555 Timer IC – Funktionsprinzip, Blockdiagramm, Schaltpläne

In diesem Tutorial lernen wir, wie der 555 Timer funktioniert, einer der beliebtesten und am weitesten verbreiteten ICs aller Zeiten. Sie können sich das folgende Video ansehen oder das schriftliche Tutorial unten lesen.

Übersicht

Der 555 Timer, 1971 von Hans Camenzind entworfen, findet sich in vielen elektronischen Geräten, angefangen von Spielzeug und Küchengeräten bis hin zu Raumfahrzeugen. Es ist eine hochstabile integrierte Schaltung, die genaue Zeitverzögerungen und Oszillationen erzeugen kann. Der 555 Timer hat drei Betriebsmodi, bistabilen, monostabilen und astabilen Modus.

Wie es funktioniert, interner Schaltplan und Blockdiagramm

Schauen wir uns genauer an, was im 555 Timer steckt, und erklären, wie er in jedem der drei Modi funktioniert. Hier ist der interne Schaltplan des 555 Timers, der aus 25 Transistoren, 2 Dioden und 15 Widerständen besteht.

Mit einem Blockschaltbild dargestellt besteht es aus 2 Komparatoren, einem Flip-Flop, einem Spannungsteiler, einem Entladetransistor und einer Ausgangsstufe.

Der Spannungsteiler besteht aus drei identischen 5k-Widerständen, die zwei Referenzspannungen bei 1/3 und 2/3 der zugeführten Spannung erzeugen, die zwischen 5 und 15 V liegen kann.

Als nächstes kommen die beiden Komparatoren. Ein Komparator ist ein Schaltungselement, das zwei analoge Eingangsspannungen an seinem positiven (nicht invertierenden) und negativen (invertierenden) Eingangsanschluss vergleicht. Wenn die Eingangsspannung am positiven Anschluss höher ist als die Eingangsspannung am negativen Anschluss, gibt der Komparator 1 aus. Umgekehrt, wenn die Spannung am negativen Eingangsanschluss höher ist als die Spannung am positiven Anschluss, gibt der Komparator 0 aus .

Der negative Eingangsanschluss des ersten Komparators ist mit der 2/3-Referenzspannung am Spannungsteiler und dem externen „Steuer“-Pin verbunden, während der positive Eingangsanschluss mit dem externen „Threshold“-Pin verbunden ist.

Andererseits ist der negative Eingangsanschluss des zweiten Komparators mit dem „Trigger“-Pin verbunden, während der positive Eingangsanschluss mit der 1/3-Referenzspannung am Spannungsteiler verbunden ist.

Mit den drei Pins Trigger, Threshold und Control können wir also den Ausgang der beiden Komparatoren steuern, die dann den R- und S-Eingängen des Flip-Flops zugeführt werden. Das Flip-Flop gibt 1 aus, wenn R 0 und S 1 ist, und umgekehrt gibt es 0 aus, wenn R 1 und S 0 ist. Zusätzlich kann das Flip-Flop über den externen Pin „Reset“ zurückgesetzt werden kann die beiden Eingänge übersteuern und somit jederzeit den gesamten Timer zurücksetzen.

Der Q-Bar-Ausgang des Flip-Flip geht an die Ausgangsstufe oder die Ausgangstreiber, die entweder einen Strom von 200 mA zur Last liefern oder senken können. Der Ausgang des Flip-Flip ist auch mit einem Transistor verbunden, der den „Discharge“-Pin mit Masse verbindet.

555-Timer – Bistabiler Modus

Lassen Sie uns nun ein Beispiel für den 555 Timer machen, der in einem bistabilen Modus arbeitet. Dazu benötigen wir zwei externe Widerstände und zwei Taster.

Die Trigger- und die Reset-Pins des IC sind über die beiden Widerstände mit VCC verbunden und sind so immer hoch. Die beiden Drucktasten sind zwischen diesen Pins und Masse verbunden, wenn wir sie also gedrückt halten, ist der Eingangszustand niedrig.

Anfangs sind die beiden Komparatorausgänge 0, somit sind sowohl der Flip-Flop-Ausgang als auch der Ausgang des 555 Timers 0.

Wenn wir die Trigger-Taste drücken, wird der Zustand am Trigger-Eingang Low, sodass der Komparator High ausgibt und der Flip-Flip-Q-Bar-Ausgang Low wird. Die Ausgangsstufe wird dies invertieren und der endgültige Ausgang des 555-Timers wird High sein.

Der Ausgang bleibt auch dann hoch, wenn der Trigger-Taster nicht gedrückt wird, da in diesem Fall die Flip-Flop-Eingänge R und S 0 sind, was bedeutet, dass das Flip-Flop den vorherigen Zustand nicht ändert. Um den Ausgang Low zu machen, müssen wir den Reset-Taster drücken, der das Flip-Flop und den gesamten IC zurücksetzt.

Zugehöriges Tutorial:Was ist Schmitt-Trigger | Wie es funktioniert

555 Timer – Monostabiler Modus

Als nächstes sehen wir uns an, wie der 555 Timer in einem monostabilen Modus arbeitet. Hier ist eine Beispielschaltung.

Der Triggereingang wird hoch gehalten, indem er über einen Widerstand mit VCC verbunden wird. Das bedeutet, dass der Triggerkomparator 0 an den S-Eingang des Flip-Flops ausgibt. Andererseits ist der Threshold-Pin Low und das macht den Threshold-Komparator auch auf 0. Der Threshold-Pin ist eigentlich Low, weil der Q-Bar-Ausgang des Flip-Flops High ist, wodurch der Entladetransistor aktiv bleibt, sodass die von der Quelle kommende Spannung durch diesen Transistor auf Masse geht.

Um den Ausgangszustand des 555-Timers auf High zu ändern, müssen wir den Druckknopf am Trigger-Pin drücken. Dadurch wird der Trigger-Pin geerdet, oder der Eingangszustand ist 0, sodass der Komparator 1 an den S-Eingang des Flip-Flip ausgibt. Dadurch wird der Q-bar-Ausgang auf Low und der 555-Timer-Ausgang auf High gesetzt. Gleichzeitig können wir feststellen, dass der Entladetransistor ausgeschaltet ist, sodass sich der Kondensator C1 jetzt über den Widerstand R1 auflädt.

Der 555-Timer bleibt in diesem Zustand, bis die Spannung am Kondensator 2/3 der zugeführten Spannung erreicht. In diesem Fall ist die Schwelleneingangsspannung höher und der Komparator gibt 1 an den R-Eingang des Flip-Flip aus. Dadurch wird die Schaltung in den Ausgangszustand gebracht. Der Q-Bar-Ausgang wird hoch, wodurch der Entladetransistor aktiviert und der IC-Ausgang wieder niedrig wird.

Wir können also feststellen, dass die Zeit, die der Ausgang des 555-Timers hoch ist, davon abhängt, wie viel Zeit der Kondensator benötigt, um auf 2/3 der zugeführten Spannung aufzuladen, und das hängt von den Werten sowohl des Kondensators C1 als auch des ab Widerstand R1. Wir können diese Zeit tatsächlich mit der folgenden Formel berechnen:T=1,1*C1*R1.

555-Timer – stabiler Modus

Sehen wir uns als Nächstes an, wie der 555-Timer in einem stabilen Modus funktioniert. In diesem Modus wird der IC zu einem Oszillator oder auch Free Running Multivibrator genannt. Es hat keinen stabilen Zustand und wechselt ohne Anwendung eines externen Triggers kontinuierlich zwischen High und Low. Hier ist eine Beispielschaltung des 555-Timers, der im stabilen Modus arbeitet.

Wir brauchen nur zwei Widerstände und einen Kondensator. Die Trigger- und Threshold-Pins sind miteinander verbunden, sodass kein externer Triggerimpuls erforderlich ist. Zunächst beginnt die Spannungsquelle, den Kondensator über die Widerstände R1 und R2 aufzuladen. Während des Ladevorgangs gibt der Trigger-Komparator 1 aus, da die Eingangsspannung am Trigger-Pin immer noch niedriger als 1/3 der zugeführten Spannung ist. Das bedeutet, dass der Q-Bar-Ausgang 0 ist und der Entladetransistor geschlossen ist. Zu diesem Zeitpunkt ist der Ausgang des 555-Timers hoch.

Sobald die Spannung am Kondensator 1/3 der zugeführten Spannung erreicht, gibt der Trigger-Komparator 0 aus, aber an diesem Punkt ändert sich nichts, da sowohl die R- als auch die S-Eingänge des Flip-Flops 0 sind. Also die Spannung über Der Kondensator steigt weiter an, und sobald er 2/3 der zugeführten Spannung erreicht, gibt der Schwellenwertkomparator 1 an den R-Eingang des Flip-Flops aus. Dadurch wird der Entladetransistor aktiviert und nun beginnt der Kondensator, sich über den Widerstand R2 und den Entladetransistor zu entladen. In diesem Moment ist der Ausgang des 555 Timers Low.

Während des Entladens beginnt die Spannung am Kondensator zu sinken, und der Schwellenkomparator beginnt sofort mit der Ausgabe von 0, was eigentlich keine Änderung bewirkt, da jetzt sowohl die R- als auch die S-Eingänge des Flip-Flops 0 sind. Aber einmal die Spannung über dem Kondensator auf 1/3 der zugeführten Spannung abfällt, gibt der Triggerkomparator 1 aus. Dadurch wird der Entladetransistor ausgeschaltet und der Kondensator beginnt sich wieder aufzuladen. Dieser Vorgang des Ladens und Entladens zwischen 2/3 und 1/3 der zugeführten Spannung läuft also von selbst weiter und erzeugt so eine Rechteckwelle am Ausgang des 555 Timer.

Wir können die Zeit berechnen, in der der Ausgang High und Low ist, indem wir die gezeigten Formeln verwenden. Die High-Zeit hängt vom Widerstand von R1 und R2 sowie von der Kapazität des Kondensators ab. Andererseits hängt die Low-Zeit nur vom Widerstand von R2 und der Kapazität des Kondensators ab. Wenn wir die High- und Low-Zeiten addieren, erhalten wir die Periode eines Zyklus. Auf der anderen Seite gibt die Frequenz an, wie oft dies in einer Sekunde geschieht, sodass man über die Periode die Frequenz der Rechteckwellenausgabe verwendet.

Wenn wir einige Änderungen an dieser Schaltung vornehmen, zum Beispiel den R2-Widerstand durch einen variablen Widerstand oder ein Potentiometer ersetzen, können wir sofort die Frequenz und die Tastverhältnisse der Rechteckwelle steuern. Mehr dazu jedoch in meinem nächsten Video, in dem wir mit dem 555-Timer einen PWM-DC-Motordrehzahlregler erstellen werden.

Ich hoffe, Ihnen hat dieses Tutorial gefallen und Sie haben etwas Neues gelernt. Fühlen Sie sich frei, Fragen im Kommentarbereich unten zu stellen.