stykowej. Dla łatwej orientacji, żółty przewód oznacza wejście, a niebieski – wyjście. Testowanie działania jest proste – komparator należy zasilać napięciem od 3 do 12V. Na wejście odniesienia należy podać napięcie z prostego dzielnika rezystorowego, a do wyjścia przyłączyć diodę LED. Po połączeniu wejścia komparatora do masy dioda powinna się zaświecić, a po podaniu na wejście napięcia zasilania – zgasnąć.
Schemat komparatora wejścia threshold jest także pokazany na schemacie ogólnym. Budowa i działanie jest analogiczne jak w powyższym przypadku.
Budowa i testowanie przerzutnika RS.
Przerzutnik RS został skonstruowany na podstawie schematu ogólnego na płytce stykowej. Testy przerzutnika można łatwo przeprowadzić – najpierw należy dodać diody LED sygnalizujące stan wyjścia. Po podaniu napięcia jedna z diod powinna się zapalić. Po podaniu stanu wysokiego na wejście SET, świecąca dioda nie zgaśnie lub zapali się kolejna dioda. Po usunięciu stanu wysokiego diody powinny również pozostać zapalone. Podając stan wysoki na wejście RESET świecąca się dotychczas dioda powinna zgasnąć, a druga – zaświecić.
Połączenie komparatorów i przerzutnika.
Po przetestowaniu działania powyższych układów należy połączyć wyjście komparatora threshold do wejścia RESET przerzutnika. Wejście SET powinno zostać połączone z komparatorem wejścia trigger.
Dokańczanie konstrukcji.
Najpierw należy przygotować dzielnik z trzech rezystorów i połączyć jego wyjścia z wejściami odpowiednich komparatorów. Następnie należy przygotować obwody wyjściowe, stosując dwa tranzystory: NPN i PNP pracujące w układzie komplementarnym. Bazy tranzystorów, połączone razem, należy połączyć z wyjściem przerzutnika RS. Potem należy dodać tranzystor PNP odpowiadający za reset układu i połączyć kolektor z wejściem RESET przerzutnika RS. Ostatnią rzeczą jest wejście rozładowywania. W tym celu tranzystor NPN należy połączyć z jednym z wyjść przerzutnika RS.
Po wypróbowaniu całości w oparciu o klasyczną aplikację kostki 555 układ można zmontować na uniwersalnej płytce drukowanej. Finalny efekt można zobaczyć na poniższych zdjęciach.
Źródło
Cool? Ranking DIY
proponuje wykonać z elementów smd ze względu na wymiary
zrobiłem i działa
