Интегральный таймер 555 — прибор с отрицательным сопротивлением

В последнее время все большее применение находит интегральный таймер 555. Он предста­вляет собой многофункциональную интеграль­ную схему, которая используется в вычислитель­ной технике, электронике и автоматике.

Основное назначение этой схемы — генериро­вание импульсов с периодом повторения от нес­кольких микросекунд до нескольких часов. Она также используется для получения сигналов с широтно-импульсной и частотной модуляций и для получения линейного и ступенчатого напряжения, оцифровки аналоговых сигналов и т.д. Об этой МС написано много, но все же напомню ее функцио­нальную схему. Она показана на рис.1.

Рис. 1

Если замкнуть выводы 2, 6, 7 накоротко и снять вольтамперную характеристику, то ее форма по­лучается S-образной (рис.2). Два пороговых напряжения U_пр1=2/3Е и U_пр2=1/3Е на этой харак­теристике — это напряжения, при которых сраба­тывают компараторы DA1, DA2. Форма этой вольтамперной характеристики позволяет отнести 555-й таймер к классу типичных приборов с отри­цательным сопротивлением — негатронов.

Рис. 2

В [1] показано, что режим работы негатрона определяется сопротивлением соединенного с ним резистора и напряжением питания. В зависи­мости от этих величин, т.е. в зависимости от по­ложения нагрузочной прямой на вольтамперной характеристике, возможно несколько режимов работы. Если точка пересечения нагрузочной пря­мой с вольтамперной характеристикой находится на нарастающих участках (с положительным со­противлением) характеристики, то схема находится в устойчивом состоянии. Если точка пересече­ния находится на ниспадающем участке, то схема неустойчива. Например, в точке «А» схема работа­ет в ждущем режиме, а в точке «В», в зависимости от параметров внешних элементов, схема может работать как релаксационный генератор или как генератор гармонических колебаний.

В случае, когда нагрузочная прямая пересекает характеристику в двух точках (нарастающие участ­ки), то схема работает как устройство с двумя устойчивыми состояниями — триггер. Когда точек пересечения три, в зависимости от их расположе­ния возможны несколько режимов работы. В этом случае две крайние точки (А и Е) отвечают за устой­чивое состояние, так как находятся на нарастающих участках, в зависимости от параметров соединен­ных с таймером элементов средняя точка может быть как устойчивая, так и неустойчивая. В первом случае схема работает как триггер, а во втором – как ждущий релаксационный генератор, выходное состояние которого опреде­ляется точкой «С».

Из приведенного выше можно определить три области применения таймера 555. Во-первых, таймер мо­жет использоваться одновременно как активный элемент и как электронный ключ, через который изменяется на­пряжение на присоединённом к нему конденсаторе. На этой основе кон­струируют различные релаксацион­ные схемы, работающие в автогенера­торном или ждущем режимах, которые могут генерировать импульсы как прямоугольные, так и другой формы. Такие схемы мо­гут быть использованы в таких устройствах, как реле времени, схемы управления тиристорами, АЦП и др.

Вторая область применения таймера — рабо­та в бистабильном режиме как ключевой элемент с двумя порогами срабатывания. Для этого тай­мер необходимо связать с резистором, сопротив­ление которого таково, что прямая пересекает вольтамперную характеристику в трех точках. На этой основе можно конструировать различные схемы: несимметричные триггеры, счетчики, де­лители и шумоустойчивые логические схемы с ги­стерезисом.

В третьей области приложения рабочая точка выбирается на нисходящем участке вольтампер­ной характеристики. При этом используется как дифференциальное отрицательное сопротивле­ние, так и эквивалентная реактивность. На этой ос­нове могут конструироваться различные линейные схемы, например генераторы гармонических ко­лебаний и усилители. Такой режим предлагает ин­тересную возможность использования таймера как эквивалент индуктивности, которую трудно ре­ализовать в интегральном исполнении.

На рис.3 показана схема релаксационного ге­нератора на таймере 555, в которой таймер вклю­чен как прибор с отрицательным сопротивлением. R1R2C1 — времязадающая цепь. Режим работы выбран так, чтобы точка пересечения нагрузочной прямой находилась на спадающем участке воль­тамперной характеристики. При подаче питающе­го напряжения конденсатор С1 начинает заряжать­ся по экспоненциальному закону через резисторы R1 и R2 с постоянной времени t_зар=(R1+R2)C1. Первоначально напряжение на конденсаторе ме­ньше Uпр2, триггер находится в состоянии, при ко­тором разрядный транзистор VT2 (рис.1) поддер­живается в закрытом состоянии, а на выходе 3 МС присутствует высокий уровень напряжения.

Рис. 3

Так как входное сопротивление большое, то оно не оказы­вает на зарядный процесс никакого влияния. На­пряжение на конденсаторе С1 увеличивается. В момент, когда напряжение на С1 достигнет вели­чины U_пр1, возникает лавинообразный регеративный процесс, завершающийся срабатыванием компаратора DA1, переворотом триггера DD1 и на­сыщением транзистора VT2 микросхемы. На вы­ходе таймера низкий потенциал. С этого момен­та конденсатор С1 начинает разряжаться по экспоненциальному закону через маленькое со­противление открытого транзистора VT2. По­стоянная разряда t_раз=С1R_vt2, где R_vt2 — усреднен­ная величина сопротивления коллектор-эмиттер насыщенного транзистора VT2.

Когда в процессе разряда напряжение на кон­денсаторе достигнет U_пр2, наступает лавинообраз­ный процесс, завершающийся переворотом триг­гера DD1, закрытием разрядного транзистора VT2 и получением высокого уровня напряжения на выходе таймера. Далее процесс заряда и разря­да конденсатора С1 циклично повторяется. Из-за экспоненциального характера изменения напря­жения на конденсаторе С1 в пределах от U_пр2 до U_пр1 время заряда t_зар=0,7(R1+R2)C1. Время раз­ряда t_раз 0,7C1R_vt2. Период T=t_зап+t_раз. Так как R1+R2>>R_vt2, то T=0,7(R1+R2)C1. Если необходи­мо получить продолжительные импульсы, то в раз­рядную цепь устанавливают резистор R3. В этом случае продолжительность времени разряда t=0,7C1R3. В результате схема может генериро­вать импульсы, продолжительность которых будет равна паузе. Пилообразное напряжение можно снять с конденсатора С1. Ждущий режим работы получится, если вывод 2 отсоединить от выводов 6, 7. Подача низкого уровня на вывод 2 разреша­ет работу генератора.

Литература

1. Оскар Х. Импульсные схемы с приборами с отрицательным сопротивлением. — София: Техни­ка, 1982.

Автор: Вячеслав Калашник, г. Воронеж