Temporizador integrado NE555 - histórico, design e operação

A história da criação de um chip muito popular e uma descrição de sua estrutura interna

Uma das lendas da eletrônica é chip de circuito integrado NE555. Foi desenvolvido em 1972. Essa longevidade está longe de qualquer chip e nem todo transistor pode se orgulhar. Então, o que há de tão especial nesse microcircuito, que tem três cincos em sua marcação?

Signetics lança produção em série do chip NE555 exatamente um ano depois foi desenvolvido por Hans R. Kamensind. O mais surpreendente nesta história foi que, naquela época, Kamensind estava praticamente desempregado: ele deixou o PR Mallory, mas não conseguiu chegar a lugar algum. Na verdade, era um "dever de casa".

O chip viu a luz do dia e ganhou tanta fama e popularidade graças aos esforços do gerente de Signetics Art Fury, que era, obviamente, um amigo de Kamensind. Ele trabalhava na General Electric, por isso conhecia o mercado de eletrônicos e precisava atrair a atenção de um potencial comprador.

Segundo as memórias de Kamensinda A. Fury era um verdadeiro entusiasta e amante de seu ofício. Em casa, ele tinha um laboratório inteiro cheio de componentes de rádio, onde realizou vários estudos e experimentos. Isso tornou possível acumular vasta experiência prática e aprofundar o conhecimento teórico.

Naquela época, os produtos Signetics eram chamados de "5 **", e o experiente A. Fury, que tinha um senso sobrenatural do mercado de eletrônicos, decidiu que a marcação de 555 (três cincos) seria muito bem-vinda para o novo chip. E ele não estava enganado: o microcircuito era simplesmente como bolos quentes, tornou-se talvez o mais maciço de toda a história da criação de microcircuitos. O mais interessante é que o microcircuito não perdeu sua relevância até hoje.

Um pouco mais tarde, duas letras apareceram na marcação do microcircuito, que ficou conhecido como NE555. Mas como naqueles dias havia uma bagunça completa no sistema de patentes, o timer integrado corria para liberar todos os que não eram preguiçosos, naturalmente, colocando três letras (leia a sua) na frente de três cincos. Posteriormente, com base no cronômetro 555, os cronômetros duplos (IN556N) e quádruplos (IN558N) foram desenvolvidos, é claro, em mais casos de pinos múltiplos. Mas a base ainda era a mesma NE555.

Fig. 1. Temporizador integrado NE555

555 na URSS

A primeira descrição de 555 na literatura radio-técnica doméstica já apareceu em 1975 na revista Electronics. Os autores do artigo observaram o fato de que esse chip não terá menos popularidade do que os amplificadores operacionais amplamente conhecidos na época. E eles não estavam nem um pouco enganados. O microcircuito possibilitou a criação de desenhos muito simples, e quase todos começaram a funcionar imediatamente, sem ajustes dolorosos. Mas sabe-se que a repetibilidade do design em casa aumenta proporcionalmente ao quadrado de sua "simplicidade".

Na União Soviética, no final dos anos 80, foi desenvolvido um análogo completo de 555, chamado KR1006VI1. A primeira aplicação industrial do analógico doméstico foi no gravador de vídeo VCR12 Electronics.

Fabricantes de chips NE555:

Chip de dispositivo interno NE555

Antes de pegar o ferro de soldar e iniciar a montagem da estrutura no timer integrado, vamos primeiro descobrir o que está dentro e como tudo funciona. Depois disso, será muito mais fácil entender como funciona um esquema prático específico.

O timer integrado contém mais de vinte transistorescuja conexão é mostrada na figura - https://ptv.electricianexp.com/555ic.jpg

Como você pode ver, o diagrama de circuitos é bastante complexo e é fornecido aqui apenas para informações gerais.Afinal, você não pode entrar com um ferro de soldar de qualquer maneira, não poderá consertá-lo. De fato, é exatamente isso que todos os outros microcircuitos, digitais e analógicos, olham de dentro (veja - Chips analógicos lendários) Essa é a tecnologia para a produção de circuitos integrados. Também não será possível entender a lógica do dispositivo como um todo por esse esquema; portanto, o esquema funcional é mostrado abaixo e sua descrição é fornecida.

Dados técnicos

Mas, antes de lidar com a lógica do chip, você provavelmente deve trazer seus parâmetros elétricos. A faixa de tensões de alimentação é suficientemente ampla de 4,5 ... 18V e a corrente de saída pode chegar a 200mA, o que permite o uso de relés de baixa potência como carga. O chip em si consome muito pouco: apenas 3 ... 6 mA são adicionados à corrente de carga. Ao mesmo tempo, a precisão do temporizador em si é praticamente independente da tensão de alimentação, apenas 1% do valor calculado. O desvio é de apenas 0,1% / volt. O desvio de temperatura também é pequeno - apenas 0, 005% / ° C. Como você pode ver, tudo é bastante estável.

Diagrama funcional do NE555 (KR1006VI1)

Como mencionado acima, na URSS, eles fizeram um análogo da burguesia NE555 e a chamaram de KR1006VI1. O analógico acabou sendo muito bem-sucedido, nada pior que o original, para que você possa usá-lo sem medo ou dúvida. A Figura 3 mostra o diagrama funcional do timer integrado KR1006VI1. É totalmente consistente com o chip NE555.

Figura 3. Diagrama funcional do timer integrado KR1006VI1

O chip em si não é tão grande - está disponível em um pacote DIP8 de oito pinos, bem como em um SOIC8 de tamanho pequeno. O último sugere que o 555 pode ser usado para edição SMD, ou seja, os desenvolvedores ainda têm interesse nele.

Também existem poucos elementos dentro do microcircuito. O principal é o RS mais comum é um gatilho DD1. Quando uma unidade lógica é alimentada na entrada R, o gatilho é redefinido para zero e quando uma unidade lógica é alimentada na entrada S, ela é naturalmente definida como uma. Para gerar sinais de controle nas entradas RS circuito especial em comparadores, que será discutido um pouco mais tarde.

Os níveis físicos de uma unidade lógica dependem, é claro, da tensão de alimentação usada e praticamente variam de Upit / 2 a Upit quase completo. Aproximadamente a mesma razão é observada para microcircuitos lógicos da estrutura CMOS. O zero lógico está, como sempre, dentro de 0 ... 0,4V. Mas esses níveis estão dentro do microcircuito, você só pode adivinhar sobre eles, mas não pode senti-los com as mãos, não pode ver com os olhos.

Estágio de saída

Para aumentar a capacidade de carga do chip, um poderoso estágio de saída nos transistores VT1, VT2 é conectado à saída do gatilho.

Se o gatilho RS for zerado, a saída (pino 3) contém uma tensão lógica zero, ou seja, transistor aberto VT2. No caso em que o gatilho é instalado na saída, o nível da unidade lógica também é.

O estágio de saída é realizado por um circuito push-pull, que permite conectar a carga entre a saída e o fio comum (terminais 3.1) ou o barramento de força (terminais 3.8).

Uma pequena observação sobre o estágio de saída. Ao reparar e ajustar dispositivos em microcircuitos digitais, um dos métodos para verificar o circuito é fornecer um sinal de baixo nível às entradas e saídas dos microcircuitos. Como regra, isso é feito ligando o fio comum dessas entradas e saídas com a ajuda de uma agulha de costura, sem causar danos ao microcircuito.

Em alguns circuitos, a fonte de alimentação NE555 é de 5V, então parece que isso também é lógica digital e você também pode fazê-lo livremente. Mas, na realidade, não é assim. No caso do chip 555, ou melhor, com sua saída push-pull, essas "experiências" não podem ser feitas: se o transistor de saída VT1 estiver neste momento aberto, um curto-circuito será acionado e o transistor simplesmente queimará. E se a tensão de alimentação estiver próxima do máximo, um final deplorável é simplesmente inevitável.

Transistor adicional (pino 7)

Além dos transistores mencionados, há também um transistor VT3. O coletor deste transistor é conectado à saída do chip 7 "Discharge". Seu objetivo é descarregar o capacitor de ajuste de tempo ao usar o microcircuito como gerador de pulso. A descarga do capacitor ocorre quando o gatilho DD1 é zerado. Se recordarmos a descrição do gatilho, então, na saída inversa (indicada por um círculo no diagrama), neste momento, existe uma unidade lógica, levando à abertura do transistor VT3.

Sobre o sinal de redefinição (pino 4)

Você pode redefinir um gatilho a qualquer momento - o sinal de "redefinição" tem alta prioridade. Para isso, existe uma entrada especial R (pino 4), indicada na figura como Usbr. Como pode ser entendido na figura, um reset ocorrerá se um pulso de baixo nível não superior a 0,7V for aplicado à quarta saída. Ao mesmo tempo, uma voltagem de baixo nível aparecerá na saída do microcircuito (pino 3).

Nos casos em que essa entrada não é usada, um nível de unidade lógica é aplicado a ela para eliminar o ruído de impulso. A maneira mais fácil de fazer isso é conectando o pino 4 diretamente ao barramento de força. Em nenhum caso você deve deixá-lo, como se costuma dizer, no "ar". Então você terá que pensar e pensar por um longo tempo, e por que o circuito funciona tão instável?

Notas gerais do gatilho

Para não ficar completamente confuso sobre o estado do gatilho, deve-se lembrar que, nas discussões sobre o gatilho, o estado de sua saída direta é sempre levado em consideração. Bem, se for dito que o gatilho está "instalado", na saída direta o estado da unidade lógica. Se eles dizem que o gatilho é "redefinido", a saída direta certamente terá um estado de zero lógico.

Na saída inversa (marcada com um pequeno círculo) tudo será exatamente o oposto; portanto, muitas vezes a saída do gatilho é chamada de parafase. Para não confundir tudo novamente, não falaremos mais sobre isso.

Qualquer pessoa que tenha lido com atenção este local pode perguntar: “Com licença, é apenas um gatilho com uma poderosa cascata de transistor na saída. E onde está o cronômetro? E ele estará certo, porque o assunto ainda não atingiu o cronômetro. Para obter um cronômetro, seu pai, o criador de Hans R. Kamensind, inventou uma maneira original de controlar esse gatilho. O truque deste método é a formação de sinais de controle.

Geração de sinal no RS - entradas do gatilho

Então o que conseguimos? O gatilho DD1 controla tudo o que está dentro do timer: se estiver definido como um, a tensão de saída é alta e se for redefinida, a saída 3 é baixa e, além disso, o transistor VT3 está aberto. O objetivo deste transistor é descarregar um capacitor de temporização em um circuito, por exemplo, um gerador de pulsos.

O gatilho DD1 é controlado usando os comparadores DA1 e DA2. Para controlar a operação do gatilho nas saídas dos comparadores, é necessário obter os sinais de alto nível R e S. Uma tensão de referência é aplicada a uma das entradas de cada comparador, que é gerada por um divisor de precisão nos resistores R1 ... R3. A resistência dos resistores é a mesma; portanto, a tensão aplicada a eles é dividida em 3 partes iguais.

Gerar sinal de controle de geração

Início do temporizador

A tensão direta de 1 / 3U é aplicada à entrada direta do comparador DA2, e a tensão externa para iniciar o timer Uzap através do pino 2 é aplicada à entrada inversa do comparador. Para atuar na entrada S do gatilho DD1 na saída deste comparador, é necessário obter um nível alto. Isso é possível se a tensão Ustap estiver na faixa de 0 a 1 / 3U.

Mesmo um pulso de curto prazo dessa tensão acionará o gatilho DD1 e a aparência de um temporizador de tensão de alto nível. Se a entrada Ucap for exposta a tensões acima de 1 / 3U e até a tensão de alimentação, nenhuma alteração ocorrerá na saída do microcircuito.

Parada do temporizador

Para parar o cronômetro, basta reiniciar o gatilho interno DD1 e, para isso, na saída do comparador DA1, gerar um sinal de alto nível R. O comparador DA1 está ativado um pouco diferente do DA2.A tensão de referência de 2 / 3U é aplicada à entrada inversora e o sinal de controle "Limiar de resposta" Ufor é aplicado à entrada direta.

Com essa inclusão, um nível alto na saída do comparador DA1 ocorrerá somente quando a tensão Upoor na entrada direta exceder a tensão de referência 2 / 3U na inversora. Nesse caso, o gatilho DD1 será redefinido e um sinal de nível baixo será estabelecido na saída do microcircuito (pino 3). Além disso, o transistor VT3 de “descarga” será aberto, o que descarregará o capacitor de ajuste de tempo.

Se a tensão de entrada estiver entre 1 / 3U ... 2 / 3U, nenhum dos comparadores funcionará, uma mudança de estado na saída do temporizador não ocorrerá. Na tecnologia digital, essa voltagem é chamada de "nível de cinza". Se você simplesmente conectar os pinos 2 e 6, receberá um comparador com os níveis de resposta de 1 / 3U e 2 / 3U. E mesmo sem um único detalhe adicional!

Alteração de tensão de referência

O pino 5, designado como Uobr na figura, foi projetado para controlar a referência de tensão ou alterá-la usando resistores adicionais. Também é possível fornecer uma tensão de controle para esta entrada, para que seja possível obter um sinal modulado em frequência ou fase. Mais frequentemente, porém, essa conclusão não é usada e, para reduzir a influência da interferência, ela é conectada a um fio comum através de um capacitor de pequena capacidade.

O microcircuito é alimentado pelos pinos 1 - GND, 2 + U.

Aqui está a descrição real do timer integrado NE555. O timer coletou muitos tipos de circuitos, os quais serão discutidos nos seguintes artigos.

Boris Aladyshkin 

Continuação do artigo: 555 Projetos de temporizador integrado