555 集成電路開始出現時是作定時器應用的,所以叫做 555 定時器或 555 時基電路。但是后來經過開發,它除了作定時延時控制外,還可以用于調光、調溫、調壓、調速等多種控制以及計量檢測等作用;還可以組成脈沖振蕩、單穩、雙穩和脈沖調制電路,作為交流信號源以及完成電源變換、頻率變換、脈沖調制等用途。由于它工作可靠、使用方便、價格低廉,因此目前被廣泛用于各種小家電中。
555 集成電路內部有幾十個元器件,有分壓器、比較器、觸發器、輸出管和放電管等,電路比較復雜,是模擬電路和數字電路的混合體。它的性能和參數要在非線性模擬集成電路手冊中才能查到。 555 集成電路是 8 腳封裝,圖 1 ( a )是雙列直插型封裝,按輸入輸出的排列可畫成圖 1 ( b )。 其中 6 腳稱閥值端( TH ),是上比較器的輸入。 2 腳稱觸發端( ),是下比較器的輸入。 3 腳是輸出端( V O ),它有 0 和 1 兩種狀態,它的狀態是由輸入端所加的電平決定的。 7 腳的放電端( DIS ),它是內部放電管的輸出,它也有懸空和接地兩種狀態,也是由輸入端的狀態決定的。 4 腳是復位端( ),加上低電砰(< 0.3 伏)時可使輸出成低電平。 5 腳稱控制電壓端( V C ),可以用它改變上下觸發電平值。 8 腳是電源, 1 腳為地端。
對于初學者來說,可以把 555 電路等效成一個帶放電開關的 R - S 觸發器,如圖 2 ( a )。這個特殊的觸發器有兩個輸入端;閾值端( TH )可看成是置零端 R ,要求高電平;觸發端( )可看成是置位端,低電平有效。它只有 1 個輸出端 V O , V O 可等效成觸發器的 Q 端。放電端( DIS )可看成由內部的放電開關控制的一個接點,放電開關由觸發器的 Q 端控制:=1 時 DIS 端接地; =0 時 DIS 端懸空。此外這個觸發器還有復位端 ,控制電壓端 V C ,電源端 V DD 和地端 GND 。
這個特殊的 R - S 觸發器有 2 個特點:( 1 )兩個輸入端的觸發電平要求一高一低:置零端 R 即閾值端 TH 要求高電平,而置低端 即觸發端 則要求低電平。( 2 )兩個輸入端的觸發電平,也就是使它們翻轉的閾值電壓值也不同,當 V C 端不接控制電壓時,對 TH ( R )端來講, 》 2 /3 V DD 是高電平 1 , 《 2 /3 V DD 是低電平 0 ;而對 ( )端來講,> 1/ 3 V DD 是高電平 1 ,< 1 /3 V DD 是低電平 0 。如果在控制端( V C )加上控制電壓 V C ,這時上觸發電平就變成 V C 值,而下觸發電平則變成 1 /2 V C 。可見改變控制端的控制電壓值可以改變上下觸發電平值。
經過簡化, 555 電路可以等效成一個觸發器,它的功能表見圖 2 ( b )。
555 集成電路有雙極型和 CMOS 型兩種。 CMOS 型的優點是功耗低、電源電壓低、輸入阻抗高,但輸出功率較小,輸出驅動電流只有幾毫安。雙極型的優點是輸出功率大,驅動電流達 200 毫安,其它指標則不如 CMOS 型的。
此外還有一種 556 雙時基電路, 14 腳封裝,內部包含有兩個相同的時基電路單元。 555 的應用電路很多,大體上可分為 555 單穩、 555 雙穩和 555 無穩三類。 555 單穩電路單穩電路有一個穩態和一個暫穩態。 555 的單穩電路是利用電容的充放電形成暫穩態的,因此它的輸入端都帶有定時電阻和定時電容,常見的 555 單穩電路有兩種。
( 1 )人工啟動型單穩
將 555 電路的 6 、 2 端并接起來接在 RC 定時電路上,在定時電容 C T 兩端接按鈕開關 SB ,就成為人工啟動型 555 單穩電路,見圖 3 ( a )。用等效觸發器替代 555 ,并略去與單穩工作無關的部分后畫成等效圖 3 ( b )。下面分析它的工作:
① 穩態:接上電源后,電容 C T 很快充到 V DD ,從圖 3 ( b )看到,觸發器輸入 R=1 , =1 ,從功能表查到輸出 V o =0 ,這是它的穩態。
② 暫穩態:按下開關 SB , C T 上電荷很快放到零,相當于觸發器輸入 R=0 , =0 ,輸出立即翻轉成 V o =1 ,暫穩態開始。開關放開后,電源又向 C T 充電,經時間 t d 后, C T 上電壓升到 》 2 /3 V DD 時,輸出又翻轉成 V =0 ,暫穩態結束。 t d 就是單穩電路的定時時間或延時時間,它和定時電阻 R T 和定時電容 C T 的值有關; t d=1.1R T C T 。
( 2 )脈沖啟動型單穩
把 555 電路的 6 、 7 端并接起來接到定時電容 C T 上,用 2 端作輸入就成為脈沖啟動型單穩電路,見圖 4 ( a )。電路的 2 端平時接高電平,當輸入接低電平或輸入負脈沖時才啟動電路。用等效觸發器替代 555 電路后可畫成圖 4 ( b )。這個電路利用放電端使定時電容能快速放電。下面分析它的工作狀態:
① 穩態:通電后, R=1 , =1 ,輸出 V o =0 , DIS 端接地, C T 上電壓為 0 即 R=0 ,輸出仍保持 V o =0 ,這是它的穩態。
② 暫穩態:輸入負脈沖后,輸入=0 ,輸出翻轉成 V o =1 , DIS 端開路,電源通過 R T 向 C T 充電,暫穩態開始。經過 t d 后, C T 上電壓升到> 2 /3 V DD ,這時負脈沖已經消失,輸入又成為 R=1 ,=1 ,輸出又翻轉成 V o =0 ,暫穩態結束。這時內部放電開關接通, DIS 端接地, C T 上電荷很快放到零,為下一次定時控制作準備。電路的定時時間 t d =1.1R T C T 。
這兩種單穩電路常用作定時延時控制。
555 雙穩電路
常見的 555 雙穩電路有兩種。
( 1 ) R-S 觸發器型雙穩
把 555 電路的 6 、 2 端作為兩個控制輸入端, 7 端不用,就成為一個 R - S 觸發器。要注意的是兩個輸入端的電平要求和閾值電壓都不同,見圖 5 ( a )。有時可能只有一個控制端,這時另一個控制端要設法接死,根據電路要求可以把 R 端接到電源端,見圖 5 ( b ),也可以把 S 端接地,用 R 端作輸入。
有兩個輸入端的雙穩電路常用作電機調速、電源上下限告警等用途,有一個輸入端的雙穩電路常作為單端比較器用作各種檢測電路。
( 2 )施密特觸發器型雙穩
把 555 電路的 6 、 2 端并接起來成為只有一個輸入端的觸發器,見圖 6 ( a )。這個觸發器因為輸出電壓和輸入電壓的關系是一個長方形的回線形,見圖 6 ( b ),所以被稱為施密特觸發器。從曲線看到,當輸入 V i =0 時輸出 V o =1 。當輸入電壓從 0 上升時,要升到> 2/ 3 V DD 以后, V o 才翻轉成 0 。而當輸入電壓從最高值下降時,要降到 《 1 /3 V DD 以后, V o 才翻轉成 1 。所以輸出電壓和輸入電壓之間是一個回線形曲線。由于它的輸入有兩個不同的閾值電壓,所以這種電路被用作電子開關,各種控制電路,波形變換和整形的用途。
555 無穩電路
無穩電路有 2 個暫穩態,它不需要外觸發就能自動從一種暫穩態翻轉到另一種暫穩態,它的輸出是一串矩形脈沖,所以它又稱為自激多諧振蕩器或脈沖振蕩器。 555 的無穩電路有多種,這里介紹常用的 3 種。
( 1 )直接反饋型 555 無穩
利用 555 施密特觸發器的回滯特性,在它的輸入端接電容 C ,再在輸出 V 0 與輸入之間接一個反饋電阻 R f ,就能組成直接反饋型多諧振蕩器,見圖 7 ( a )。用等效觸發器替代 555 電路后可畫成圖 7 ( b )。現在來看看它的振蕩工作原理:
剛接通電源時, C 上電壓為零,輸出 V 0 =1 。通電后電源經內部電阻、 V 0 端、 R f 向 C 充電,當 C 上電壓升到> 2 /3 V DD 時,觸發器翻轉 V 0 =0 ,于是 C 上電荷通過 R f 和 V 0 放電入地。當 C 上電壓降到< 1 /3 V DD 時,觸發器又翻轉成 V 0 =1 。電源又向 C 充電,不斷重復上述過程。由于施密特觸發器有 2 個不同的閥值電壓,因此 C 就在這 2 個閥值電壓之間交替地充電和放電,輸出得到的是一串連續的矩形脈沖,見圖 7 ( c )。脈沖頻率約為 f=0.722 / R f C 。
( 2 )間接反饋型無穩
另一路多諧振蕩器是把反饋電阻接在放電端和電源上,如圖 8 ( a ),這樣做使振蕩電路和輸出電路分開,可以使負載能力加大,頻率更穩定。這是目前使用最多的 555 振蕩電路。
這個電路在剛通電時, V 0 =1 , DIS 端開路, C 的充電路徑是:電源 →R A →DIS→R B →C ,當 C 上電壓上升到> 2 /3 V DD 時, V 0 =1 , DIS 端接地, C 放電, C 放電的路徑是: C→R B →DIS→ 地。可以看到充電和放電時間常數不等,輸出不是方波。 t 1 =0.693 ( R A + B B ) C 、 t 2 =0.693R B C ,脈沖頻率 f=1.443 /( R A + 2R ) C
( 3 ) 555 方波振蕩電路
要想得到方波輸出,可以用圖 9 的電路。它是在圖 8 的電路基礎上在 R B 兩端并聯一個二極管 VD 組成的。當 R A =R B 時, C 的充放電時間常數相等,輸出就得到方波。方波的頻率為 f=0.722 / R A C ( R A =R B )
二極管的方法可以得到占空比可調的脈沖振蕩電路。
在這個電路的基礎上,在 R A 和 R B 回路內增加電位器以及采用串聯或并聯
555 脈沖振蕩電路常被用作交流信號源,它的振蕩頻率范圍大致在零點幾赫到幾兆赫之間。因為電路簡單可靠,所以使用極廣。
555 電路讀圖要點及舉例
555 集成電路經多年的開發,實用電路多達幾十種,幾乎遍及各個技術領域。但對初學者來講,常見的電路也不過是上述幾種,因此在讀圖時,只要抓住關鍵,識別它們是不難的。
從電路結構上分析,三類 555 電路的區別或者說它們的結構特點主要在輸入端。因此當我們拿到一張 555 電路圖時,在大致了解電路的用途之后,先看一下電路是 CMOS 型還是雙極型,再看復位端()和控制電壓端( V c )的接法,如果復位端( )是接高電平、控制電壓端( V c )是接一個抗干擾電容的
那就可以按以下的次序先從輸入端開始進行分析:
( 1 ) 6 、 2 端是分開的
①7 端懸空不用的一定是雙穩電路。如有兩個輸入的則是雙限比較器;如只有一個輸入的則是單端比較器。這類電路一般都是作電子開關、控制和檢測電路的用途。
②7 、 6 端短接并接有電阻電容、取 2 端作輸入的一定是單穩電路。它的輸入可以用開關人工啟動,也可以用輸入脈沖啟動,甚至為了取得較好的啟動效果在輸入端帶有 RC 微分電路。這類電路一般用作定時延時控制和檢測的用途。
( 2 ) 6 、 2 端短接的
① 輸入沒有電容的是施密特觸發器電路。這類電路常用作電子開關、告警、檢測和整形的用途。
② 輸入端有電阻電容而 7 端懸空的,這時要看電阻電容的接法:( a ) R 和 C 串聯接在電源和地之間的是單穩電路, R 和 C 就是它的定時電阻和定時電容。( b ) R 在上 C 在下, R 的一端接在 V 0 端上的是直接反饋型無穩電路,這時 R 和 C 就是決定振蕩頻率的元件。
③7 端也接在輸入端,成“ R A - 7 - R B - 6 、 2—C ”的形式的就是最常用的無穩電路。這時 R A 和 R B 及 C 就是決定振蕩頻率的元件。這類電路可以有很多種變型:如省去 R A ,把 7 端接在 V 0 上;或者在 R B 兩端并聯二極管 VD 以獲得方波輸出,或者用電阻和電位器組成 R A 和 R B ,而且在 R A 和 R B 兩端并聯有二極管以獲得占空比可調的脈沖波等等。這類電路是用途最廣的,常用于脈沖振蕩、音響告警、家電控制、電子玩具、醫療電器以及電源變換等用途。
( 3 )如果控制電壓( V c )端接有直流電壓,則只是改變了上下兩個閥值電壓的數值,其它分析方法仍和上面的相同。
只要按上述步驟細心分析核對,一定能很快地識別 555 電路的類別和了解它的工作原理。下面的問題就比較好辦了,例如定時時間、振蕩頻率等都可以按給出的公式進行估算。
例 1 相片曝光定時器
圖 10 是用 555 電路制成的相片曝光定時器。從圖看到,輸入端 6 、 2 并接在 RC 串聯電路中,所以這是一個單穩電路, R1 和 RP 是定時電阻, C1 是定時電容。
電路在通電后, C1 上電壓被充到 6 伏,輸出 V 0 =0 ,繼電器 KA 不吸動,常開接點是打開的,曝光燈 HL 不亮。這是它的穩態。
按下 SB 后, C1 快速放電到零,輸出 V 0 =1 ,繼電器 KA 吸動,點亮曝光燈 HL ,暫穩態開始。 SB 放開后電源向 C1 充電,當 C1 上電壓升到 4 伏時,暫穩態結束,定時時間到,電路恢復到穩態。輸出翻轉成 V 0 =0 ,繼電器 KA 釋放,曝光燈熄滅。電路定時時間是可調的,大約是 1 秒~ 2 分鐘。
例 2 光電告警電路
圖 11 是 555 光電告警電路。它使用 556 雙時基集成電路,有兩個獨立的 555 電路。前一個接成施密特觸發器,后一個是間接反饋型無穩電路。圖中引腳號碼是 556 的引腳號碼。
三極管 VT 導通, VT 的集電極電壓只有 0.3 伏,加在 555b 的復位端( MR ),使 555b 處于復位狀態,即無振蕩輸出。
圖中 R1 是光敏電阻,無光照時阻值為幾~幾十兆歐,所以 555a 的輸入相當于 R=0 、 S=0 ,輸出 V 0 =1 ,
當 R1 受光照后,阻值突然下降到只有幾~幾十千歐,于是 555a 的輸入電壓升到上閥值電壓以上,輸出翻轉成 V 0 =0 , VT 截止, VT 集電極電壓升高, 555b 被解除復位狀態而振蕩,于是揚聲器 BL 發聲告警。 555b 的振蕩頻率大約是 1 千赫。
如果把整個裝置放入公文包內,那么當打開公文包時,這個裝置會發聲告警而成為防盜告警裝置。
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