电子设计教程53:555定时器工作原理与常见应用

  555定时器是一种多用途的数字、模拟混合集成电路,利用它能很方便地构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。由于使用灵活、方便,更重要的是,它很便宜,批量成本不到5毛钱,所以555定时器在电子玩具、家用电器等许多领域中都得到了广泛应用。

555定时器原理

  有很多芯片厂家都生产了自己的555定时器产品。尽管产品的型号繁多,但最后三位都是“555”。一般来说,多数555定时器的功能与外部引脚的排列都完全相同。
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  以NE555为例,它包含3个5K电阻,可以把电源电压分成3等份。3个5K电阻便是555定时器名称的由来。为了方便描述,我们把2个参考电压分别命名为VH与VL。如果第5脚CONT没有外接固定电压Vco,则VH=2/3Vcc,VL=1/3Vcc;否则VH=Vco,VL=Vco/2。
  它还包含2个比较器,C1与C2,此处的C是比较器comparator的缩写,并不是电容。为了方便描述,我们称C1的输出电压为Vc1,C2的输出电压为Vc2。第6脚THRES接输入IN1,第2脚TRIG接输入IN2。比较器用于判断各自的输入电压与参考电压的大小。
  比较器后边接RS触发器。其中第4脚RESET是触发器的复位,如果RESET接低电平,那么芯片的输出也是低电平。
  RS触发器后接放电三极管Q,如果Q导通,相当于把第7脚DISCH接到GND上。触发器之后还有一个缓冲器G,作用是提高电路的带负载能力,让555的第3脚OUT能够输出较大的电流。
  一般情况下,讲述555定时器的时候都要提到内部的各个器件的工作逻辑,比如RS触发器的原理:当R有效的时候,RS触发器输出低电平;S有效的时候,RS触发器输出高电平;RS触发器输出高电平的时候,三极管导通。但这种理解方式,会多绕很多弯,比如Vc1=0且Vc2=1时,相当于S有效,RS触发器会输出高电平,然而芯片最终的输出却是低电平,与RS触发器的逻辑相反。因此不如不要强调内部器件的工作逻辑,直接根据输入查表,判断输出。
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555定时器接成施密特触发器

  对于负向递减和正向递增两种不同变化方向的输入信号,施密特触发器有不同的阈值(门限)电压。
  将555定时器的2个输入端接到一起,作为1个新的输入端,即可得到施密特触发器。有时为了提高电路的稳定性,会在CONT接滤波电容。先不接外部的参考电压,则VH=2/3Vcc,VL=1/3Vcc。设输入信号为Vi。首先分析Vi从0开始逐渐升高的过程:
1.Vi<VL<VH,Vc1=0 ,Vc2=1 ,查表可知,OUT=1;
2.VL<Vi<VH,Vc1=0 ,Vc2=0 ,OUT不变,还是1;
3.VL<VH<Vi,Vc1=1 ,Vc2=1 ,OUT=0;
  此后Vi继续增大,输出也不会变化,所以分析Vi从大于VH开始下降的过程:
4.VL<Vi<VH,Vc1=0 ,Vc2=0 ,OUT不变,但这次是0;
5.Vi<VL<VH,Vc1=0 ,Vc2=1 ,OUT=1。
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555定时器用作单稳态触发器

  所谓的单稳态,就是一个稳定状态的意思。假设最终的输出稳定为低电平,虽然在外界条件的影响下,输出可以变为暂稳态,即暂时变为高电平,但最终还是变成低电平。用单稳态的特性可以设计一个延时关闭的灯,假设灯按下去以后,不会立刻关闭,而是延时一段时间再关闭,且延时的这段时间可以自行设置。
  将555定时器与RC串联形成的延时环节结合起来,可以做成单稳态触发器。把IN2作为触发信号的输入端,使用按键K1来模拟控制信号,默认情况下IN2为高电平,K1按下去的时候IN2变为低电平。将电阻R1与电容C1串联在Vcc与GND之间,阻容连接的一点接IN1与555内置的三极管集电极。输出端使用2个LED来指示电路的输出电平。构成单稳态触发器如下:
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  假设电路板安全上电以后,按键K1没有按下(IN2=Vcc),此时555的输出不好判断,因此可以分情况讨论。

  1. 假设555输出低电平。如果电容C1内储存有电荷,会通过已经导通了的三极管快速释放掉,所以IN1=0<VH,IN2=Vcc>VL,根据功能表,此时555的输出将保持上一个状态不变,所以这是一种稳定的状态。
  2. 假设555输出高电平。此时三极管截止,则Vcc通过电阻向电容充电,当电容的电压IN1>VH的时候,已知IN2>VL,所以555输出低电平,三极管导通,回到上一种状态。因此高电平是暂稳态,它持续的时间就是电容从开始充电,到电压大于VH的用时。
      在没有触发信号的时候,555输出低电平的状态将稳定不变。如果触发脉冲的下降沿到达IN2,那么IN2<VL,同时由于IN1<VH,结果是555输出高电平,三极管截止,变成暂稳态,持续一段时间后变为稳态。
      输出信号中,高电平持续的时间,就是暂稳态持续的时间,也是电容充电到VH所用的时间。这个时间可以结合RC充放电的关系计算出来,大约为1.1倍的时间常数。
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  以下是波形的实测,黄色是电容上的电压,蓝色是输出电压,当按下按键以后,输出高电平,电容开始充电。电容充电到一定的程度以后,输出低电平,电容放电。
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555定时器用作多谐振荡器

  多谐振荡器是一种自激振荡器。在接通电源以后,不需要外加触发信号,便能自动产生矩形脉冲。由于矩形波中含有丰富的高次谐波分量,所以习惯上由将矩形波的振荡器称为多谐振荡器(也有资料称之为非稳态模式)。之前用施密特触发器实现了矩形波发生电路,既然555定时器可以作为施密特触发器,在此基础上,改成多谐振荡器并不困难。接下来用多谐振荡器做一个交替闪烁的双色灯。
  首先,把IN1与IN2连接到一起,先做出施密特触发器。
然后,仍然以电容的电压作为输入信号,并想办法把电容的电压会维持在施密特触发器的2个阈值之间。把555的输出连接到电容上,则输出高电平的时候为电容充电,输出低电平的时候让电容放电。不过实际应用中,为了减轻555定时器的负担,用Vcc为电容充电,通过放电三极管来使电容放电。 当三极管通过电阻连接Vcc时,三极管的集电极(555定时器的第7脚)的电平与555的输出其实一样。
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  接下来分析电容电压与555定时器输出端关系。设电容电压为Vi。首先分析Vi从0开始逐渐升高的过程:
1.Vi<VL<VH,Vc1=0 ,Vc2=1 ,OUT=1,三极管截止,Vcc通过R1与R2为电容充电,Vi逐渐升高。
2.VL<Vi<VH,Vc1=0 ,Vc2=0 ,OUT不变,还是1,电容继续充电,Vi继续升高。
3.VL<VH<Vi,Vc1=1 ,Vc2=1 ,OUT=0,三极管导通,电容通过R2与导通了的三极管放电,Vi逐渐降低。
4.VL<Vi<VH,Vc1=0 ,Vc2=0 ,OUT不变,但这次是0,电容继续放电,Vi继续降低。
5.Vi<VL<VH,Vc1=0 ,Vc2=1 ,OUT=1,回到状态1,循环往复。
  通过以上分析可以看出,电容上的电压将在VH与VL之间反复振荡,555定时器的输出在电容充电期间为高电平,在电容放电期间为低电平。
  当电容充电时,电阻值为R1+R2。电容放电时,电阻值为R2,充放电时间与电阻的阻值成正比,所以,此电路的占空比始终大于50%。如果希望得到小于或者等于50%的占空比,可以利用二极管的单向导电性,使得充电与放电经过不同的路径。如下图改进电路:
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  充电时间T1正比于W1×C1(忽略二极管的电阻,应用一阶RC电路三要素法可以算出T1= W1×C1×ln 2),放电时间T2正比于W2×C1(T2= W2×C1×ln 2),输出脉冲的占空比为:
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  如果W1=W2,那么电路的占空比就是50%。调节W1与W2的大小,也可以改变电路的振荡周期。
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  以下是输出波形实测。
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  把电路的输出端接LED,当改变电路的占空比时,LED亮起来的时间会改变。由于人的眼睛有视觉暂留,如果电路的振荡频率非常高,可以做成亮度可调的LED灯。

    原文作者:yummy说电子
    原文地址: https://blog.csdn.net/geek_monkey/article/details/107622755
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