E11 Wstęp do układu NE555. Krótka historia NE555 NE NE555 uniwersalna maszyna czasu wyróżniamy zaledwie pięć bloków NE556 LF555 CD555 LM555

Transkrypt

1 E11 Wstęp do układu NE555. Celem tego artykułu jest zapoznanie początkujących z zasadą działania układu NE555. Wykonanie pierwszego, prostego przykładu jest również konieczne, przed realizacją bardziej rozbudowanych projektów, którymi zajmiemy się w kolejnej części kursu elektroniki! Krótka historia NE555 Układ scalony typu NE555 został opracowany w 1970 roku, rok później trafił do masowej produkcji. Jego projektanci nie spodziewali się, że będzie on produkowany przez ponad 40 lat. Nawet dziś nikt nie myśli o zaprzestaniu produkcji tego układu. W katalogach NE555 jest opisywany jako uniwersalna maszyna czasu, czyli układ, który potrafi generować impulsy o zadanym czasie trwania. Układ NE555 w obudowie przewlekanej. Opis wyprowadzeń układu NE555. Wbrew pozorom, jego uniwersalność jest skutkiem prostoty. W strukturze tego układu wyróżniamy zaledwie pięć bloków, które można skonfigurować na rozmaite sposoby. Układ typu NE555 jest sprzedawany w obudowach z ośmioma wyprowadzeniami. Dostępna jest również wersja zawierająca dwa takie układy czasowe w jednej obudowie z 14-oma wyprowadzeniami, znana jako NE556. NE555 doczekał się wielu odmian i modyfikacji, które nie zmieniają zasady działania, a np. obniżają pobór prądu. Z tego powodu, w sprzedaży są dostępne LF555, CD555, LM555 itd. Jednak zawsze wspólny jest człon trzech piątek. Oczywiście w momencie rozpoczęcia pracy z nowym układem scalonym koniecznie powinniśmy mieć pod ręką jego notę katalogową. Polecam przejrzeć ją później dla własnej ciekawości. W tej chwili warto spojrzeć na pinout, czyli opis wyprowadzeń: Informacje na temat wszystkich wyprowadzeń zostały podane w dalszej części artykułu. Teraz można się zastanowić, co można wykonać z wykorzystaniem tak małego układu? Bardzo wiele urządzeń: od prostej migającej diody świecącej, przez sterowniki serwomechanizmów i sygnalizatory dźwiękowe po regulatory mocy silnika. Każdy z tych układów wymaga odmierzania czasu, do czego 555 został stworzony! Każdy układ scalony składa się z elementów takich jak tranzystory i rezystory. Oczywiście można je zgrupować w bloki funkcjonalne. Czyli we fragmenty struktury, które realizują proste funkcje. Schemat blokowy obrazuje wzajemne połączenie bloków, które składają się na istotę działania. Znacząco uprasza to analizę układu. Dzięki temu bardzo łatwo można zobaczyć, za co w środku odpowiada dana nóżka (nr nóżki zaznaczony jest na niebiesko). Takie właśnie odwzorowanie NE555 znajduje się obok: Schemat blokowy układu 555. Na schematach blokowych nie rysuje się linii zasilających pomiędzy blokami, aby nie zaciemniać obrazu. Zakłada się, że 1

2 do każdego bloku jest doprowadzone zasilanie i masa. Jeżeli jest inaczej, wówczas autor schematu musi to wyraźnie na nim zaznaczyć. Aby wszyscy rozumieli, w podobnym stopniu, zasadę działania układu NE555 omówimy teraz poszczególne bloki widoczne na powyższym schemacie blokowym. Pamiętaj, że wszystkie elementy, które teraz omawiamy są już wewnątrz układu scalonego! Blok 1 Dzielnik napięcia Blok 2 Komparatory napięcia NE555 blok 1- dzielnik napięcia Trzy rezystory o jednakowych wartościach (typowo 5kΩ) tworzą znany Ci już dzielnik napięcia. Dzielą one napięcie zasilające, przykładane między nóżkę 8 (VCC) i 1 (GND) na trzy równe części, czyli na każdym odkłada się po 1 / 3 tego napięcia. Przykładowo, zasilając układ napięciem 6V, niższy węzeł ma potencjał 2V, a górny 4V. NE555 blok 2 komparatory napięcia. Trójkąty z dwoma wejściami i jednym wyjściem, to komparatory napięcia. Ich działanie zostało już szczegółowo opisane we wcześniejszym artykule, dlatego nie będzie tutaj omawiane Blok 3 Przerzutnik RS NE555 blok 3 przerzutnik RS. Prostokąt z pięcioma doprowadzeniami to przerzutnik RS. Jest to podzespół cyfrowy, który zapamiętuje stany wyjść komparatorów napięcia. Wysokie napięcie na wyjściu komparatora symbolizuje logiczne 1, a niskie logiczne 0. Funkcje jego wyprowadzeń są następujące: S set podanie stanu wysokiego powoduje ustawienie wyjścia Q w stan wysoki, R reset podanie stanu wysokiego powoduje ustawienie wyjścia Q w stan niski, RST master reset podanie stanu niskiego wyłącza wyjście Q niezależnie od stanu pozostałych dwóch wejść, Q wyjście przerzutnika, Q zanegowane wyjście przerzutnika (stan przeciwny do Q). Przerzutnik utrzymuje zadany stan swoich wyjść, aż nie nadejdzie sygnał wymuszający ich zmianę Zasada działania samego przerzutnika została pokazana na poniższej animacji. Zanim przejdziesz dalej upewnij się, że rozumiesz sposób, w jaki działa ten blok! 2

3 Zasada działania przerzutnika RS. Przerzutnik RS jest bardzo prosty, lecz ma pewną wadę: jego wejścia sterujące (czyli R i S) mają ten sam priorytet. Blok 4 Bufor wyjściowy Blok 5 Tranzystor NE555 blok 4 bufor wyjściowy. Między wyjściem Q przerzutnika, a wyprowadzeniem OUT układu znajduje się bufor wyjściowy, którego zadaniem jest zwiększenie wydajności prądowej tego wyprowadzenia. Dzięki niemu, bezpośrednio do wyjścia NE555 można dołączać diody lub przekaźniki. Wyjście samego przerzutnika nie podołałoby temu zadaniu, ponieważ struktura logiczna nie jest przystosowana do przewodzenia dużych prądów. Bufor nie zmienia stanu logicznego, jego wyjście podąża za zmianami na wejściu NE555 blok 5 tranzystor. Jak już zostało wspomniane wcześniej, układ scalony, to głównie tranzystory. Czemu tutaj został wyróżniony ten jeden? Posiada on szczególną funkcję: rozładowuje zewnętrzny kondensator. Sterowany jest z zanegowanego wyjścia przerzutnika, czyli otwiera się wtedy, kiedy wyjście Q jest w stanie niskim. Musi być to tranzystor o odpowiednio dużej wydajności prądowej, aby nie uległ uszkodzeniu po otwarciu jego rolą jest szybkie rozładowanie kondensatora. 3

4 Zasada działania NE555 Sam NE555 nie jest w stanie robić niczego konstruktywnego trzeba obudować go zewnętrznymi elementami. Ich wartości oraz układ połączeń decyduje o funkcjach układu. W tym wypadku, najistotniejsze są dwie: 1. generator astabilny, 2. generator monostabilny. Generator astabilny pracę rozpoczyna tuż po włączeniu zasilania i sam zmienia stan wyjścia z wysokiego na niski i przeciwnie. Każdy stan trwa zadaną ilość czasu. Takie zmiany powodują powstanie sygnału prostokątnego, ponieważ dominują w nim tylko dwa poziomy napięcia. Generator monostabilny generuje tylko jeden impuls. Sygnał do jego wygenerowania przychodzi z zewnątrz i jest to napięcie o określonym poziomie logicznym. Po zakończeniu wytwarzania impulsu, przygotowuje się i czeka na następne wyzwolenie. Omówienie układu astabilnego jest prostsze, mimo, iż składa się on z większej liczby elementów niż monostabilny. Jego schemat ideowy znajduje się poniżej. Do odmierzania czasu służą rezystory Ra, Rb i kondensator C1. Kondensator C2 nie jest obowiązkowy. Jednak jego rola jest istotna i zostanie omówiona w dalszej części artykułu. Układ NE555 w trybie astabilnym. Przeczytaj poniższe wyjaśnienie i wykonaj późniejsze ćwiczenie praktyczne. Dopiero wtedy wróć do opisu, jeśli za pierwszym razem brzmiał on zawile! Teraz uruchom wyobraźnię i śledź tekst spoglądając na rysunek. Zakładamy, że cały układ jest zasilany napięciem 6V (czyli np. z naszych 4 baterii AA). Po włączeniu zasilania, kondensator C1 jest rozładowany. Dolny komparator reaguje na to wystawieniem wysokiego stanu na swoim wyjściu, ponieważ potencjał na wejściu nieodwracającym (+) jest dużo wyższy od potencjału wejścia odwracającego (-), przyłączonego do kondensatora. Powoduje, to ustawienie w przerzutniku logicznej 1, gdyż ten komparator steruje wejściem S. Napięcie na wyjściu układu jest zbliżone do zasilającego. Tranzystor rozładowujący, sterowany z wyjścia zanegowanego, jest zatkany i nie przewodzi prądu. Wejście R znajduje się w stanie niskim, ponieważ wejście odwracające (-) górnego komparatora znajduje się na potencjale 2 / 3 napięcia zasilania, czyli 4V. Kondensator powoli ładuje się ze źródła zasilania przez połączone szeregowo rezystory Ra i Rb. Po pewnym czasie, kiedy kondensator naładuje się do napięcia przekraczającego próg przełączenia dolnego komparatora (czyli powyżej 2V), ten da na swoim wyjściu stan niski. Nie zmienia to jednak niczego w pracy przerzutnika zapamiętał stan wysoki z wejścia S i czeka. Kondensator ładuje się dalej. Po naładowaniu kondensatora powyżej 4V, górny komparator zmienia stan swojego wyjścia na wysoki i resetuje wyjście przerzutnika. Wyjście Q ustawia się w stanie niskim, za to zostaje załączony tranzystor rozładowujący i wprowadzony w nasycenie. Można przyjąć, że nóżka 7 została niemal zwarta przez niego do masy. Przez tranzystor płynie prąd z dwóch źródeł: przez rezystor Ra (ze źródła zasilania) i Rb (z kondensatora naładowanego do napięcia 4V).Ten pierwszy jest nieistotny, za to drugi jest bardzo ważny. W czasie rozładowywania kondensatora, na wyjściu OUT panuje stan niski i trwa on tak długo, jak długo napięcie na kondensatorze przekracza 2V. Warto zauważyć, że górny komparator jest aktywny tylko przez chwilę: rozładowywanie zostaje rozpoczęte niezwłocznie po wykryciu przekroczenia progu przełączenia, więc jego wyjście szybko wraca do stanu niskiego Rozładowywanie kończy się w momencie zasygnalizowania przez dolny komparator, że napięcie na kondensatorze spadło poniżej 2V. Ustawia on wejście S przerzutnika, wyjście układu przyjmuje stan wysoki, a tranzystor rozładowujący zostaje zatkany. Cykl zamyka się. Uzupełnieniem tego opisu jest szkic przebiegu czasowego najistotniejszych napięć w układzie: na kondensatorze, na wyjściu układu oraz na wejściach przerzutnika. Ładowanie i rozładowywanie kondensatora przebiega łukami, ponieważ kondensator zasilany przez rezystor zmienia swoje napięcie w sposób wykładniczy. 4

5 Przebieg najważniejszych napięć wewnątrz NE555. Rola drugiego kondensatora Na schematach ideowych wielu układów wykorzystujących NE555 znajduje się kondensator o niewielkiej pojemności (rzędu 10nF), przyłączony między wyprowadzenie 5, a masę. Filtruje on napięcie wytwarzane w górnym węźle dzielnika oporowego. Niektórzy twierdzą, że kondensator ten jest zbędny, ponieważ cały układ i tak jest zasilany z napięcia stałego, więc potencjał tego węzła nie może się zmieniać. Powyższe rozumowanie jest poprawne do czasu wystąpienia przełączenia przerzutnika RS. Ten krótki moment, w czasie którego w układzie dzieje się bardzo wiele, musi być jednak pod nieustającą kontrolą komparatorów. Napięcia odniesienia, podawane przez rezystory dzielnika, nie mogą ulegać zmianom, ponieważ miałoby to wpływ na czas impulsów. Z tego powodu, zaleca się dodanie kondensatora ceramicznego o pojemności nF, który z łatwością blokuje szybkie zmiany tego napięcia tworzy się filtr RC. Zmiany długoterminowe, jak np. powolne rozładowywanie się baterii, nie będą przez niego blokowane i nie zaburzą działania układu. Pierwszy projekt na NE555 Tym razem zbudujemy prosty układ, który będzie migał diodami świecącymi. Potrzebne elementy to: o układ scalony NE555, o trzy rezystory 1kΩ, o jeden rezystor 10kΩ, o dwa kondensatory 100nF, o jeden kondensator 1000µF, o zielona dioda świecąca, o czerwona dioda świecąca, o koszyk wraz z bateriami, o płytka stykowa z przewodami połączeniowymi. Schemat ideowy układu nie różni się znacząco od tego, który był omawiany. Został jedynie dodany kondensator 100nF, który filtruje napięcie zasilania. Powinien zostać zamontowany bezpośrednio przy wyprowadzeniach 1 i 8 układu scalonego. Do wyjścia dołączono diody, które obrazują stan logiczny na wyjściu: zielona niski, a czerwona wysoki. Poniżej pokazane zostały kolejne etapy składania układu. Złożenie tego prostego układu może wydawać się na początku dość zawiłe. Nic bardziej mylnego, wystarczy mieć dobrze opanowaną wiedzę z artykułu na temat czytania schematów. Patrząc na schemat wyraźnie widać 3 główne bloki : 1. układ scalony, 2. połączenie R1, R2 oraz C3, 3. połączenie LED1, LED2, R3, R4. Zacznijmy od złożenia na płytce tych bloków. Schemat układu testującego działanie

6 W moim przypadku wyglądało to tak: Dodatkowo umieściłem od razu kondensatory C1 oraz C2. Teraz, gdy elementy są już ułożone możliwe było układanie kolejnych połączeń, co pokazałem na poniższych zdjęciach. Na każdym z ujęć widać dodanie połączeń od kolejnej nóżki NE555. Umieszczenie elementów na płytce stykowej. Nóżka nr 1 + zasilanie na drugą stronę płytki. Kabelki połączeniowe zostały zawinięte w pętelki wyłącznie dla lepszej widoczności Nóżki nr 2 oraz 3. Nóżki nr 4 oraz 6. Nóżki nr 7 oraz 8. Teraz pora na podłączenie zasilania do odpowiednich punktów płytki stykowej. Jako pierwsza powinna świecić się dioda czerwona. Po kilku sekundach zgaśnie i na krótki moment włączy się zielona. W moim przypadku wyglądało to następująco: Oczywiście, jak już pewnie się domyślasz parametry kondensatora i rezystorów wpływają na czas świecenia każdej z diod. Zachęcam do eksperymentów! Można przykładowo w obwodzie dodać potencjometr i płynnie regulować rezystancję. Można również wymienić kondensator. Poniżej widoczny jest efekt działania układu dla takiej modyfikacji. 6

7 Konfiguracja monostabilna układu NE555 NE555 jest znany również z innej strony, takiej jak generatory monostabilne, czyli generujące jeden impuls po wyzwoleniu. Schemat ideowy takiej konfiguracji jest prostszy: Monostabilna konfiguracja NE555. Aby ten układ mógł poprawnie zadziałać, po włączeniu zasilania napięcie na wejściu wyzwalającym (nóżka 2) musi być wyższe od 1 / 3 napięcia zasilającego. Układ prawdopodobnie wygeneruje jeden impuls (ponieważ stan wewnętrzny przerzutnika nie jest znany) i wróci do stanu stabilnego, w którym tranzystor rozładowujący jest otwarty, a wyjście znajduje się w stanie niskim. Chwilowe obniżenie napięcia na nóżce 2 jest traktowane jako sygnał wyzwalający: dolny komparator załącza przerzutnik w stan wysoki, tranzystor zatyka się i kondensator C1 ładuje się przez rezystor Ra. Po naładowaniu kondensatora do napięcia odpowiadającego progowi zadziałania górnego komparatora ( 2 / 3 napięcia zasilania), pobudzenie wejścia R przerzutnika powoduje wyłączenie wyjścia i rozładowanie kondensatora przez tranzystor. Układ przechodzi w stan spoczynku i czeka na kolejny impuls wyzwalający. Impuls wyzwalający musi być krótszy od generowanego, ponieważ może dojść do wystąpienia sytuacji, w której na wejścia przerzutnika obydwa komparatory będą podawały 1. W tej części kursu nie będziemy zajmować się szerzej tą konfiguracją wrócimy do niej później! Wady i zalety NE555 Projektanci układu NE555 stworzyli nieskomplikowany układ, który posiada szereg zalet. Między innymi, można z łatwością konfigurować go na różne sposoby, wystarczy do tego kilka elementów biernych. Sam układ jest bardzo tani w produkcji. Czasy generowanych impulsów nie zależą od napięcia zasilania, przez co układ można zasilać z baterii lub akumulatora. Niestety, przyjęcie tak prostej struktury niesie za sobą sporo nieprzyjemnych konsekwencji. Pierwszą z nich jest duży pobór prądu, który jest skutkiem istnienia dzielnika napięcia z rezystorów o dosyć małej rezystancji. Ponadto, sama struktura jest (jak na dzisiejsze czasy) mocno przestarzała. Kolejnym grzechem trzech piątek jest wydłużony pierwszy impuls w stosunku do pozostałych. Jeżeli dobrze wczytasz się w opis układu astabilnego, to zobaczysz, że stan wysoki tuż po włączeniu zasilania trwa ~2x dłużej niż następne. Jest to spowodowane koniecznością naładowania kondensatora od zera, podczas, gdy później rozładowuje się go do 1 / 3 napięcia zasilania. Ta cecha, polegająca na wydłużeniu pierwszego impulsu, jest prawdziwą zmorą wielu prostych układów czasowych! Układ ten nie nadaje się do precyzyjnego odmierzania bardzo długich czasów. Przyczyną tego jest pobór prądu przez wejścia komparatorów. Są one tak pomyślane, aby pobierany prąd był zbliżony do zera, lecz on jednak istnieje i może zaburzać proces odliczania czasu. Ograniczeń szybkości można doszukać się już w schemacie blokowym. Sygnały sterujące są generowane przez komparatory (które nie należą do szybkich układów), przechodzą one przez przerzutnik (on również potrzebuje czasu) i dopiero wtedy rozchodzą się dalej. Zatykanie tranzystora rozładowującego również jest procesem trwającym, jak na elektronikę, dosyć długo. Na początku lat 70-tych godzono się na to, ponieważ 555 miał być układem prostym i tanim. Pamiętajmy, że układy scalone dopiero zaczynały wtedy powstawać! To powoduje, że producenci pozwalają na uzyskanie z tego układu zaledwie 500kHz lub niewiele więcej. W dobie gigahercowych procesorów jest to wartość niska, lecz nie należy się tym kierować budując swoje pierwsze układy. 7

8 Zespół Szkół Mechanicznych w Namysłowie Eksploatacja urządzeń elektronicznych Temat ćwiczenia: Układy NE555 w praktyce. Cel ćwiczenia: Imię i nazwisko Nr ćw E11 Data wykonania Klasa 2TEZ Grupa Zespół OCENY Przygotowanie Wykonanie Ogólna Odpowiedz na pytania. 1. Jak są rodzaje układów 555? 2. Jak jest zbudowany układy NE Wymień poszczególne bloki układu NE555? 4. Jakie są funkcje układu NE555? 5. Do czego służy kondensator C1? 6. Czy potrzebny jest kondensator C2 w układzie NE555? 7. Wymień wady i zalety układu NE555. Pierwszy projekt na NE555 Tym razem zbudujemy prosty układ, który będzie migał diodami świecącymi. Potrzebne elementy to: o układ scalony NE555, o trzy rezystory 1kΩ, o jeden rezystor 10kΩ, o dwa kondensatory 100nF, o jeden kondensator 1000µF, o zielona dioda świecąca, o czerwona dioda świecąca, o koszyk wraz z bateriami lub zasilacz 6V. o płytka stykowa z przewodami połączeniowymi. Schemat ideowy układu nie różni się znacząco od tego, który był omawiany. Został jedynie dodany kondensator 100nF, który filtruje napięcie zasilania. Powinien zostać zamontowany bezpośrednio przy wyprowadzeniach 1 i 8 układu scalonego. Do wyjścia dołączono diody, które obrazują stan logiczny na wyjściu: zielona niski, a czerwona wysoki. Poniżej pokazane zostały kolejne etapy składania układu. Narysuj schemat układu testującego działanie

9 W moim przypadku wyglądało to tak: Dodatkowo umieściłem od razu kondensatory C1 oraz C2. Teraz, gdy elementy są już ułożone możliwe było układanie kolejnych połączeń, co pokazałem na poniższych zdjęciach. Na każdym z ujęć widać dodanie połączeń od kolejnej nóżki NE555. Umieszczenie elementów na płytce stykowej. Nóżka nr 1 + zasilanie na drugą stronę płytki. Kabelki połączeniowe zostały zawinięte w pętelki wyłącznie dla lepszej widoczności Nóżki nr 2 oraz 3. Nóżki nr 4 oraz 6. Nóżki nr 7 oraz 8. Teraz pora na podłączenie zasilania do odpowiednich punktów płytki stykowej. Jako pierwsza powinna świecić się dioda czerwona. Po kilku sekundach zgaśnie i na krótki moment włączy się zielona. Oczywiście, jak już pewnie się domyślasz parametry kondensatora i rezystorów wpływają na czas świecenia każdej z diod. Zachęcam do eksperymentów! Można przykładowo w obwodzie dodać potencjometr i płynnie regulować rezystancję. Można również wymienić kondensator. Poniżej widoczny jest efekt działania układu dla takiej modyfikacji. WNIOSKI I SPOSTRZEŻENIA 9