555 a 556 - Základní zapojení

V tomto článku se podíváme podrobně na základní zapojení realizovaná s obvodem 555. Vysvětlíme si jejich funkci a přidáme základní vzorce.

555/556 Astabilní (AKO)
Astabilní obvod vyrábí „obdélníkový průběh“ napětí. To je digitální vlna s ostrými přechody mezi nízkou (0V) a vysokou (+Vcc) úrovní napětí. Navíc časové intervaly nízké a vysoké úrovně mohou být rozdílné. Zapojení se nazývá astabilní, protože výstupní signál není stabilně ani v jednom stavu, ale neustále se mění mezi nízkou a vysokou úrovní.

Obr. 1: Astabilní výstup 555

Obr. 2: Astabilní zapojení 555

Perioda signálu (T) je doba potřebná pro průchod signálu jedním celým cyklem. U kratších period se poté používá označení frekvence (f), což je počet cyklů za jednu sekundu.

T = perioda s sekundách [s]
f = frekvence v hercích [Hz]
R1 = odpor v ohmech [Ohm]
R2 = odpor v ohmech [Ohm]
C1 = kapacita ve faradech [F]

Perioda může být rozdělena na dvě části, na dobu kdy je výstupní signál v nízké úrovni a na dobu kdy je ve vysoké úrovni.

Vysoká úroveň na výstupu:

Nízká úroveň na výstupu:

V obvodech kde je požadována shodná doba Tm s Ts je potřeba použít odpor R2 mnohem větší než R1. V opačném případě, kdy je odpor R1 větší než R2 je zase možné výstupem budit například LED, která bude tvořit krátké záblesky s dlouhou pauzou.

Výběr R1, R2 a C1
R1 a R2 by měli být v rozmezí 1kOhm až 1MOhm. Vhodné je zvolit však nejprve kondenzátor C1, protože kondenzátory se na rozdíl od odporů nevyrábějí v příliš velkých řadách.

1) Vyberte C1, aby vyhovoval požadovanému frekvenčnímu rozsahu (použijte následující tabulku)

2) Vyberte R2 podle požadované frekvence. V případě že plánujeme použít odpor R1 mnohem menší než R2 (Tm a Ts budou téměř rovny), můžeme použít vzorec:

3) Vyberte R1, který má mít asi desetinu hodnoty R2 (minimálně však 1kOhm)

V případě že chcete použít proměnný rezistor, je vhodné aby byl na pozici odporu R2. V případě že ho přesto potřebujete umístit místo R1, je potřeba aby měl v sérii zařazen ještě pevný odpor minimálně 1kOhm (to u R2 není potřeba).

Astabilní režim
Po zapnutí je výstup ve vysoké úrovní (na úrovni Vcc) a přes sériově zapojené rezistory R1 a R2 začne být nabíjen kondenzátor C1. Dosáhne-li napětí na kondenzátoru 2/3 napájecího napětí (Vcc) (prahová hodnota) dojde k překlopení vnitřního klopného obvodu, výstup se překlopí na nízkou úroveň a kondenzátor se začne vybíjet. Nyní je kondenzátor vybíjen pouze přes rezistor R2 a pin č.7 (555) a to až do doby, kdy napětí na kondenzátoru klesne pod úroveň 1/3 napájecího napětí. V tu chvíli dojde opět k překlopení vnitřního klopného obvodu a stejně tak i výstupu zpět do vysoké úrovně a celý cyklus se opakuje.
Tento cyklus se neustále opakuje, pokud se resetovaní pin na vysoké úrovni (>0,7V).

Obr. 3: Princip astabilního zapojení

Obvod v astabilním režimu může být použit například jako generátor hodinového signálu pro logické obvody a čítače.

Nízká frekvence (<10Hz) může být použita například pro buzení LED. Piezo či reproduktor buzený tímto nízkým kmitočtem bude vydávat pouze řadu cvaknutí (jeden na každý přechod z vysoké na nízkou úroveň a zpět), to může být použito například pro vytvoření jednoduchého metronomu.

Audio frekvence (20Hz až 20kHz) může být použita ke generování zvuku. Při použití piezoměniče je vhodné zároveň použít i jeho rezonanční kmitočet (obvykle 3kHz), tím se dosáhne nejvyšší hlasitosti.

Plnění
Plnění signálu je název pro poměr délky vysoké a nízké úrovně ve výstupním signálu a je udávána v procentech [%]. Je to i mimojiné princip známé PWM modulace, kdy změnou poměru délky nízké a vysoké úrovně v signálu je možné (po následné detekci signálu například na integračním RC článku) měnit analogovou úroveň napětí lineárně od 0V do napájecího napětí.

Obr. 4: Plnění

>50%
Pro standardní 555/556 astabilní obvod je vždy délka Tm větší nebo rovna než délka Ts a tím je i plnění vždy větší nebo rovno 50%. Je to způsobeno tím, že časovací kondenzátor je nabíjen přes sériově zapojené odpory R1 a R2, avšak vybíjen je poté již jen přes R2.

Pracovní cyklus:

<50%
Potřebujeme-li dosáhnout plnění menšího než 50%, tedy aby byla délka nízké úrovňe (Ts) menší než vysoké úrovně (Tm) je potřeba paralelně s odporem R2 zapojit diodu (viz. obr.5). Tím dojde k tomu, že časovací kondenzátor je nabíjen pouze přes odpor R1 a vybíjen přes odpor R2 a je tak možné nastavit každé úrovni přesný čas.

Obr. 5: Astabilní zapojení s diodou

 (zanedbán úbytek 0,7V na diodě)

 (beze změny)

Pracovní cyklus s diodou:

Dioda může být použita libovolná, například 1N4148.

---

555/556 Monostabilní (MKO)
Monostabilní obvod vyrábí pouze jediný impuls a to hned po zapnutí. Proto se nazývá „mono“stabilní, protože je v klidovém stavu v jednom stavu (nízká úroveň na výstupu). Na vysoké úrovní je jen dočasně.
Jde tedy o klasické zapojení časovače, kdy v nasatveném čase je výstup ve vysoké úrovni a po dočasování přejde na nízkou úroveň kde setrvá až do dalšího spuštění časovače stiskem tlačítka START.

Obr. 6: Monostabilní výstup 555

Obr. 7: Monostabilní zapojení 555

Nastavená doba trvání pulsu se nazývá perioda (T), je v sekundách [s] a je určena následujícím vzorcem:

T = perioda v sekundách [s]
R1 = odpor v ohmech [Ohm]
C1 = kapacita ve faradech [F]
Maximální spolehlivá perioda u těchto obvodů je asi 10 minut.

Proč 1,1? Protože časovací kondenzátor je nabíjen na úroveň 2/3 napájecího napětí, tj. 67%. To je více než při běžné časové konstantě (R1 x R2), která je pro 63% nabití.

1) Vybereme C1 jako první.
2) Vybereme R1 pro požadovanou periodu. Hodnota R1 by měla být v rozmězí 1kOhm až 1MOhm. V případě použití proměnného rezistoru je potřeba s nim do série zapojit pevný odpor 1kOhm.

Dejte si pozor na elektrolytické kondenzátory. Jejich hodnoty mají vysokou toleranci a chyba ve výši až 20% je poměrně běžná.
Dále u elektrolytických kondenzátorů pozor na samovybíjení, které je u běžných kondenzátorů s vyšší kapacitou již poměrně vysoké a prodlužuje periodu T. Není vhodné používat obvody 555/556 pro periody delší než 10 minut. V tom případě je vhodnější zvolit kratší periodu a na výstup připojit například TTL čítač.

Monostabilní provoz
Časovací perioda začíná automaticky po zapnutí obvodu, případně po skončení předchozí je možné ji znovu spustit stiskem tlačítka START (pin č.2 u 555). V tu chvílí se výstup překlopí do vysoké úrovně (Vcc) a časovací kondenzátor začne být přes odpor R1 nabíjen. Další stisky tlačítka START v tuto chvíli jsou ignorovány.
Řídící vstup (pin č.6 u 555) v tuto chvíli hlídá napětí na stále nabíjeném časovacím kondenzátoru. Dosáhne-li toto napětí úrovně 2/3 napájecího napětí je časovací perioda u konce a výstup obvodu se překlopí do nízké úrovně. V tuto chvíli je také sepnut pin Vybíjení (pin č.7 u 555) na zem a tím dojde k vybití kondenzátoru a přípravě na další spouštěcí impuls.
Resetovaní vstup (pin č.4 u 555) resetuje celý obvod (výstup se překlopí do nízké úrovně) a vybíjí časovací kondenzátor. V případě nepoužití resetovaní funkce je potřeba na tento pin přivést kladné napětí (>0,7V).

Obr. 8: Princip monostabilního zapojení

Nastavení stavu po zapnutí
V některých případech může být vhodné definovat svůj stav obvodu po zapnutí. Toho je možné dosáhnout použitím kondenzátoru paralelně se spouštěcím/resetovacím tlačítkem či jiným spínačem.
Kondenzátor je po zapnutí vybitý a tím je na pinu zajištěna nulová hodnota. Jelikož má tento kondenzátor malou kapacitu (stačí keramický 10 – 100nF s rezistorem 10k) je poměrně rychle nabitý a tím nezdržuje vlastní funkci obvodu.

Obr. 9: Nastavení stavu po zapnutí

Spouštění pulsem
Pokud je spouštěcí vstup trvale pod úrovní 1/3 napájecího napětí (tlačítko START je trvale sepnuto), nedojde po dočasování k překlopení výstupu a na výstupu zůstane i nadále vysoká úroveň.
Toto je možné vyřešit například podle následujícího obrázku, kdy je startovací tlačítko odděleno od spouštěcího pinu kondenzátorem. Tím dojde po stisku tlačítka k nastartování obvodu krátkým pulsem a pokud bude tlačítko i nadále stisknuto, obvod to již nijak neovlivní.

Obr. 10: Spouštění pulsem

---

555/556 Bistabilní – obvod s pamětí (BKO)
Bistabilní obvod je stabilní ve dvou stavech. Výstup může být trvale přepnut jak do vysoké, tak i nízké úrovně. Takový obvod tvoří vlastně paměťovou buňku a často se nazývá i anglickým termínem „flip-flop“.

Obr. 11: Bistabilní zapojení 555

Obvod má dva vstupy:
START (pin č.2 u 555) překlápí nízkou úrovní výstup do vysoké úrovně (Vcc)
RESET (pin č.4 u 555) nízkou úrovní resetuje obvod a překlápí výstup do nízké úrovně (zem)

Hrana na těchto vstupech překlopí obvod do jedné z úrovní a ten v této úrovni vždy setrvá až do dalšího pulsu na jednom z těchto vstupů (logicky samozřejmě vždy na tom druhém).

---

555/556 Invertující budič (Schmittový trigger)
Invertující budič s velkou vstupní impedancí (cca 1MOhm). Obvodu tedy stačí nízký vstupní proud (řádu uA) a přitom může na výstupu budit zátěž proudem až 200mA.

Obr. 12: Invertující budič 555

Jde o invertující budič, případně o hradlo NOT, protože výstup má vždy opačnou úroveň než má vstup.

- Nízká úroveň na vstupu (<1/3 Vcc) = vysoká úroveň na výstupu (Vcc)
- Vysoká úroveň na vstupu (>2/3 Vcc) = nízká úroveň na výstupu (0V)

Pokud je vstupní napětí mezi 1/3 a 2/3 Vcc, zůstává výstup v jeho současném stavu. Tomu se říká hystereze. Tuto funkci má Schmittový klopný obvod.
Tato vlastnost je vhodná především na odstranění rušení, protože na překlopení výstupu z jedná úrovně do druhé je potřeba změnit úroveň napětí na vstupu minimálně o 1/3.

Zdroj: https://pandatron.cz/?490&555_a_556_-_zakladni_zapojeni