Praktická elektronika/Generátory/555

Obvod označovaný jako 555 (pět-pět-pětka) je jedním z nejgeniálnějších obvodů 20. století. Je úžasně jednoduchý a zároveň má obrovské možnosti a počet různých variací zapojení se blíží k nekonečnu.

Funkce

Vnitřní zapojení 555: dva komparátory a RS-klopný obvod

Jádrem obvodu je RS-klopný obvod a dva komparátory

RS-klopný obvod

Tento obvod pracuje jako elementární jedno-bitová paměť. Drží na svém výstupu logickou úroveň H (High – vysoký, logická 1) nebo L (Low – nízký, logická 0). Obvod má dva vstupy. S (Set – nastav) a R (Reset – vynuluj). Pokud se na S objeví, třeba jen na krátkou dobu, logická úroveň H, obvod je nastaven a udržuje na svém výstupu logickou úroveň H tak dlouho, dokud se neobjeví úroveň H na vstupu R.

Na schématu na obrázku je tento výstup negován – schematicky je to znázorněno kolečkem na výstupu. To znamená, že pokud je obvod nastaven (vstupem S) je na jeho výstupu log. úroveň L, tedy 0. Pokud je resetován (vstupem R nebo R1), je na jeho výstupu log. úroveň H, tedy 1.

Komparátory

Komparátor je obvod, který srovnává dvě napětí na svých dvou vstupech. Jeden vstup je neinvertující – kladný (na schématech se značí +), druhý je invertující – záporný (na schématech se značí - nebo kolečkem).

Pokud je neinvertující vstup kladnější (je na něm větší napětí ) než invertující, je na výstupu komparátoru kladné napětí, tj. úroveň H, 1. Pokud je to opačně, je na výstupu úroveň L, 0.

Komparátory mají vždy jeden vstup připojen k vnitřnímu odporovému děliči, který rozděluje napájecí napětí vždy přesně na třetiny a druhý vstup mají z obvodu vyveden ven (vývody 2 a 6).

Výstupní zesilovač

Další součástí je výstupní zesilovač (výstup je na vývodu 3), který je invertující. Máme tu tedy dvě inverze. Jedna je na výstupu RS-klopného obvodu, druhá je na ve výstupním zesilovači.

Funkce celku

Výsledkem je, že pokud se na vstupu 6 objeví napětí větší než ${\frac {2}{3}}$ napájecího napětí, klopný obvod je resetován, na výstupu (3) je úroveň L. Mezi klopným obvodem a výstupním zesilovačem je ale úroveň H, takže tranzistor, jehož kolektor je na vývodu 7 je otevřen.

Tento stav trvá tak dlouho, dokud na vstupu 2 neklesne napětí pod ${\frac {1}{3}}$ napájecího napětí. Potom je klopný obvod druhým komparátorem nastaven, na výstupu (3) je logická úroveň H a tranzistor je zavřen.

Kromě toho je možné obvod kdykoli resetovat přivedení úrovně L (ano opravdu L – tento vstup je negován) na vstup 4.

Vývod 5 poslouží tehdy, pokud budeme chtít změnit komparační úroveň. Pokud není použit, není dobré ho nechat jen tak nezapojený, ale je lepší ho střídavě uzemnit. Proto se tento nepoužitý vstup uzemňuje přes kondenzátor 10 nF.

Frekvenční rozsah

Obvod je schopný pracovat až do frekvencí okolo 500 kHz. Spodní limit frekvence skoro není omezen, při použití dostatečně velké kapacity kondenzátoru může obvod přepnout třeba jednou za den.

Monostabilní klopný obvod

Zapojení monostabilního klopného obvodu

Monostabilní klopný obvod (MKO) má jeden stabilní stav a jeden nestabilní stav. Trvale je ve stabilním stavu. Pokud přijde na vstup krátký spouštěcí impuls je MKO na určitou dobu překlopen do nestabilního stavu, ale po uplynutí této doby se vrací zpět do stavu stabilního.

Příkladem může být například schodišťový automat. Normálně světlo nesvítí – stabilní stav, ale když stiskneme vypínač – spouštěcí impuls, světlo se rozsvítí – překlopí se do nestabilního stavu, ale po chvíli samo zhasne.

Popis funkce

Časové průběhu na MKO. Nahoře: napětí na vstupu (2). Uprostřed: napětí na kondenzátoru (C). Dole: Napětí na výstupu (3).

Po zapnutí napájecího napětí se obvod nachází v nestabilním stavu. Kondenzátor C se nabíjí přes rezistor R. Napětí na kondenzátoru sleduje vstup 6 a když dosáhne hodnoty ${\frac {2}{3}}$ napájecího napětí, překlopí se obvod do stabilního stavu. Na výstupu je úroveň L. Tranzistor uvnitř obvodu 555 je otevřen, což znamená, že kondenzátor C je zkratován a je na něm udržováno nulové napětí.

Obvod setrvá ve stabilním stavu tak dlouho, dokud na se na vstupu 2 neklesne napětí pod ${\frac {1}{3}}$ napájecího napětí. Tento stav zachycují časové průběhy na obrázku. Tranzistor uvnitř obvodu 555 se zavře a kondenzátor C se začíná nabíjet. Ve chvíli, kdy napětí na kondenzátoru dosáhne hodnoty ${\frac {2}{3}}$ napájecího napětí, končí nestabilní stav a vše se vrací zase na začátek.

Doba trvání nestabilního stavu

Doba trvání nestabilního stavu je určena přechodným dějem RC. Pokud vše vyčíslíme, je doba trvání nestabilního stavu dána vztahem:

$t=-\tau \ln {\frac {1}{3}}$ , kde $\tau$ je tzv. časová konstanta.

$\tau =RC$

tedy: $t=-RC\ln {\frac {1}{3}}$

Astabilní klopný obvod

Zapojení astabilního klopného obvodu

Astabilní klopný obvod (AKO) má dva nestabilní stavy. Tyto stavy se neustále střídají, takže obvod funguje jako generátor obdélníkového průběhu.

Doba trvání obou nestabilních stavů je dána přechodným dějem RC. Doba trvání jednoho nestabilního stavu je dána dobou, za kterou se kondenzátor C nabije z 1/3 napájecího napětí na 2/3 napájecího napětí. Doba trvání druhého nestabilního stavu je naopak dána dobou za kterou se kondenzátor vybije z 2/3 napájecího napětí na 1/3. Tato doba je v obou případech:

$t=\tau \cdot \ln 2$

Kondenzátor nabíjí přes rezistor R_a a R_b. Proto časová konstanta $\tau$ určující nabíjení je:

$\tau _{H}=(R_{a}+R_{b})C$

Vybíjení kondenzátoru se děje jen přes rezistor R_b. Proto je časová konstanta určující druhý nestabilní stav:

$\tau _{L}=R_{b}C$

Z uvedeného vyplývá, že doba trvání prvního nestabilního stavu musí být vždy delší, než doba trvání druhého nestabilního stavu, protože R_a nesmí být nulový, kvůli omezení proudu do DISCH výrobci doporučují nejméně 1kOhm. Frekvence kmitání AKO je určena vztahem:

$f={\frac {1}{(R_{a}+2R_{b})C\cdot \ln 2}}$

Funkce

Časové průběhy na astabilním klopném obvodu. Nahoře: výstupní napětí (3). Dole: napětí na kondenzátoru C (2,6).

Časovač 555 v tomto zapojení pracuje jako multivibrátor – generuje pravidelné kmity obdélníkového průběhu. Po připojení napájecího napětí se začne kondenzátor C nabíjet přes rezistory R_a a R_b, během tohoto procesu je na výstupu (3) logická úroveň H. Spojené vstupy 2 a 6, snímají napětí na kondenzátoru C a jakmile dosáhne 2/3 napájecího napětí, obvod překlopí, na výstupu se objeví úroveň L a kondenzátor se začne vývodem vybíjení (7) přes rezistor R_b vybíjet.

To trvá tak dlouho dokud, jeho napětí nedosáhne 1/3 napájecího napětí. V ten okamžik se obvod opět překlopí, tranzistor na vývodu 7 se zavře (přestane vybíjet kondenzátor) a kondenzátor se znovu nabíjí přes R_a a R_b. Celý děj se opakuje dokud je přítomno napájecí napětí.

Externí odkazy

Encyklopedický článek NE555 ve Wikipedii