Az 555 timer – A sokoldalú időzítő áramkör működése és példák elektronikai alkalmazásaira

Az elektronika világában kevés olyan integrált áramkör létezik, amely annyira ikonikussá és elterjedtté vált volna, mint az 555 timer. Ez a látszólag egyszerű nyolclábú chip az 1970-es évek eleji bevezetése óta számtalan projekt és ipari alkalmazás alapkövévé vált. A Hans R. Camenzind által a Signetics számára tervezett áramkör nem csupán egy időzítő, hanem egy rendkívül sokoldalú eszköz, amely képes oszcillátorok, impulzusgenerátorok és modulátorok létrehozására, mindezt lenyűgözően alacsony költséggel és viszonylag kevés külső komponenssel. Popularitása a mai napig töretlen, legyen szó hobbi projektekről, oktatási célokról vagy éppen ipari vezérlőrendszerekről. Az 555 timer az analóg és digitális elektronika határán helyezkedik el, hidat képezve a két terület között, és lehetővé téve a mérnökök és hobbisták számára, hogy komplex időzítési feladatokat oldjanak meg elegánsan és hatékonyan.

Az áramkör különlegessége abban rejlik, hogy belső felépítése egy viszonylag összetett logikát rejt, amely két komparátorból, egy flip-flopból, egy kisütő tranzisztorból és egy kimeneti fokozatból áll. Ez a belső architektúra teszi lehetővé, hogy a chip három alapvető üzemmódban működhessen: monostabil, astabil és bistabil. Mindegyik üzemmód egyedi funkcionalitást kínál, széles körű alkalmazási lehetőségeket nyitva meg. Az 555 timer nem csak az időzítési feladatokban jeleskedik, hanem a jelgenerálásban és a modulációban is kulcsszerepet játszhat. A következőkben részletesen bemutatjuk ennek a figyelemre méltó IC-nek a működését, belső felépítését, és számos gyakorlati alkalmazását, amelyek bizonyítják a chip rendkívüli sokoldalúságát és a modern elektronikában betöltött tartós szerepét.

A 555 időzítő áramkör felépítése és lábkiosztása

A 555 timer, annak ellenére, hogy külsőleg egyszerűnek tűnik, belsőleg egy gondosan megtervezett és optimalizált analóg és digitális áramköri elemek kombinációját tartalmazza. Ennek az IC-nek a megértéséhez elengedhetetlen a belső blokkdiagram és az egyes lábak funkciójának ismerete. Az IC jellemzően egy 8 lábú DIP (Dual In-line Package) tokban kapható, de léteznek SMD (Surface Mount Device) változatai is, mint például a NE555, LM555 vagy TLC555.

A belső felépítés alapvető elemei a következők:

• Két komparátor: Ezek feszültségszinteket hasonlítanak össze. Az egyik a külső kondenzátor feszültségét figyeli a VCC 2/3-ához képest (threshold), a másik a trigger bemenetet a VCC 1/3-ához képest.
• SR flip-flop (set-reset latch): Ez a digitális memóriaelem tárolja az állapotot, amelyet a komparátorok kimenetei vezérelnek.
• Kimeneti fokozat: Egy push-pull kimeneti buffer, amely képes viszonylag nagy áramot szolgáltatni (akár 200 mA is lehet a legtöbb változatnál).
• Kisütő tranzisztor: Ez a tranzisztor a külső időzítő kondenzátor gyors kisütésére szolgál.
• Feszültségosztó: Három darab 5 kΩ-os ellenállás, amelyek a VCC-t pontosan 1/3 és 2/3 VCC szintekre osztják, referenciaként szolgálva a komparátorok számára.

Ez a belső architektúra teszi lehetővé, hogy az 555 timer precízen érzékelje a feszültségszinteket, tárolja az állapotot, és megfelelő kimeneti jelet generáljon. A stabilitás és a pontosság kulcsfontosságú ebben a felépítésben, különösen az időzítési alkalmazások során. A belső feszültségosztó garantálja a referencia feszültségek megbízhatóságát, ami elengedhetetlen a pontos időzítéshez.

A 555 timer lábkiosztása és funkciói

Az IC 8 lába mind specifikus célt szolgál, és ezek megfelelő csatlakoztatása elengedhetetlen a helyes működéshez. Az alábbi táblázat összefoglalja az egyes lábak funkcióit, részletesen bemutatva azok szerepét az áramkör működésében.

A lábak funkcióinak ismerete alapvető fontosságú bármely 555-ös áramkör tervezésekor és hibakeresésekor. A Trigger és a Threshold lábak a két fő bemenet, amelyek a belső komparátorokat vezérlik, míg a Discharge láb a kondenzátor töltési/kisütési ciklusának szerves része. A Control Voltage láb egyedülálló rugalmasságot biztosít, lehetővé téve a külső vezérlést és a modulációt, ami számos fejlettebb alkalmazás alapja.

Működési elv: A 555 timer belső logikája

A 555 timer működésének mélyebb megértéséhez elengedhetetlen a belső blokkdiagram részletes elemzése és az egyes komponensek közötti interakciók feltárása. Az IC lelke a három darab 5 kΩ-os ellenállásból álló feszültségosztó, amely a tápfeszültséget (VCC) pontosan 1/3 VCC és 2/3 VCC szintekre osztja. Ezek a referenciapontok kritikusak a két belső komparátor számára, biztosítva a precíz feszültségérzékelést.

Az első komparátor, amelyet gyakran “alsó” vagy “trigger” komparátornak neveznek, a Trigger (2-es láb) bemenetet hasonlítja össze az 1/3 VCC referenciafeszültséggel. Amikor a Trigger feszültsége 1/3 VCC alá esik, a komparátor kimenete magasra vált. Ez a jel a belső SR flip-flop “Set” bemenetére jut, elindítva egy új időzítési ciklust vagy állapotváltást.

A második komparátor, a “felső” vagy “threshold” komparátor, a Threshold (6-os láb) bemenetet figyeli, és azt 2/3 VCC referenciafeszültséggel hasonlítja össze. Ha a Threshold feszültsége meghaladja a 2/3 VCC-t, a komparátor kimenete magasra vált. Ez a jel az SR flip-flop “Reset” bemenetére kapcsolódik, befejezve az aktuális időzítési ciklust vagy állapotot.

Az SR flip-flop, amely a két komparátor kimenetét fogadja, az 555 timer “memóriája”. Amikor a “Set” bemenet aktívvá válik (Trigger < 1/3 VCC), a flip-flop beállítódik, és a kimenete (Q) magasra vált. Amikor a “Reset” bemenet aktívvá válik (Threshold > 2/3 VCC), a flip-flop visszaáll, és a kimenete (Q) alacsonyra vált. Az SR flip-flop Q kimenete általában inverz módon vezérli a kisütő tranzisztort és a külső kimeneti fokozatot.

A flip-flop Q kimenete közvetlenül vezérli a kisütő tranzisztort (7-es láb). Amikor a Q kimenet alacsony (azaz a flip-flop resetelve van), a kisütő tranzisztor bekapcsol, és a kollektora (7-es láb) földre húzza a csatlakoztatott külső kondenzátort, gyorsan kisütve azt. Amikor a Q kimenet magas (azaz a flip-flop be van állítva), a tranzisztor kikapcsol, lehetővé téve a kondenzátor töltődését a külső ellenállásokon keresztül.

Végül, a flip-flop Q kimenete egy kimeneti fokozaton (3-as láb) keresztül is megjelenik. Ez a fokozat egy push-pull meghajtó, amely képes mind a VCC-hez, mind a földhöz viszonylag nagy áramot szolgáltatni (tipikusan 200 mA-ig). Ez teszi lehetővé az 555-nek, hogy közvetlenül meghajtson LED-eket, reléket vagy kisebb motorokat, anélkül, hogy további meghajtó áramkörre lenne szükség.

A Reset (4-es láb) egy aszinkron bemenet, amely képes felülírni a komparátorok és a flip-flop által meghatározott állapotot. Ha a Reset láb feszültsége 0.7 V alá esik, a flip-flop azonnal resetel, a kimenet alacsonyra vált, és a kisütő tranzisztor bekapcsol. Ez egyfajta “vészleállítás” funkcióként is felfogható, amely azonnal megszakítja az aktuális időzítési ciklust.

A Control Voltage (5-ös láb) a felső komparátor referenciafeszültségét (normál esetben 2/3 VCC) módosítja. Egy külső feszültség alkalmazásával ezen a lábon megváltoztatható a threshold szint, ami közvetlenül befolyásolja az időzítési ciklus hosszát vagy az oszcillációs frekvenciát. Ez a funkció különösen hasznos feszültséggel vezérelt oszcillátorok (VCO) vagy impulzusszélesség-modulátorok (PWM) építésénél, ahol dinamikusan kell változtatni az áramkör viselkedését.

Ez az integrált és jól koordinált működés teszi a 555 timert olyan sokoldalúvá. A külső R-C (ellenállás-kondenzátor) hálózat csatlakoztatásával az IC képes a kondenzátor töltési és kisütési idejét mérni, és ennek megfelelően vezérelni a kimenetet, megvalósítva a különböző időzítési és oszcillációs üzemmódokat. A belső feszültségosztó és a komparátorok precíziója garantálja, hogy az időzítés konzisztens maradjon a tápfeszültség változásai ellenére is.

Az 555 timer üzemmódjai részletesen

Az 555 timer három alapvető üzemmódban képes működni, amelyek mindegyike egyedi alkalmazási területeket fed le. Ezek a monostabil, astabil és bistabil üzemmódok. Mindegyik konfiguráció az 555 belső logikáját használja ki, de eltérő módon csatlakoztatott külső R-C hálózatokkal vagy vezérlőjelekkel, így rendkívül rugalmas megoldásokat kínálva a mérnökök és hobbisták számára.

Monostabil üzemmód (egyszeri impulzusgenerátor)

A monostabil üzemmód, más néven “egyszeri impulzusgenerátor”, vagy “one-shot” multivibrátor, egy stabil állapotból indul ki, és egy külső trigger impulzus hatására egy meghatározott ideig tartó instabil állapotba kerül, majd visszatér a stabil állapotba. Ez az üzemmód ideális olyan alkalmazásokhoz, ahol egy rövid idejű eseménynek egy pontosan meghatározott hosszúságú kimeneti impulzust kell generálnia, például időzített kapcsolásokhoz vagy impulzusdetektorokhoz.

Működési elv monostabil üzemmódban

Kezdeti állapotban (stabil állapot):

1. A Trigger (2-es láb) feszültsége magasabb, mint 1/3 VCC (általában VCC-re húzva egy ellenálláson keresztül). Ez biztosítja, hogy az alsó komparátor inaktív legyen.
2. A Threshold (6-os láb) és a Discharge (7-es láb) a külső időzítő kondenzátorhoz (C) csatlakozik. A belső kisütő tranzisztor be van kapcsolva, és a kondenzátort földre húzza, így a kondenzátor feszültsége 0V.
3. A belső SR flip-flop resetelve van, a kimenet (3-as láb) alacsony (GND közelében). Ez az áramkör stabil, inaktív állapota.

Impulzus indítása:

1. Egy rövid, negatív irányú impulzus érkezik a Trigger (2-es láb) bemenetre, amelynek feszültsége 1/3 VCC alá esik. Ez az impulzus lehet például egy nyomógomb lenyomásából vagy egy szenzor kimenetéből származó jel.
2. Ez aktiválja az alsó komparátort, amely beállítja a belső SR flip-flopot.
3. A flip-flop beállítása két dolgot eredményez:
   • A kimenet (3-as láb) magasra vált (VCC közelébe), aktiválva a csatlakoztatott terhelést.
   • A kisütő tranzisztor (7-es láb) kikapcsol, megszüntetve a kondenzátor rövidre zárását. Ez lehetővé teszi a külső kondenzátor (C) töltődését egy ellenálláson (R) keresztül a VCC felé.

Időzítési ciklus:

1. A kondenzátor (C) exponenciálisan töltődik az R ellenálláson keresztül. A kondenzátor feszültsége lassan emelkedik a VCC felé.
2. A kondenzátor feszültsége folyamatosan emelkedik, amíg el nem éri a 2/3 VCC-t. Ezt a feszültséget a Threshold (6-os láb) figyeli.

Impulzus befejezése (visszatérés a stabil állapotba):

1. Amikor a kondenzátor feszültsége eléri a 2/3 VCC-t, a felső komparátor aktiválódik, és reseteli a belső SR flip-flopot.
2. A flip-flop resetelése ismét két dolgot eredményez:
   • A kimenet (3-as láb) alacsonyra vált (GND közelébe), kikapcsolva a terhelést.
   • A kisütő tranzisztor (7-es láb) bekapcsol, gyorsan kisütve a kondenzátort (C) a földre. Az áramkör visszatér a stabil állapotba, és készen áll egy újabb trigger impulzus fogadására.

Az impulzus időtartama (T) ebben az üzemmódban a külső R és C értékétől függ, és a következő képlettel számítható ki:

T = 1.1 * R * C

Ahol R ohmban, C faradban van megadva, és T másodpercben adódik. Például, ha R = 100 kΩ és C = 10 µF, akkor T = 1.1 * 100 * 10^3 * 10 * 10^-6 = 1.1 másodperc. A képletben szereplő 1.1 egy konstans, amely a kondenzátor exponenciális töltési görbéjéből és az 1/3 VCC és 2/3 VCC közötti időtartamból adódik.

Alkalmazások monostabil üzemmódban

• Időzítők: Pontos időzített események indítása, például riasztók, fotóidőzítők, vagy a sütő előmelegítésének időtartamának beállítása. Kiválóan alkalmasak ajtónyitási késleltetésekre vagy biztonsági rendszerek időzítésére.
• Hiányzó impulzus detektor: Ha egy sorozatban hiányzik egy impulzus, a 555-ös triggerel, jelezve a hibát. Ez hasznos lehet gyártósorokon vagy adatátviteli rendszerekben.
• Érintésérzékelők: Egy érintőfelületet a trigger bemenetre kötve, az emberi test kapacitása vagy a test által elvezetett áram triggerelheti az IC-t, egy rövid kimeneti impulzust generálva. Ez egyszerű érintőkapcsolók alapja lehet.
• Bouncing eliminátor: Mechanikus kapcsolók “pergésének” szűrése, biztosítva egy tiszta, egyszeri impulzust minden kapcsoláskor. Ez elengedhetetlen a digitális áramkörök megbízható működéséhez.
• Impulzusszélesség-moduláció (PWM): Bár az astabil üzemmód alkalmasabb PWM-re, a monostabil konfiguráció is használható, ha az R vagy C értéke modulált.
• Relé meghajtó: Egy gombnyomásra egy relé bekapcsolása egy meghatározott időre, majd automatikus kikapcsolás. Például egy folyosói világítás időzítésére.

Tervezési szempontok monostabil üzemmódban

• Az R ellenállásnak általában 1 kΩ és néhány MΩ között kell lennie. Túl alacsony R túl nagy áramot venne fel a VCC-ből a kondenzátor töltésekor, túl magas R pedig befolyásolhatja a kondenzátor töltési pontosságát a belső szivárgási áramok miatt.
• A C kondenzátor értéke pikofaradoktól (pF) egészen több száz mikrofaradig (µF) terjedhet. Az elektrolit kondenzátorok polaritására figyelni kell! Hosszú időzítésekhez érdemes alacsony szivárgású kondenzátorokat választani.
• A trigger impulzusnak rövidebbnek kell lennie, mint a generált kimeneti impulzus, és elegendően alacsonynak kell lennie (VCC 1/3-a alá), hogy megbízhatóan triggereljen. Egy túl hosszú trigger impulzus meghosszabbíthatja a kimeneti impulzust.
• A Reset (4-es láb) a legtöbb esetben VCC-re van kötve, de felhasználható az időzítési ciklus manuális leállítására, például egy vészleállító gombbal.
• A Control Voltage (5-ös láb) használható a kimeneti impulzus szélességének finomhangolására, vagy külső feszültséggel történő modulálására, ami dinamikus időzítési alkalmazásokat tesz lehetővé. Zajszűrés céljából egy 10 nF-os kondenzátorral földre köthető.

Astabil üzemmód (oszcillátor, szabadonfutó multivibrátor)

Az astabil üzemmód a 555 timer talán leggyakrabban használt konfigurációja. Ebben az üzemmódban az IC folyamatosan oszcillál, stabil állapot nélkül, állandóan váltogatva a magas és alacsony kimeneti állapotokat. Ezáltal négyszögjelet generál, amelynek frekvenciája és kitöltési tényezője (duty cycle) a külső ellenállások és kondenzátor értékétől függ. Ideális órajel generátorokhoz, villogókhoz és hanggenerátorokhoz.

Működési elv astabil üzemmódban

Az astabil üzemmódban a Trigger (2-es láb) és a Threshold (6-os láb) össze van kötve, és mindkettő a külső időzítő kondenzátorhoz (C) csatlakozik. A töltési utat két ellenállás (RA és RB) biztosítja, míg a kisütési utat csak az RB ellenállás és a belső kisütő tranzisztor. Ez a különbség okozza a kitöltési tényező eltérését az 50%-tól.

Kezdeti feltételezések (pl. a kondenzátor éppen kisült, a kimenet magas):

1. Amikor a kimenet (3-as láb) magas, a belső kisütő tranzisztor kikapcsol.
2. A kondenzátor (C) az RA és RB ellenállásokon keresztül töltődik a VCC felé.
3. Mivel a Trigger és Threshold lábak össze vannak kötve és a kondenzátor feszültségét figyelik, a kondenzátor feszültsége eléri a 2/3 VCC-t.

Felső küszöb elérése:

1. Amikor a kondenzátor feszültsége eléri a 2/3 VCC-t, a felső komparátor aktiválódik, és reseteli a belső SR flip-flopot.
2. Ennek hatására a kimenet (3-as láb) alacsonyra vált, és a kisütő tranzisztor (7-es láb) bekapcsol.

Kisütési ciklus:

1. A kisütő tranzisztor bekapcsolásával a kondenzátor (C) az RB ellenálláson keresztül kezd kisülni a 7-es lábon keresztül a földre. Az RA ellenállás ekkor ki van iktatva a kisütési útból.
2. A kondenzátor feszültsége csökken, amíg el nem éri az 1/3 VCC-t.

Alsó küszöb elérése:

1. Amikor a kondenzátor feszültsége 1/3 VCC alá esik, az alsó komparátor aktiválódik, és beállítja a belső SR flip-flopot.
2. Ennek hatására a kimenet (3-as láb) ismét magasra vált, és a kisütő tranzisztor (7-es láb) kikapcsol.

A ciklus ezután megismétlődik: a kondenzátor újra töltődik RA-n és RB-n keresztül, amíg el nem éri a 2/3 VCC-t, majd kisül RB-n keresztül az 1/3 VCC-ig. Ez a folyamatos töltés-kisütés generálja a négyszögjelet a kimeneten, amelynek paramétereit a külső komponensek határozzák meg.

Az oszcilláció paraméterei a következő képletekkel számíthatók:

• Töltési idő (Ton – kimenet magas): Ez az az időtartam, amíg a kondenzátor 1/3 VCC-ről 2/3 VCC-re töltődik RA és RB ellenállásokon keresztül.

  Ton = 0.693 * (RA + RB) * C

• Kisütési idő (Toff – kimenet alacsony): Ez az az időtartam, amíg a kondenzátor 2/3 VCC-ről 1/3 VCC-re kisül RB ellenálláson keresztül.

  Toff = 0.693 * RB * C

• Periódusidő (T): A teljes ciklus időtartama, Ton és Toff összege.

  T = Ton + Toff = 0.693 * (RA + 2 * RB) * C

• Frekvencia (f): Az oszcilláció gyakorisága, a periódusidő reciproka.

  f = 1 / T = 1.44 / ((RA + 2 * RB) * C)

• Kitöltési tényező (Duty Cycle – D): A kimeneti jel “magas” idejének aránya a teljes periódushoz képest.

  D = Ton / T = (RA + RB) / (RA + 2 * RB)

Például, ha RA = 1 kΩ, RB = 10 kΩ és C = 0.1 µF:

• Ton = 0.693 * (1000 + 10000) * 0.1 * 10^-6 = 0.693 * 11000 * 0.0000001 = 0.0007623 másodperc = 0.7623 ms
• Toff = 0.693 * 10000 * 0.1 * 10^-6 = 0.693 * 0.001 = 0.000693 másodperc = 0.693 ms
• T = 0.7623 ms + 0.693 ms = 1.4553 ms
• f = 1 / 0.0014553 = 687.1 Hz
• D = (1000 + 10000) / (1000 + 2 * 10000) = 11000 / 21000 = 0.5238 = 52.38%

Alkalmazások astabil üzemmódban

• LED villogók és fényeffektek: A legegyszerűbb és leggyakoribb alkalmazás, ahol a 555 IC egy LED-et kapcsolgat be és ki meghatározott frekvenciával. Különböző RA, RB és C értékekkel változatos villogási minták hozhatók létre.
• Órajel generátorok: Digitális áramkörök számára stabil órajelek biztosítása, például számlálók vagy shift regiszterek vezérléséhez. A 555 képes stabil, megbízható órajelet generálni széles frekvenciatartományban.
• Hanggenerátorok és szirénák: Egy hangszóró vagy piezo csipogó meghajtásával a 555 képes hallható hangokat generálni. A frekvencia változtatásával (pl. potenciométerrel) szirénák vagy dallamok is létrehozhatók, akár két 555 IC kaszkádba kapcsolásával.
• Impulzusszélesség-modulátor (PWM): Az RA és RB ellenállások, vagy a C kondenzátor értékének dinamikus változtatásával (pl. potenciométerrel vagy feszültségvezérléssel) a kimeneti impulzus szélessége és így a kitöltési tényező is módosítható. Ez motorfordulatszám-szabályozásra vagy fényerő-szabályozásra használható, rendkívül hatékonyan.
• Feszültség-frekvencia konverter (VCO): A Control Voltage (5-ös láb) használatával az oszcilláció frekvenciája külső feszültséggel vezérelhető. Ez alapja lehet feszültséggel vezérelt hangszereknek vagy érzékelő kimenetek frekvenciává alakításának.
• Tápfeszültség-átalakítók: A 555 IC négyszögjelét felhasználva egyszerű boost vagy buck konverterek alapjaként szolgálhat, bár modern DC-DC konverter IC-k sokkal hatékonyabbak és komplexebbek.

Tervezési szempontok astabil üzemmódban

• Az RA ellenállás soha nem lehet 0 Ω, különben a kisütő tranzisztor rövidre zárná a VCC-t, amikor a kondenzátor töltődik. Minimum 1 kΩ ajánlott a tranzisztor védelme érdekében.
• Az RB ellenállásnak is kell lennie egy minimális értékének, általában 1 kΩ. Ez biztosítja a kondenzátor kontrollált kisülését.
• A kitöltési tényező mindig nagyobb lesz 50%-nál, mivel a töltési út az RA és RB ellenállásokon keresztül történik, míg a kisütési út csak az RB-n keresztül. Ahhoz, hogy 50% alatti kitöltési tényezőt érjünk el, módosítani kell az áramkört, például egy dióda hozzáadásával az RA-val párhuzamosan, amely megkerüli az RB-t a töltés során.
• A Control Voltage (5-ös láb) a monostabil üzemmódhoz hasonlóan, itt is felhasználható a frekvencia finomhangolására, vagy külső jelmodulációra. Zajszűrés céljából egy 10 nF-os kondenzátorral földre köthető, ha nincs használatban, hogy stabilizálja a referenciafesz