Fig. 5.1: Blokschema van de 555

Transcriptie

1 5 Timer IC 555 In de vorige drie hoofdstukken hebben we respectievelijk de Schmitt-trigger, de monostabiele en de astabiele multivibrator bestudeerd. Voor ieder van deze schakelingen bestaan in de verschillende logische families een aantal specifieke I.C.'s om deze schakelingen te realiseren met een minimum aan uitwendige componenten. Sedert een aantal jaren worden er echter ook I.C.'s op de markt gebracht die, met een minimum aan uitwendige componenten, zich lenen tot het bouwen van astabiele- en monostabiele multivibratoren, tijdvertragingsschakelingen, Schmitt-triggers, enz. ; m.a.w. een universele I.C. voor tijdbasisschakelingen. Een eenvoudige en veel gebruikte I.C. is de 555. Deze I.C. kan doelmatig werken bij een voedingsspanning van 4,5 V tot 16 V en is in staat een uitgangsstroom te leveren tot 200 ma bij een laag uitgangsniveau en 20 ma bij een hoog uitgangsniveau. Hij is compatibel met elke I.C.-familie en wordt geleverd in een 8-pens DIL-behuizing in bipolaire- of CMOS-technologie. De 556 is een gelijkaardige I.C. die tweemaal de schakeling van de 555 bevat in één behuizing. 5.1 Algemeenheden In figuur 5.1 is het blokschema van de 555 gegeven. De schakeling is opgebouwd rond 2 comparatoren waarvan de uitgangen een RS-flipflop sturen. Op de inverterende uitgang van de flipflop is een transistor aangesloten waarvan de collector uitwendig beschikbaar is. De flipflop stuurt nog een eindtrap teneinde voldoende stroom te kunnen leveren aan de uitgangspen. Fig. 5.1: Blokschema van de 555 Iedere schakeling die met de timer opgebouwd is, is gebaseerd op een viertal kenmerken van de onderscheiden basisschakelingen in de 555. Door de ingebouwde spanningsdeler van 3 weerstanden van 5 k is de inverterende ingang van comparator 1 vast ingesteld op 2/3.U en de niet-inverterende ingang van comparator 2 op 1/3.U. Voorwaarde is uiteraard dat er op de controlespanningsingang geen uitwendige spanning aangesloten is. Als de triggerspanning op aansluitpen 2 kleiner wordt dan 1/3.U zal de uitgang van comparator 2 naar een hoog niveau schakelen. Hierdoor wordt de flipflop geset en wordt de uitgang van de I.C. eveneens hoog. Door de geheugenwerking van de flipflop blijft deze toestand behouden zelfs als de triggerspanning wegvalt. 44

2 Het lage niveau van de complementaire uitgang Q brengt de ontlaadtransistor in gesperde toestand. Als de drempelspanning op aansluitpen 6 groter wordt dan 2/3.0 wordt de uitgang van comparator 1 naar een hoog niveau geschakeld. De flipflop wordt hierdoor gereset waardoor de uitgang van de I.C. laag wordt. Uiteraard blijft ook deze toestand behouden bij het wegvallen van de drempelspanning. Het hoge niveau van Q kan de ontlaadtransistor geleidend maken. Een actief laag signaal op de resetingang brengt de uitgang van de I.C. op een laag niveau. Door de prioriteit van dit signaal ten opzichte van de andere ingangssignalen kan de werking van de schakeling gedurende welbepaalde tijdsintervallen onderbroken worden. De werking van de 555 kunnen we dus als volgt samenvatten. De uitgang kan hoog gemaakt worden door een triggersignaal dat lager is dan 1/3.U. Deze toestand blijft behouden tot de drempelspanning groter wordt dan 2/3.U. Door toepassing van een controlespanning op pen 5 is het mogelijk willekeurige spanningsniveaus in te stellen. De spanning op de -ingang van comparator 1 is dan gelijk aan de aangesloten spanning. Deze aan de +ingang van comparator 2 is dan de helft van de aangesloten spanning. In deze eigenschappen herkennen we duidelijk de eigenschappen van een inverterende Schmitt-trigger. In tegenstelling met een ST bezit de 555 echter 2 triggeringangen. 5.2 Schmitt-trigger met de 555 Figuur 5.2 toont het schema van een Schmitt-trigger met de 555 als basisbouwsteen. Fig. 5.2: Schmitt-trigger met de 555 De inwendige bouw van de 555 laat toe een Schmitt-trigger te realiseren zonder dat er uitwendige componenten moeten bijgevoegd worden. De uitleg van de schakeling is zonder meer of te leiden uit de basiswerking van de I.C. en de kennis van een Schmitt-trigger. De triggerniveaus liggen uiteraard op 1/3.U en 2/3.U. De schakeling werkt als een inverterende Schmitt-trigger. Figuur 5.3 toont het uitgangssignaal dat ontstaat bij een willekeurig variërend ingangssignaal. Bij de 45

3 ST is de invloed van een uitwendig aangesloten controlespanning gemakkelijk in te zien. Het is zonder meer duidelijk dat deze spanning de triggerniveaus hoger of lager maakt. Bemerk dat het lage triggerniveau dan de helft is van de aangesloten spanning op de controle-ingang. Fig. 5.3: Het uitgangssignaal van de ST bij een willekeurig variërend ingangssignaal 5.3 AMV met de Schema en werking Figuur 5.4 toont het schema van een astabiele multivibrator met de 555. Fig. 5.4: AMV met de 555 Bij het aanleggen van de voedingsspanning is de condensator C uiteraard niet opgeladen. Hierdoor wordt de spanning aan de inverterende ingang van comparator 2 lager dan deze aan de nietinverterende ingang. Dit resulteert in het setten van de flipflop waardoor de uitgangsspanning van de I.C. hoog wordt. Door het lage niveau van de inverterende uitgang van de flipflop kan de transistor onmogelijk geleiden. Deze toestand laat toe dat de condensator zich oplaadt naar de bronspanning via de weerstanden R1 en R2. Als de condensatorspanning iets groter wordt dan 1/3.U, geeft comparator 2 geen hoog niveau meer of 46

4 zodat de flipflop in de geheugenstand komt. Er verandert bijgevolg niets aan de uitgangstoestand van de schakeling. Bereikt de condensatorspanning echter een waarde die iets hoger is dan 2/3.U, dan komt de nietinverterende ingang van comparator 1 op een hoger spanningsniveau dan zijn inverterende ingang. Dit zet zijn uitgang op een hoog niveau waardoor de flipflop reset. De uitgang van de I.C. wordt hierdoor laag. Omdat de Q - uitgang van de flipflop nu hoog is, zal de transistor in verzadiging komen. Hierdoor zal de condensator zich via de weerstand R2 en de geleidende transistor ontladen. Door de ontlading van de condensator wil de condensatorspanning naar 0 V dalen. Op het tijdstip dat deze spanning een waarde bereikt die iets lager is dan 1/3.U, komt de inverterende ingang van comparator 2 op een lagere spanning dan zijn niet-inverterende ingang. Comparator 2 geeft hierdoor weer een hoog niveau af zodat de uitgang van de schakeling opnieuw hoog wordt. Door de inverterende uitgang van de flipflop spert de transistor opnieuw. Dit is een toestand die gelijk is aan de begintoestand; de werking herhaalt zich nu Tijdvolgordediagrammen Uit de werking van de schakeling kunnen we het spanningsverloop van u c en u u afleiden. De tijdvolgordediagrammen zijn afgebeeld in figuur 5.5. Fig. 5.5: Tijdvolgordediagrammen van een AMV met de Periodetijd Berekeningen tonen aan dat de tijd van de op- en ontlading van de condensator kan berekend worden met: = 0,69(R1 + R2).C en t2 = 0,69.R2.C ti is de tijd dat de condensator nodig heeft om zich op te laden van 1/3.U tot 2/3.U. Deze oplading gebeurt via R1 en R2. t2 is de tijd dat de condensator nodig heeft om zich te ontladen van 2/3.U tot 1/3.U. Deze ontlading gebeurt enkel via R2. Hieruit volgt de totale periodetijd van de blokvormige uitgangsspanning van de AMV. Tp = t1 + t2 = 0,69.R1.C + 0,69.R2.C + 0,69.R2.C = 0,69.C.(R1 + R2 + R2) Tp = 0,69.(R1 + 2.R2)C Uit de werking van de schakeling en de formules voor de halve periodeduur is duidelijk af te leiden dat de puls/pauze verhouding (duty-cycle) geen 50% is. De oplading van de condensator gebeurt immers via R1 en R2 en de ontlading enkel via R2. 47

5 Als we een kanteelvormige spanning wensen te genereren waarvan de puls/pauze verhouding juist 50% is, dan kan dat eenvoudig gerealiseerd worden door de 555 te laten volgen door een als 2-deler geschakelde flipflop. De frequentie van de AMV moet dan uiteraard 2 maal zo groot zijn als de gewenste frequentie van het uiteindelijke uitgangssignaal. Een variërende controlespanning bij een astabiele multivibrator zal de frequentie van de blokimpuls beïnvloeden waardoor frequentiemodulatie kan gerealiseerd worden. Dit wordt nader geïllustreerd in figuur 5.6. Fig. 5.6: Veranderende uitgangsfrequentie bij variërende controlespanning 5.4 MMV met de Schema en werking Figuur 5.7 toont het schema van de 555, schakeling als monostabiele multivibrator. Fig. 5.7: MMV met de 555 Bij het inschakelen van de voedingsspanning is de condensator uiteraard niet opgeladen zodat de drempelspanning van de 555 laag is. Comparator 1 geeft hierdoor een laag niveau af. Comparator 2 geeft eveneens een laag niveau of aangezien de triggeringang hoog is. Door deze toestand komt de flipflop in de geheugenstand. 48

6 We veronderstellen nu dat de flipflop het laatst gereset is zodat de uitgang van de I.C. laag staat. De Q -uitgang van de flipflop stuurt de transistor in saturatie zodat de condensator zich niet kan opladen. De schakeling bevindt zich hierdoor in de stabiele toestand. Op een bepaald tijdstip triggeren we nu de schakeling waardoor de triggeringang laag komt. Dit heeft tot gevolg dat de uitgang van comparator 2 hoog wordt, zodat de flipflop geset wordt en de uitgang van de schakeling eveneens de hoge toestand aanneemt. De inverterende uitgang van de flipflop komt laag zodat de transistor gesperd staat. Bemerk dat een eventueel volgende triggerimpuls geen invloed heeft op de toestand van de schakeling, omdat de toestand van de flipflop hierdoor niet veranderd wordt. Vanaf het tijdstip van de triggering zal de condensator zich nu opladen. Na een tijd, die bepaald wordt door de waarden van R en C, bereikt de spanning op de condensator een waarde die gelijk is aan 2/3.U. Door de werking van comparator 1 wordt de flipflop gereset zodat het uitgangssignaal opnieuw laag wordt. De flipflop doet ook de transistor geleiden waardoor de condensator zich zeer vlug ontlaadt. Dit resulteert in de beginstand van de schakeling. De schakeling werkt als een monostabiele multivibrator die niet-hertriggerbaar is vermits een triggerimpuls gedurende de labiele toestand geen invloed heeft op de breedte van de uitgangsimpuls. De labiele toestand kan uiteraard wel onderbroken worden m.b.v. de resetingang Tijdvolgordediagrammen Uit de werking van de schakeling kunnen we de tijdvolgordediagrammen van figuur 5.8 afleiden. Fig. 5.8: Tijdvolgordediagrammen van een MMV met de Impulsbreedte Berekeningen tonen aan dat de breedte van de uitgangsimpuls kan gevonden worden met de formule: Tw= 1,1.RC 49