Борис Семенов - Путеводитель в мир электроники. Книга 2
Следует отметить, что в настоящее время существует две разновидности таких микросхем: классические (изготовленные на основе биполярных транзисторов) и микромощные (на основе полевых). Микромощные потребляют меньше, но и нагрузочная способность у них по току поменьше 50… 100 мА (к тому же стоят пока существенно дороже). Но, несмотря на разные внутренние принципиальные схемы и технологии изготовления таймеров от различных производителей, все они полностью совместимы по номерам и назначению выводов, что фактически стало стандартом, ну и, конечно, работают аналогично.
Большинство таких микросхем производится в 8-выводном корпусе, показанном на рис. 13.21.
Рис. 13.21. Вид корпуса (а) и назначение выводов (б)
Кроме одиночных 555-таймеров, выпускаются также сдвоенные из серии 556 (два одинаковых таймера в одном корпусе, в котором общими сделаны цепи питания) и счетверенные таймеры, но они менее распространены и доступны по цене. Других отличий от одиночных таймеров эти микросхемы не имеют и работают так же, поэтому мы пока обойдемся одинарными.
Чтобы понять, как работает любая схема, выполненная на основе таймера, давайте более подробно рассмотрим внутреннее устройство классического варианта микросхемы, показанной на рис. 13.22. Приведенные на рисунке диаграммы напряжений в контрольных точках поясняют работу.
Рис. 13.22. Функциональная схема таймера с подключенными внешними времязадающими цепями для работы в режиме автогенератора
На рисунке внутри микросхемы показаны основные узлы:
• два операционных усилителя, работающих в качестве компараторов (1 и 2);.
• RS-триггер (Т);
• выходной усилитель для повышения нагрузочной способности (3);
• ключевой транзистор, имеющий открытый коллектор (V14), его иногда называют разрядным.
Назначение всех выводов микросхемы следующее (в скобках указаны встречающиеся на схемах обозначения):
1 — (GND, — Vcc) общий провод, соединяется с цепью отрицательного питающего напряжения.
2 — (TRIG, Trigger, ST) вход компаратора, который используется для управления переключением выходного напряжения. Пороговым напряжением для переключения триггера является уровень 0,667 от Uп.
3 — (OUT, Output) выход, предназначен для подключения нагрузки с током до 200 мА. Транзисторы выходного усилителя (3) включены по схеме Дарлингтона и обеспечивают напряжение на выходе приблизительно на 10 % меньше, чем уровень питания (+Uп). С этого выхода сигнал можно подавать непосредственно и на входы цифровых микросхем — ТТЛ или КМОП логики.
4 — (RST, Reset) сброс, этот вывод используется для возвращения выхода (3) к нулевому состоянию. Пороговый уровень напряжения сброса меньше или равен 0,7 В (этот уровень не зависит от величины Uп, ток входа должен быть не менее 0,1 мА). Вход сброса обладает приоритетом и устанавливает на выходе низкое напряжение независимо от состояния любых других входов. Когда этот вход не используется, чтобы избежать возможности ложного срабатывания (сброса от помех), рекомендуется его соединять с +Uп.,
5 — (CONT, Control voltage, CN) контрольное напряжение, этот вывод позволяет получить прямой доступ к точке делителя с уровнем 2/3 напряжения питания, являющейся опорной для работы верхнего компаратора. Использование данного вывода позволяет менять этот уровень для получения модификаций схемы. В случае, если вывод управляющего напряжения не используется, для защиты от помех к нему подключают конденсатор емкостью не менее 0,01 мкФ, соединенный с общим проводом.
6 — (THRES, Threshold, SR) вход компаратора, который используется для переключения выхода в нулевое состояние. Это происходит, когда напряжение на входе превысит уровень 2/3 от Uп (нормальное пороговое напряжение вывода 5).
7 — (DISCH, Discharge) вывод коллектора транзистора (V14), эмиттер которого подключен к общему проводу. Состояние этого транзистора идентично состоянию выхода 3, т. е. он открыт (имеет низкое сопротивление), когда на выходе ноль (напряжение насыщения обычно ниже 100 мВ) и заперт (высокое сопротивление — ток утечки не более 20 нА), когда на выходе присутствует напряжение. Обычно он служит для разряда внешнего времязадающего конденсатора. В некоторых применениях микросхемы этот вывод коллектора может использоваться и как вспомогательный выход с нагрузочной способностью по току до 100 мА.
8 — (+Vcc, +Uп) питание, на этот вывод подается положительное напряжение питания в диапазоне от 4,5 до 16…18 В.
На практических принципиальных схемах внутреннюю структуру рисуют довольно редко. Это удобно только для того, чтобы разобраться в работе микросхемы. Чаще всего вы встретите упрощенный вид, например, как это показано на рис. 13.23, где изображена та же самая схема, что и на рис. 13.22, только к выходу D1/3 уже подключена через конденсатор нагрузка — динамик с сопротивлением катушки не менее 50 Ом. Вид нагрузки и место ее подключения зависят от того, что мы хотим получить от таймера, т. е. от его времязадающей цепи. Нагрузкой могут быть светодиоды, ИК-диоды, реле (рис. 13.23, б). А в случаях, когда требуется управлять мощной нагрузкой (например, низкоомным динамиком), потребляющей более 100…150 мА, ставят дополнительный каскад с усилителем на полевом или биполярном транзисторе (рис. 13.23, в).
Рис. 13.23. Схема генератора импульсов (а) и разные варианты подключения нагрузки (б, в)
Частота выходных импульсов определяется по формуле, приведенной на рис. 13.22 (размерность величин для расчета можно брать из табл. 13.1, так как в калькулятор неудобно вводить единицы в фарадах и омах, к тому же с большим числом разрядов может работать еще и не каждый из них).
Давайте рассмотрим, как работает самый распространенный генератор импульсов (называемый еще мультивибратором). Проще всего изучать работу микросхемы, если собрать типовую схему на печатной плате (рис. 13.24).
Рис. 13.24. Печатная плата и внешний вид монтажа
Расположение элементов на ней специально не очень плотное — это позволяет легко модифицировать схему. Например, установить времязадающий конденсатор большой величины и получить генератор сверхнизкочастотных импульсов (мигалку-маяк для аварийных огней или других целей), а так же производить любые изменения в схеме из тех, что будут указаны далее. Так, если вместо резистора R2 установить перемычку, то мы получим одновибратор. Топология платы также предусматривает установку светодиодного индикатора и усилителя мощности на транзисторе (эти элементы на плате показаны пунктиром). Но обо всем по порядку.
Сначала, пожалуй, следует понять, как работает имеющийся в составе микросхемы RS-триггер, — именно с него сигнал поступает на выход. Вообще-то триггеры чаще можно встретить в цифровой технике — так называется логический элемент, который, в зависимости от управляющего сигнала на входах, может переключать выход, к тому же запоминает и хранит это состояние. На выходе может быть одно из двух устойчивых положений — когда есть напряжение, близкое к питающему (лог. 1), либо же оно около нуля (лог. 0). Импульс на входе S (setup — установка) устанавливает на выходе высокий уровень напряжения, а на входе R (reset — сброс) — низкий. Дополнительный инверсный вход R (вывод 4) является приоритетным, а это значит, что при низком напряжении на нем выход триггера устанавливается в «ноль» независимо от других управляющих сигналов.
Управляют переключением триггера два компаратора. В любой практической схеме, собранной на таймере, работающем в режиме формирования импульсов, имеется времязадающий конденсатор, уровень напряжения на котором и контролируют компараторы (как работают компараторы, вы уже знаете из предыдущего раздела). Заряд конденсатора от источника напряжения идет через один или два добавочных резистора (число резисторов зависит от вида схемы). У компараторов имеется два порога срабатывания 1/3 и 2/3 от Uп (т. е. работа схемы не зависит от уровня питания). Разработчики микросхемы позаботились для нас, чтобы чувствительность формируемого интервала времени к изменению питающего напряжения была довольно низкой (обычно не более 0,1 % на вольт). Это значит, что применять стабилизацию питания необходимо только в исключительных случаях:
