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555計時器
圖片來自研發互助社區

555定時器555 IC 由 Hans R. Camenzind 於 1971 年設計出來,並於 Signetics 公司 1972 年首次推出,[1] 很快的就普及全球。此 IC 的主要功能是做為方波產生器、振盪器或計時器,是數位電路常使用的元件,通常做成 8 PIN DIP 形式出售。一般常見的 555 計時晶片有 SE555、NE555、LM555…等,基本上用法均相同。555 IC常被用於定時器脈衝產生器震盪電路。555可被作為電路中的延時器件、觸發器或起振元件。

555定時器於1971年由西格尼蒂克公司推出,由於其易用性、低廉的價格和良好的可靠性,直至今日仍被廣泛應用於電子電路的設計中。許多廠家都生產555芯片,包括採用雙極型晶體管的傳統型號和採用CMOS設計的版本。555被認為是當前年產量最高的芯片之一,僅2003年,就有約10億枚的產量。[2]

目錄

設計原理

555定時器由Hans R. Camenzind於1971年為西格尼蒂克公司設計。西格尼蒂克公司後來被飛利浦公司所併購。

不同的製造商生產的555芯片有不同的結構,標準的555芯片集成有25個晶體管,2個二極管和15個電阻並通過8個引腳引出(DIP-8封裝)。[3]555的派生型號包括556(集成了兩個555的DIP-14芯片)和558與559。

NE555的工作溫度範圍為0-70°C,軍用級的SE555的工作溫度範圍為−55到+125 °C。555的封裝分為高可靠性的金屬封裝(用T表示)和低成本的環氧樹脂封裝(用V表示),所以555的完整標號為NE555V、NE555T、SE555V和SE555T。一般認為555芯片名字的來源是其中的三枚5KΩ電阻[4],但Hans Camenzind否認這一說法並聲稱他是隨意取的這三個數字。[2]

555還有低功耗的版本,包括7555和使用CMOS電路的TLC555。[5]7555的功耗比標準的555低,而且其生產商宣稱7555的控制引腳並不像其他555芯片那樣需要接地電容,同時供電與地之間也不需要消除雜訊的去耦電容

接腳圖

DIP封裝的555芯片各引腳功能如下表所示:

引腳 名稱 功能
1 GND(地) 接地,作為低電位(0V)
2 TRIG(觸發) 當此引腳電壓降至1/3 VCC(或由控制端決定的閾值電壓)時輸出端給出高電位。
3 OUT(輸出) 輸出高電平(+VCC)或低電位。
4 RST(復位) 當此引腳接高電平時定時器工作,當此引腳接地時芯片復位,輸出低電位。
5 CTRL(控制) 控制芯片的閾值電壓。(當此管腳接空時默認兩閾值電壓為1/3 VCC與2/3 VCC).
6 THR(閾值) 當此引腳電壓升至2/3 VCC(或由控制端決定的閾值電壓)時輸出端給出低電位。
7 DIS(放電) 內接OC門,用於給電容放電。
8 V+, VCC(供電) 提供高電位並給芯片供電。

用途

555定時器可工作在三種工作模式下:

  • 單穩態模式:在此模式下,555功能為單次觸發。應用範圍包括定時器,脈衝丟失檢測,反彈跳開關,輕觸開關,分頻器,電容測量,脈衝寬度調製(PWM)等。
  • 無穩態模式:在此模式下,555以振盪器的方式工作。這一工作模式下的555芯片常被用於頻閃燈、脈衝發生器、邏輯電路時鐘、音調發生器、脈衝位置調製(PPM)等電路中。如果使用熱敏電阻作為定時電阻,555可構成溫度傳感器,其輸出信號的頻率由溫度決定。
  • 雙穩態模式(或稱施密特觸發器模式):在DIS引腳空置且不外接電容的情況下,555的工作方式類似於一個RS觸發器,可用於構成鎖存開關。

單穩態模式

在單穩態工作模式下,555定時器作為單次觸發脈衝發生器工作。當觸發輸入電壓降至VCC的1/3時開始輸出脈衝。輸出的脈寬取決於由定時電阻電容組成的RC網絡的時間常數。當電容電壓升至VCC的2/3時輸出脈衝停止。根據實際需要可通過改變RC網絡的時間常數來調節脈寬。[6]

輸出脈寬t,即電容電壓充至VCC的2/3所需要的時間由下式給出:

<math>t = RC\ln(3) \approx 1.1

RC</math>

雖然一般認為當電容電壓充至VCC的2/3時電容通過OC門瞬間放電,但是實際上放電完畢仍需要一段時間,這一段時間被稱為「弛豫時間」。在實際應用中,觸發源的周期必須要大於弛豫時間與脈寬之和(實際上在工程應用中是遠大於)。[7]

雙穩態模式

雙穩態工作模式下的555芯片類似基本RS觸發器。在這一模式下,觸發引腳(引腳2)和復位引腳(引腳4)通過上拉電阻接至高電平,閾值引腳(引腳6)被直接接地,控制引腳(引腳5)通過小電容(0.01到0.1μF)接地,放電引腳(引腳7)浮空。所以當引腳2輸入高(有誤應為低)電壓時輸出置位,當引腳4接地時輸出復位。

無穩態模式

無穩態工作模式下555定時器可輸出連續的特定頻率的方波。電阻R1接在VCC與放電引腳(引腳7)之間,另一個電阻(R2)接在引腳7與觸發引腳(引腳2)之間,引腳2與閾值引腳(引腳6)短接。工作時電容通過R1與R2充電至2/3 VCC,然後輸出電壓翻轉,電容通過R2放電至1/3 VCC,之後電容重新充電,輸出電壓再次翻轉。

無穩態模式下555定時器輸出波形的頻率由R1、R2與C決定:

<math>f = \frac{1}{\ln(2) \cdot C \cdot (R_1 + 2R_2)}</math>[8]

輸出高電平時間由下式給出:

<math>\mathrm{high} = \ln(2) \cdot (R_1 + R_2) \cdot C</math>

輸出低電平時間由下式給出:

<math>\mathrm{low} = \ln(2) \cdot R_2 \cdot C</math>

R1的額定功率要大於<math>\frac{V_{cc}^{2}}{R_1}</math>.

對於雙極型555而言,若使用很小的R1會造成OC門在放電時達到飽和,使輸出波形的低電平時間遠大於上面計算的結果。

為獲得占空比小於50%的矩形波,可以通過給R2並聯一個二極管實現。這一二極管在充電時導通,短路R2,使得電源僅通過R1為電容充電;而在放電時截止以達到減小充電時間降低占空比的效果。

參數

以下為NE555的電氣參數,其他不同規格的555定時器可能會有不同的參數,請查閱數據手冊。

供電電壓(VCC) 4.5-16 V
額定工作電流(VCC = +5 V) 3-6 mA
額定工作電流(VCC = +15 V) 10-15 mA
最大輸出電流 200 mA
最大功耗 600mW
最低工作功耗 30mW(5V),225mW(15V)
溫度範圍 0-70 °C

衍生芯片

555定時器有許多不同公司生產的衍生型號,其中有引腳功能不同的型號,也有採用CMOS的設計。有的芯片中包括數個集成的555定時器。555芯片家族的其他一些型號如下:

生產廠商 型號 備註
Avago Technologies Av-555M
Custom Silicon Solutions[9] CSS555/CSS555C CMOS芯片,最低工作電壓1.2V, IDD<5µA
CEMI ULY7855
ECG Philips ECG955M
Exar XR-555
仙童 NE555/KA555
Harris HA555
IK Semicon ILC555 CMOS芯片,最低工作電壓2V
英特矽爾 SE555/NE555
英特矽爾 ICM7555 CMOS
Lithic Systems LC555
美信 ICM7555 CMOS芯片,最低工作電壓2V
摩托羅拉 MC1455/MC1555
美國國家半導體 LM1455/LM555/LM555C
美國國家半導體 LMC555 CMOS芯片,最低工作電壓1.5V
NTE Sylvania NTE955M
雷聲 RM555/RC555
RCA CA555/CA555C
意法半導體 NE555N/ K3T647
德州儀器 SN52555/SN72555
德州儀器 TLC555 CMOS芯片,最低工作電壓2V
蘇聯 K1006ВИ1
Zetex ZSCT1555 最低工作電壓0.9V
恩智浦半導體 ICM7555 CMOS
HFO / 東德 B555
日立 HA17555

556雙定時器

在一塊芯片中集成兩個555定時器的型號為556,這種芯片包括14個引腳。

參考文獻

  1. 555定時器無所不能,到底是何方神聖,各種應用介紹,每日頭條,2019-03-07
  2. 2.0 2.1 Ward, Jack (2004). The 555 Timer IC – An Interview with Hans Camenzind. The Semiconductor Museum. Retrieved 2010-04-05
  3. van Roon, Fig 3 & related text.
  4. Scherz, Paul (2000) "Practical Electronics for Inventors", p. 589. McGraw-Hill/TAB Electronics. ISBN 978-0-07-058078-7. Retrieved 2010-04-05.
  5. Jung, Walter G. (1983) "IC Timer Cookbook, Second Edition", pp. 40–41. Sams Technical Publishing; 2nd ed. ISBN 978-0-672-21932-0. Retrieved 2010-04-05.
  6. van Roon, Chapter "Monostable Mode". (Using the 555 timer as a logic clock)
  7. 存檔副本 (PDF). [2011-09-17]. (原始內容 (PDF)存檔於2011-09-11). 
  8. van Roon Chapter: "Astable operation".
  9. http://www.customsiliconsolutions.com/products-for-ASIC-solutions/standard-IC-products.aspx