Я собираюсь показать вам два других примера использования таймера NE555 (555).
Вам понадобятся все те же компоненты, что и для эксперимента 16 плюс дополнительно:
- Еще одна микросхема таймера 555. Общее количество — 2 шт.
- Миниатюрный динамик. Количество — 1 шт.
- Потенциометр с линейной характеристикой и сопротивлением 100 кОм. Количество — 1 шт.
Порядок действий
Оставьте все компоненты Эксперимента 16 на том месте, в котором вы их установили на макетной плате, и добавьте следующую часть схемы немного ниже, как это показано на монтажной (рис. 1) и электрической (рис. 2) схемах. На этих схемах между выводами 6 и 7 микросхемы, вместо перемычки, которая закорачивала эти выводы в предыдущей схеме, вставлен резистор R2, а внешней цепи запуска с использованием вывода 2 больше нет. Вместо этого вывод 2 перемычкой подключен к выводу 6. Самый простой путь для этого — проложить провод перемычки сверху корпуса микросхемы.
Рис. 1. Эти компоненты должны быть добавлены на ту же самую макетную плату чуть ниже компонентов, которые показаны в Эксперименте 16. Следует использовать следующие значения для тестирования микросхемы таймера 555 в автоколебательном режиме: R1 — резистор с сопротивлением 1 кОм; R2 — резистор с сопротивлением 10 кОм; R3 — резистор с сопротивлением 100 Ом; С1 — конденсатор емкостью 0,047 мкФ (керамический или электролитический); C2 — конденсатор емкостью 0,1 мкФ (керамический); ІС2 — микросхема таймера 555
Из схемы, показанной на рис. 2, я убрал сглаживающий конденсатор, поскольку я предполагаю, что вы собираете вторую часть схемы на той же самой макетной плате, что и первую, где уже есть сглаживающий конденсатор С3.
Рис. 2. Это вариант электрической схемы приведенной выше монтажной схемы на рис. 1. Значения и обозначения компонентов на схемах одинаковы.
Динамик подключается последовательно резистору с сопротивлением 100 Ом (3), который заменил светодиод, демонстрирующий наличие выходного сигнала микросхемы. Вывод 4 (Сброс) подключения непосредственно к положительному выводу источника питания, поскольку в этой схеме функцию сброса я использовать не собираюсь.
Итак, что же случится, если подать напряжение питания? Вы немедленно должны услышать гул из динамика. Если вы ничего не услышали, то это определенно есть следствие ошибки подключения.
Следует заметить, что теперь с помощью кнопки вы не можете изменить состояние микросхемы. Причина заключается в том, что конденсатор С1 заряжается и разряжается, а его меняющееся напряжение подключается через перемычку, проходящую сверху корпуса микросхемы к выводу 2 (Запуск). Таким образом, таймер 555 выполняет переключение самостоятельно.
В данном случае микросхема работает в автоколебательном режиме. Автоколебательный — означает, что он не стабилен, поскольку бесконечно переключается то в одно, то в другое состояние, посылая импульсы в течение всего времени пока схема подключена к источнику питания. Импульсы столь кратковременны, что их можно услышать в виде постоянного гула.
Фактические значения компонентов, которые я задал с помощью R1, R2 и С1, дают возможность микросхеме таймера 555 генерировать импульсы с частотой 1500 импульсов в секунду. Другими словами, таймер создает звук с частотой 1,5 кГц.
Посмотрите на табл. 1, чтобы увидеть насколько сильно отличаются значения R2 и С1, создающие импульсы разной частоты в «автоколебательном» режиме. Следует помнить, что эта таблица рассчитана при фиксированном значении сопротивления резистора R1 равного 1 кОм!
|
Фундаментальные сведения |
Приведенная далее табл. 1 показывает рассчитанную частоту автоколебаний для микросхемы таймера 555 в зависимости от значений времязадающих компонентов: емкости конденсатора С1 и сопротивления резистора R2 при неизменном значении сопротивления резистора R1 равного 1 кОм.
Чтобы рассчитать различную частоту: нужно удвоить сопротивление резистора R2, прибавить к нему сопротивление R1, умножить эту сумму на величину емкости С1 и разделить результат на 1440. Таким образом мы получим: Частота автоколебаний = 1440 / ((1 + 2R2) х С1) периодов колебаний в секунду. В формуле сопротивления резисторов R1 и R2 приведены в килоомах (кОм), емкость конденсатора С1 в микрофарадах (мкФ), а частота в герцах (Гц) (количество периодов колебаний в секунду). Следует заметить, что период колебаний измеряется от начала одного импульса и до начала следующего. Длительность каждого импульса не равна длительности промежутка между каждым импульсом. Таблица 1
|
|
Теория |
| Внутри таймера 555. Автоколебательный режим
Теперь то, что происходит, показано на рис. 3. Изначально, как это было ранее в режиме одновибратора, триггер FF (на рисунке показан в виде переключателя) закорачивает на «землю», т. е. на «-» источника питания, конденсатор С1. Но теперь низкое напряжение на этом конденсаторе по внешнему проводу поступает с вывода 7 к выводу 2. Это низкое напряжение указывает микросхеме, что она должна переключиться сама. Триггер послушно переключается в положение, соответствующее нижнему по схеме положению «включен», и посылает положительный импульс на динамик, одновременно отключая отрицательное напряжение с вывода 7.
Теперь конденсатор С1 начинает заряжаться так же, как он это делал в моностабильном режиме, вместо зарядки через последовательно подключенные резисторы R1 и R2. Поскольку резисторы имеют относительно небольшое значение сопротивления, а конденсатор С1 небольшую емкость, то он заряжается достаточно быстро. Когда же напряжение на конденсаторе, так же, как и ранее, достигнет 2/3 полного напряжения, срабатывает компаратор «В», переключая триггер в верхнее по схеме положение «выключен», разряжая конденсатор и прекращая подачу положительного импульса через вывод 3. Конденсатор требует больше времени для разряда, чем это было ранее, поскольку сейчас резистор R2 подключен между конденсатором и выводом 7 (Разряд). В то время пока конденсатор разряжается, уменьшается его напряжение, но при этом он с помощью провода остается подключенным к выводу 2. Когда это напряжение падает до 1/3 от полного напряжения источника питания или немного менее, срабатывает компаратор «А», переключает триггер, начиная процесс снова. Подведем итоги. 1. В автоколебательном режиме, как только напряжение питания подключено к микросхеме, триггер в исходном состоянии способствует уменьшению напряжения на выводе 2, заставляя тем самым сработать компаратор «А», который переключает триггер (переключатель) в нижнее по схеме положение. 2. На выход микросхемы (вывод 3) поступает сигнал высокого уровня («+» источника питания). Через резисторы R1 и R2, подключенные последовательно, начинает заряжаться конденсатор С1. 3. Когда конденсатор достигает напряжения, равного 2/3 напряжения питания, триггер переключается в верхнее по схеме состояние и на выход (вывод 3) снова поступает напряжение низкого уровня. Конденсатор С1 вновь начинает разряжаться через сопротивление R2. 4. Когда напряжение на конденсаторе становится меньше 1/3 полного напряжения питания, соответственно уменьшается напряжение на выводе 2, что приводит снова к переключению триггера в нижнее по схеме положение, и цикл повторяется. Разная длительность состояний триггераКогда таймер работает в автоколебательном режиме, конденсатор С1 заряжается через последовательно подключенные резисторы R1 и R2. Но когда конденсатор С1 разряжается, то он это делает только через резистор R2. Это означает, что конденсатор заряжается медленнее, чем разряжается. Во время заряда конденсатора выходное напряжение на выводе 3 остается высоким; а во время разряда — будет низким. Следовательно, состояние триггера «включен» всегда продолжительнее состояния «выключен». На рис. 4 это показано в виде простой временной диаграммы.
Если вы хотите, чтобы длительности одного и другого состояний были одинаковы или же вы желаете независимо регулировать длительности этих состояний (например, передать очень короткий импульс на другую микросхему, за которым до следующего импульса должна следовать большая пауза), то все что вам нужно, это просто добавить один диод, как это показано на рис. 5.
Теперь, когда конденсатор С1 заряжается, ток его заряда фактически определяется только сопротивлением резистора М, поскольку при этом резистор R2 закорочен диодом D1, включенным в прямом направлении. Когда же конденсатор С1 разряжается, диод для тока разряда оказывается включенным в обратном направлении, и поэтому разряд осуществляется только через резистор R2. Итак, в этой схеме время заряда конденсатора определяется только сопротивлением резистора R1, а время разряда — только сопротивлением резистора R2. Формула для расчета будет следующей: Частота = 1440 / ((R1 + R2) х C1). Если вы зададите равные значения сопротивлений резисторов R1 и R2 (R1=R2), то должны получить почти одинаковые длительности генерируемых импульсов и пауз между ними («почти» — потому что на диоде все же имеется хоть и небольшое, но падение напряжения, примерно 0,6 В). Точное значение этого напряжения зависит, прежде всего, от технологии, которая использовалась при изготовлении диода, а точнее от применяемого материала (кремния или, например, германия).
|
Доработка схем таймера, работающего в автоколебательном режиме
Если в схемах, показанных на рис. 2 или 5, вы вместо резистора R2 установите потенциометр с сопротивлением 100 кОм, то вы, поворачивая его ось, получите возможность изменять частоту генерируемых колебаний в ту или иную сторону.
Другой возможностью «настроить» таймер является использование вывода 5 «Управляющее напряжение», как это показано на рис. 6. Отсоедините конденсатор, который был соединен с этим выводом и замените его последовательно подключенными резисторами, которые показаны на рисунке. Номинал обоих резисторов R9 и R11 — 1 кОм; они расположены с двух сторон резистора R10, который является потенциометром с сопротивлением 100 кОм. Такая схема включения гарантирует, что сопротивление между выводом 5, а также положительным и отрицательным выводами источника питания всегда будет иметь сопротивление не менее 1 кОм. Подключение его напрямую к источнику напряжения не приведет к повреждению таймера, но не позволит ему генерировать слышимые звуковые сигналы. Когда вы поворачиваете потенциометр то в одном, то в другом направлении, вы будете менять частоту в большом диапазоне значений. Если вы хотите генерировать какую-либо специфическую частоту, то вместо этого можно использовать подстроечный потенциометр.
Рис. 6. Вывод «Управляющее напряжение» (вывод 5) используется редко, но может быть полезен. Изменяя напряжение на нем можно регулировать частоту таймера 555. Эта схема дает вам возможность протестировать использование этого вывода. Значения компонентов: R1 — резистор с сопротивлением 1 кОм; R2 — резистор с сопротивлением 10 кОм; — резистор с сопротивлением 100 Ом; R9, R11 — резисторы с сопротивлением 1 кОм; R10 — потенциометр с линейной характеристикой и сопротивлением 100 кОм; С1 — конденсатор 0,0047 мкФ
Основным преимуществом использования вывода 5 для настройки частоты является то, что вы можете осуществлять удаленное управление. Подключите выход (вывод 3) еще одного, работающего в автоколебательном режиме, таймера 555, но при этом генерирующего меньшую частоту, через резистор с сопротивлением 2,2 кОм к выводу 5 первого таймера. В этом случае вы получите эффект сирены, генерирующей двухтональный сигнал, когда один таймер управляет другим. Если же между выводом 5 и землей вы дополнительно добавите еще и конденсатор емкостью 100 мкФ, то за счет заряда и разряда конденсатора изменение частоты звука будет более плавным.
Соединение микросхем в цепь
Вообще говоря, микросхемы конструируются таким образом, чтобы они могли взаимодействовать друг с другом. В этом отношении проще таймера 555 нельзя ничего придумать, поскольку:
- вывод 3, это выход одного таймера 555, который может быть подключен напрямую к выводу 2 (Запуск) второго аналогичного таймера;
- мощность на выходе микросхемы может быть достаточной для обеспечения напряжением питания соответствующего вывода 8 другой микросхемы таймера 555;
- выход пригоден для подачи сигнала управления или напряжения питания также и на другие типы микросхем.
На рис. 7 показаны эти возможные варианты.
Рис. 7. Три способа соединения микросхем таймера 555. Выход микросхемы IС 1 может стать: источником питания для второго таймера, изменять напряжение на его выводе «Управляющее напряжение» или активировать вывод «Запуск»
Вы можете соединить в цепь два таймера 555, которые уже установлены на вашу макетную плату. На рис. 8 показано, как нужно выполнить совместное подключение двух схем, которые были приведены ранее на рис. 5 и 2. Проложите провод от вывода 3 (выход) первой микросхемы к выводу 8 (вывод питания) второй и отсоедините существующий провод, подключенный к этому же выводу 8. Новый провод на цветном рисунке показан красным цветом. Теперь после нажатия кнопки S1 запуска первой микросхемы ее выход станет источником питания второй микросхемы.
Рис. 8. Вы можете совместить две схемы, которые показаны на рис. 5 и 2, просто отсоединив провод, который подает напряжение питания на вывод 8 второго таймера, и установив вместо него другой, соединяющий этот вывод с выходом первого таймера (провод на цветном изображении показан красным цветом)
Вы можете также использовать выход одной микросхемы для запуска другой (т. е. вы можете подсоединить вывод 3 первой микросхемы к выводу 2 второй). Когда сигнал на выходе первой микросхемы имеет низкий уровень, он будет меньше половины вольта. Это существенно ниже порогового напряжения, которое требуется для запуска второй микросхемы. Почему вы хотели бы сделать так? Да, вы можете захотеть, чтобы оба таймера работали в режиме одновибратора (моностабильном), чтобы в конце импульса высокого уровня первой микросхемы (по отрицательному перепаду) запускалось формирование импульса высокого уровня второй микросхемы. Фактически таким способом вы можете соединить в одну последовательную цепь столько таймеров, сколько хотите; при этом последняя микросхема будет запускать первый, а все они будут последовательно включать светодиоды, как на новогодней елке. На рис. 9 показано, как могут быть соединены таким способом четыре таймера при пространственном расположении, в котором они будут занимать минимальную площадь (и будут соединены навесным проводным монтажом на перфорированной плате, а не на плате такого вида, как наша макетная плата). Каждый вывод микросхемы, обозначенный соответствующими цифрами от 1 до 4, обладает достаточной мощностью, чтобы подключить к ним до 10 светодиодов, если вы будете использовать нагрузочные резисторы с относительно большим сопротивлением для ограничения их тока.
Рис. 9. Четыре таймера 555 могут быть соединены в одну последовательную цепь по кругу, заставляя мигать четыре группы светодиодов, как огни на новогодней елке или рекламе кинотеатра.
Кстати, вы можете уменьшить количество микросхем путем использования двух микросхем таймеров 556 вместо четырех таймеров 555. Каждая такая микросхема таймера 556 содержит пару таймеров 555 в одном корпусе. Но поскольку вы должны сделать то же самое количество внешних подключений (без учета подключения напряжения питания), я не стал бы беспокоиться о применении этого варианта.
Кроме того, вы даже можете использовать таймер 558, который содержит уже четыре схемы таймера 555, которые будут работать в автоколебательном режиме. Однако я решил не использовать эту микросхему, поскольку его выходы ведут себя несколько иначе, чем в обычным таймере 555. Но вы все же можете приобрести таймер 558 и «поиграть» с ним по своему желанию. Он идеален для изготовления «цепи из четырех таймеров», которую я предложил ранее. В справочных листах технической документации такая возможность предполагается.
И наконец, возвращаясь назад к идее изменения частоты таймера 555, работающего в автоколебательном режиме, вы можете выполнить схему из двух таймеров, как это показано на рис. 10. Провод, соединяющий выход микросхемы IC1 (вывод 3) и вывод управляющего напряжения (вывод 5) микросхемы IC2, показан красным цветом. Схема включения первого таймера изменена на автоколебательный режим, и он генерирует на выходе импульсы с частотой примерно 4 Гц. Чтобы предоставить вам визуальное подтверждение того, что происходит в схеме, к этому сигналу подключен светодиод D1 и далее с помощью провода сигнал через резистор R7 подается на вывод управляющего напряжения второго таймера.
Рис. 10. Когда оба таймера находятся в автоколебательном режиме, но частота колебаний микросхемы IС1 гораздо меньше, чем IС2, выход IС1 (вывод 3) может быть использован для модулирования звука, генерируемого второй микросхемой IС2. Следует иметь в виду, что это существенное изменение схемы по сравнению с предыдущей, поэтому у нескольких ее компонентов пришлось поменять обозначения. Чтобы избежать ошибок вы можете демонтировать старую схему с вашей макетной платы и выполнить новую версию по этому эскизу. Попробуйте изначально следующие номиналы компонентов: R1, R4, R6, R7 — резисторы с сопротивлением 1 кОм; R2, — резисторы с сопротивлением 10 кОм; R3 — резистор с сопротивлением 100 Ом; С1 — конденсатор емкостью 0,047 мкФ; С2, С3 — конденсаторы емкостью 100 мкФ; С4 — конденсатор емкостью 68 мкФ; С5 — конденсатор емкостью 0,1 мкФ.
Конденсатор C2 это конденсатор с большой емкостью, которому требуется значительное время для заряда, осуществляемого через резистор R7. В то время как происходит его заряд, напряжение на выводе 5 медленно возрастает, поэтому тон, генерируемый микросхемой IC2, постепенно возрастает. Затем микросхема IC1 достигает окончания своего цикла и сама переключается в той точке, когда конденсатор C2 разряжается и генерирование звукового сигнала микросхемой IC2 снова прекращается.
Вы можете настроить эту схему для создания всех типов звуковых сигналов с гораздо большими возможностями управления, чем это делается при использовании программируемого одно-переходного транзистора, который может выполнять те же самые функции. Теперь можно попробовать несколько вариантов изменения схемы.
- Увеличьте вдвое или уменьшите наполовину емкость конденсатор С2.
- Полностью пренебрегите конденсатором C2 и поэкспериментируйте с изменением сопротивления резистора R7.
- Замените резистор R7 на потенциометр с сопротивлением 10 кОм.
- Измените емкость конденсатора C4 для увеличения или уменьшения длительности цикла микросхемы IC1.
- Уменьшите сопротивление резистора R5 в два раза при одновременном удвоении емкости конденсатора C4. Это приведет к тому, что частота микросхемы IC1 остается примерно такой же, но длительность сигнала высокого уровня становится значительно большей по сравнению с длительностью сигнала низкого уровня.
- Измените напряжение питания — вместо напряжения 9 В подайте 6 В или 12 В.
Помните, что вы не можете вывести из строя таймер 555, выполняя изменения напряжения в этом диапазоне. Нужно только быть уверенным, что отрицательный вывод источника питания (Земля) подключен к выводу 1 микросхемы таймера, а положительный — к выводу 8.
Автор: Чарльз Платт
