Электроника:Эксперименты/Таймерные схемы 555/Моностабильный мультивибратор на интегральном таймере 555

Материал из Онлайн справочника
Версия от 21:55, 22 мая 2023; EducationBot (обсуждение | вклад)
(разн.) ← Предыдущая версия | Текущая версия (разн.) | Следующая версия → (разн.)
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Перевод: Макаров В. (valemak)
Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.


Моностабильный мультивибратор на интегральном таймере 555[1]

Оборудование и материалы

  • Одна батарея 9 В
  • Зажим для батареи (каталог Radio Shack №270-325)
  • Зажимы «Мини-хук» (припаяны к зажиму аккумулятора, каталог Radio Shack №270-372)
  • Часы с отображением секунд или секундомер
  • Провод длиной от 1½ до 2 дюймов (от 3,8 до 5 мм), согнутый пополам (красный провод на иллюстрациях)
  • ИС таймера U1 – 555 (каталог Radio Shack №276-1723)
  • D1 – красный светодиод (каталог Radio Shack №276-041 или аналог)
  • D2 – зелёный светодиод (каталог Radio Shack №276-022 или аналог)
  • R1, R2 – резисторы 1 кОм ¼ Вт
  • Rt – резистор 27 кОм, ¼ Вт
  • Rt – резистор 270 кОм, ¼ Вт
  • C1, C2 – конденсаторы 0,1 мкФ (каталог Radio Shack №272-1069 или аналог)
  • Ct – конденсатор 10 мкФ (каталог Radio Shack №272-1025 или аналог)
  • Ct – конденсатор 100 мкФ (каталог Radio Shack №272-1028 или аналог)

Ссылки по теме

Цели эксперимента

  • Узнать, как работает моностабильный мультивибратор
  • Изучить практическое применение постоянной времени RC
  • Использовать таймер 555 в качестве моностабильного мультивибратора

Схематическая диаграмма

Рис. 1. Схематическая диаграмма: моностабильный мультивибратор на интегральном таймере 555.
Рис. 1. Схематическая диаграмма: моностабильный мультивибратор на интегральном таймере 555.

Иллюстрации

Рис. 2. Иллюстрация: моностабильный мультивибратор на интегральном таймере 555.
Рис. 2. Иллюстрация: моностабильный мультивибратор на интегральном таймере 555.

Ход эксперимента

Это одна из самых основных схем с использованием 555. Эта схема является частью этого описания чипов, дополненного математикой, необходимой для проектирования в соответствии со спецификацией, и является одной из причин, по которой интегральную схему 555 называют именно таймером.

Показанный на рисунке зелёный светодиод загорается, когда на выходе 555 «высокий» уровень (т. е. переключение на VCC), а красный светодиод загорается, когда на выходе 555 «низкий» уровень (переключение на «землю»).

Этот конкретный моностабильный мультивибратор (также известный как таймер) не является перезапускаемым.

Сие значит, что после запуска он будет игнорировать дальнейшие входные данные в течение временно́го цикла, за одним исключением, которое будет обсуждаться в следующем абзаце.

Таймер запускается, когда вход становится «низким» или переключается на уровень «земли», а выход становится «высоким».

Вы можете убедиться в этом, подключив красный провод, показанный на рисунке, между «землёй» и точкой B, отсоединив его и снова подключив.

Это недопустимое условие для того, чтобы вход оставался «низким» для этой схемы по истечении тайм-аута.

По этой причине были добавлены резисторы R3 и C1 – для создания формирователя сигнала, который позволяет выполнять запуск только по фронту и предотвращает недопустимый ввод.

Вы можете убедиться в этом, подключив красный провод между «землёй» и точкой А.

Таймер запустится, когда провод будет вставлен в макетную плату между этими двумя точками, и проигнорирует дальнейшие контакты.

Если вы заставите вход таймера оставаться на «низком» уровне после тайм-аута, выход останется «высоким», даже если таймер завершит отсчёт. Как только это заземление будет удалено, таймер станет «низким». Rt и Ct выбраны для хронометража продолжительностью 3 секунды. Вы можете проверить это с помощью часов, 3 секунды достаточно, чтобы мы, медлительные людишки, успели их измерить.

Попробуйте поменять местами Rt и Ct с резистором 27 кОм и конденсаторами на 100 мкФ. Поскольку ответ на формулу один и тот же, не должно быть никакой разницы в том, как она работает.

Затем попробуйте поменять местами Rt с резистором 270 кОм, поскольку постоянная времени RC теперь в 10 раз больше, вы должны приблизиться к 30 секундам.

Резистор и конденсатор, вероятно, имеют допуск 5% и 20% соответственно, поэтому расчётное время, которое вы измеряете, может отличаться на 25%, хотя обычно оно будет намного ближе.

Ещё одной приятной особенностью 555 является его невосприимчивость к напряжению питания.

Если вы замените батарею 9 В на батарею 6 В или 12 В, вы должны получить идентичные результаты, хотя интенсивность свечения светодиода изменится.

C2 на самом деле не нужен. Интегральная схема 555 имеет эту опцию на случай, если таймер используется в среде с «шумами» в линии электропитания.

Вы можете удалить его и не заметить разницы. Сам 555 является источником «шума», поскольку существует очень короткий период времени, когда транзисторы с обеих сторон выхода проводят ток, создавая скачок напряжения (измеряемый в наносекундах) от источника питания.

Теоретическое обоснование

Глядя на показанную функциональную схему, вы можете видеть, что контакт 7 – это транзистор, замыкающий «землю».

Рис. 3. Контакт 7 замыкается на «землю».
Рис. 3. Контакт 7 замыкается на «землю».

Этот транзистор – просто переключатель, который нормально работает до тех пор, пока на выводе 2 (который подключён через компаратор C1, питающий внутренний триггер) не появится «низкий» уровень, позволяя конденсатору Ct начать заряжаться.

Контакт 7 остаётся закрытым до тех пор, пока напряжение на Ct не поднимется до ⅔ напряжения источника питания, после чего время таймера истекает, и транзистор на контакте 7 снова включается, что является его нормальным состоянием в этой схеме.

На рисунке 4 ниже показана последовательность переключений, где красный цвет соответствует более высокому напряжению, а зелёный — заземлению (0 вольт), со спектром между ними, поскольку это в основном аналоговая схема.

Рис. 4. Временны́е циклы 555 – показана кривая заряда через Ct.
Рис. 4. Временны́е циклы 555 – показана кривая заряда через Ct.
Рис. 5. Моностабильный мультивибратор 555 – функциональная принципиальная схема.
Рис. 5. Моностабильный мультивибратор 555 – функциональная принципиальная схема.

На рисунке 5 выше показана начальная и конечная точка этой схемы, где она ожидает триггера для запуска временно́го цикла.

В этот момент транзистор на выводе 7 разомкнут, оставляя конденсатор Ct разряженным.

Рис. 6. Моностабильный мультивибратор 555 (транзистор на выводе 7 разомкнут).
Рис. 6. Моностабильный мультивибратор 555 (транзистор на выводе 7 разомкнут).

На рисунке 6 выше показано, что происходит, когда 555 получает триггер, запуская последовательность.

Ct не успел накопить напряжение, но зарядка началась.

Рис. 7. Моностабильный мультивибратор 555 (зарядка Ct началась).
Рис. 7. Моностабильный мультивибратор 555 (зарядка Ct началась).

На рисунке 7 выше показана зарядка конденсатора, в это время схема находится в устойчивой конфигурации и на выходе «высокий» уровень.

Рис. 8. Моностабильный мультивибратор 555 (устойчивая конфигурация, «высокий» выход).
Рис. 8. Моностабильный мультивибратор 555 (устойчивая конфигурация, «высокий» выход).

На рисунке 8 выше показана схема в середине выключения по истечении тайм-аута.

Конденсатор зарядился до 67%, верхнего предела схемы 555, что привело к переключению состояний его внутреннего триггера.

Как показано, транзистор ещё не переключился, и при этом разрядится Ct.

Рис. 9. Моностабильный мультивибратор 555 (Ct разряжен).
Рис. 9. Моностабильный мультивибратор 555 (Ct разряжен).

На рисунке 9 выше показана схема после того, как она пришла в равновесие, это практически то же состояние что и на рисунке 5.

См.также

Внешние ссылки