Διαβάζοντας το άρθρο που ακολουθεί θα μάθετε για τις βασικές λειτουργίες του διάσημου χρονιστή (timer) 555. Αφού εξοικειωθείτε με τα βασικά, μπορείτε να ανατρέξετε στην ενότητα των κυκλωμάτων με το 555 για να μάθετε ακόμη περισσότερα και να πειραματιστείτε με διάφορα κυκλώματα που βασίζονται στο δημοφιλή χρονιστή.

Εισαγωγή

Βασικές συνδεσμολογίες


Εισαγωγή

Ο “χρονιστής 555” είναι ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα (τσιπ) που έχει καθιερωθεί ως «πρότυπο» από τη δεκαετία του 1980. Το 555 παράγεται από πολλές εταιρείες εδώ και 40 χρόνια και είναι ακόμη πολύ δημοφιλές λόγω του χαμηλού του κόστους, της ευελιξίας και της σταθερότητάς του. Κατά βάση, το 555 μπορεί να δουλέψει ως ασταθής πολυδονητής (ταλαντωτής) και ως γεννήτρια παραγωγής παλμών ρυθμιζόμενου εύρους. Για να δουλέψει ως ταλαντωτής χρειάζεται μόνο 3 με 4 εξωτερικά εξαρτήματα και ο κύκλος λειτουργίας του μπορεί να ρυθμιστεί. Κάποιες ενδεικτικές εφαρμογές στις οποίες μπορεί να χρησιμοποιηθεί το 555 περιλαμβάνουν κυκλώματα παραγωγής χρονικής καθυστέρησης, παραγωγή και μορφοποίηση παλμών, γεννήτριες παλμοσειρών και γεννήτριες παραγωγής ακουστικών τόνων, ταλαντωτές χρονισμού, συναγερμοί, ρολόγια, αναλογικοί διαιρέτες συχνότητας, παλμοτροφοδοτικά και κυκλώματα μετατροπής ισχύος, κυκλώματα φωτεινής σήμανσης, γεννήτριες κυματομορφών και η λίστα των εφαρμογών περιλαμβάνει γενικά όλα τα κυκλώματα που απαιτούν κάποιου είδους χρονισμό που είναι πρακτικά αναρίθμητα.

Στη βασική του έκδοση, το 555 είναι ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα 8 ακροδεκτών σε κέλυφος DIP. Υπάρχουν 2 βασικές παραλλαγές, η εκδοχή ΝΕ και η εκδοχή SE. Και οι δύο παραλλαγές είναι ίδιες σε όλα τους τα χαρακτηριστικά εκτός από τη περιοχή θερμοκρασιών που μπορούν να λειτουργήσουν. Η έκδοση NE έχει εγγυημένη λειτουργία στην περιοχή θερμοκρασιών από 0 έως 70o C ενώ η έκδοση SE προορίζεται για πιο «ακραία περιβάλλοντα» και μπορεί να λειτουργήσει από τους -55o C έως και τους +125o C. Η μέγιστη εγγυημένη τάση λειτουργίας του 555 είναι τα 15V αλλά πρακτικά «αντέχει» έως και 18V ενώ η μέγιστη επιτρεπόμενη κατανάλωση ισχύος είναι τα 600 mW.

Το 555 αποτελείται εσωτερικά από περίπου 25 τρανζίστορ, 2 διόδους και περίπου 16 αντιστάσεις που υλοποιούν δύο συγκριτές, ένα RS φλιπ-φλοπ και μία βαθμίδα εξόδου που μπορεί να παρέχει σχετικά υψηλό ρεύμα έως και 200mA. Εκτός από τις βασικές εκδόσεις NE και SE του 555 υπάρχουν και εκδόσεις CMOS, όπως το 7555 και το LMC7555 που περιέχουν εσωτερικά τρανζίστορ τύπου MOSFET αντί για τα κλασσικά διπολικά τρανζίστορ της βασικής έκδοσης. Οι CMOS εκδόσεις προσφέρουν πολύ χαμηλή κατανάλωση ισχύος. Υπάρχει επίσης και το ολοκληρωμένο 556 που είναι στην πράξη ένα διπλό 555 (περιέχει εσωτερικά δύο 555 σε ένα κέλυφος DIP των 14ων ακροδεκτών).

Το διάγραμμα βαθμίδων του 555
Εικόνα 1. Το διάγραμμα βαθμίδων του 555

Οι δύο συγκριτές που περιέχει εσωτερικά το 555 χρησιμοποιούν δύο τάσεις αναφοράς. Οι τάσεις αυτές παράγονται από έναν εσωτερικό διαιρέτη τάσης που σχηματίζεται από 3εις ίδιες αντιστάσεις των 5K και πολλοί συμφωνούν ότι η ονομασία «555» προήλθε από τις τρεις αυτές αντιστάσεις. Ο ένας από τους δύο συγκριτές είναι ο συγκριτής εκκίνησης (trigger) και η τάση αναφοράς που χρησιμοποιεί είναι το ένα τρίτο της τάσης τροφοδοσίας (Vcc/3) ενώ ο δεύτερος συγκριτής είναι ο συγκριτής επαναφοράς (threshold) που χρησιμοποιεί μία τάση αναφοράς ίση με 2Vcc/3 (τα δύο τρίτα της τάσης τροφοδοσίας). Οι δύο συγκριτές ελέγχουν το φλιπ-φλοπ που υπάρχει εσωτερικά στο 555 και καθορίζουν την λογική κατάσταση της εξόδου.

  • Το δικτύωμα των τριών αντιστάσεων 5-5-5K αποτελείται από 3εις όμοιες αντιστάσεις και λειτουργεί ως διαιρέτης τάσης.
  • Ο συγκριτής επαναφοράς (threshold) συγκρίνει την εξωτερική τάση επαναφοράς (threshold) με μια τάση αναφοράς που είναι ίση με 2Vcc/3 (τα δύο τρίτα της τάσης τροφοδοσίας).
  • Ο συγκριτής εκκίνησης (trigger) συγκρίνει την εξωτερική τάση εκκίνησης (trigger) με μία τάση αναφοράς που είναι με Vcc/3 (το ένα τρίτο της τάσης τροφοδοσίας).
  • Το τρανζίστορ T1 που βρίσκεται εσωτερικά στο 555 λειτουργεί ως διακόπτης και μεταβαίνει στον κόρο (on) ή στην αποκοπή (off) σύμφωνα με την λογική κατάσταση στην έξοδο του φλιπ-φλοπ. Το τρανζίστορ Τ1 μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να εκφορτίζει περιοδικά κάποιον πυκνωτή που συνδέεται εξωτερικά.

Οι 8 ακροδέκτες του 555 είναι :

  • Ακροδέκτης 1. Ground – Γείωση. Ο ακροδέκτης της γείωσης συνδέει το 555 με τη στάθμη αναφοράς των 0V (γη) – είναι πρακτικά ο ακροδέκτης που συνδέεται στον αρνητικό πόλο της πηγής τροφοδοσίας.
  • Ακροδέκτης 2. Trigger – Εκκίνηση. Συνδέεται με την αναστρέφουσα είσοδο του συγκριτή εκκίνησης (trigger). Ένα αρνητικό μέτωπο παλμού στον ακροδέκτη 2 (δηλαδή πτώση τάσης κάτω από το 1/3 Vcc) θέτει την έξοδο σε λογική στάθμη 1.
  • Ακροδέκτης 3. – Output – Έξοδος. Είναι ο ακροδέκτης εξόδου που μπορεί να οδηγήσει οποιοδήποτε TTL κύκλωμα ή οποιοδήποτε άλλο κύκλωμα με ρεύμα έως και 200mA. Η έξοδος παρέχεται από ένα κύκλωμα οδήγησης που συγχρόνως λειτουργεί ως αναστροφέας και  χρησιμοποιεί την συμπληρωματική αρχιτεκτονική τύπου push-pull. Η έξοδος παρέχει λογική στάθμη 0 που αντιστοιχεί περίπου σε 0V και λογική στάθμη 1 σε μία τάση που είναι περίπου 1.7V μικρότερη από την τάση τροφοδοσίας (είναι δηλαδή ίση με Vcc – 1.7V). (Σημείωση: Πολλές CMOS εκδόσεις του 555 παρέχουν στην έξοδο στάθμες που αντιστοιχούν στις ακραίες τιμές 0V και στην στάθμη τροφοδοσίας VCC)
  • Ακροδέκτης 4. – Reset – Μηδενισμός. Είναι η ασύγχρονη είσοδος μηδενισμού που ενεργοποιείται με αρνητική λογική (με λογικό 0) και όταν ενεργοποιηθεί θέτει την έξοδο σε λογική κατάσταση 0. Συνήθως ο ακροδέκτης 4 δεν χρησιμοποιείται στις περισσότερες εφαρμογές και συνδέεται μόνιμα στην τάση τροφοδοσίας για να παραμένει μόνιμα «ανενεργός» σε στάθμη λογικού -1.
  • Ακροδέκτης 5. Control Voltage – Τάση ελέγχου. Σε αυτό τον ακροδέκτη μπορούμε να εφαρμόσουμε μία τάση για να τροποποιήσουμε την εσωτερική στάθμη αναφοράς των 2Vcc/3. Η τάση ελέγχου μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε εφαρμογές όπου επιθυμούμε να τροποποιήσουμε το εύρος των παραγόμενων παλμών ανεξάρτητα από τις τιμές των εξωτερικών εξαρτημάτων. Επομένως, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να διαμορφώσουμε παλμούς κατά πλάτος ή για να παράγουμε διαμόρφωση fm (διαμόρφωση συχνότητας)  Σε εφαρμογές όπου ο ακροδέκτης 5 δεν χρησιμοποιείται δεν θα πρέπει να παραμένει ασύνδετος (στον αέρα) αλλά θα πρέπει να γειώνεται με έναν πυκνωτή των 10 nF ( τύπου φιλμ ή κεραμικό) προκειμένου να καταστέλλεται οποιαδήποτε τάση θορύβου που θα μπορούσε να επαχθεί από το περιβάλλον.
  • Ακροδέκτης 6. Threshold - Επαναφορά. Συνδέεται με την αναστρέφουσα είσοδο του συγκριτή επαναφοράς (threshold comparator). Ένα θετικό μέτωπο παλμού στον ακροδέκτη 6 (δηλαδή άνοδος της τάσης πάνω από το 2Vcc/3) θέτει την έξοδο σε λογική στάθμη 0. 
  • Ακροδέκτης 7. Discharge - Εκφόρτιση.  Ο ακροδέκτης 7 είναι συνδεμένος με το συλλέκτη του εσωτερικού NPN τρανζίστορ (T1) και μπορεί να χρησιμοποιηθεί  για να εκφορτίζει κάποιον πυκνωτή που συνδέεται εξωτερικά. Αυτό υφίσταται διότι το Τ1 δουλεύει ως διακόπτης που ελέγχεται από την έξοδο του 555 και βρίσκεται σε φάση με την έξοδο (δηλαδή το ταρανζίστορ είναι on και off όταν η έξοδος είναι σε λογική στάθμη1 και 0, αντίστοιχα)
  • Ακροδέκτης 8. Positive supply (+Vcc) -Τροφοδοσία. Σε αυτόν τον ακροδέκτη συνδέεται η τροφοδοσία (δηλαδή ο θετικός πόλος της πηγής τροφοδοσίας). Η εγγυημένη τάση λειτουργίας του 555 για τις κλασσικές εκδόσεις είναι από 4.5 έως 15 V (μερικές εταιρείες παράγουν 555 που λειτουργούν έως τα 16 ή τα 18 V), ωστόσο τα περισσότερα 555 μπορούν να λειτουργήσουν ακόμη και με 3V. (Σημείωση: Οι CMOS εκδόσεις μπορούν να λειτουργήσουν με ακόμη μικρότερες τάσεις τροφοδοσίας.) Συνίσταται, στον ακροδέκτη 8 να συνδέεται πάντοτε ένας πυκνωτής απόζευξης της τάξης των 100 nF, όσο το δυνατό εγγύτερα, για να φιλτράρει την τάση και να αποτρέπει συγχρόνως την επαγωγή θορύβου στη γραμμή της τροφοδοσίας. Το ένα άκρο του πυκνωτή απόζευξης θα πρέπει να συνδέεται στη γη (για να γειώνεται ο θόρυβος υψηλής συχνότητας) και όσο το δυνατό πιο κοντά στον ακροδέκτη 1 της γείωσης.

Βασικές συνδεσμολογίες

Υπάρχουν τρεις βασικές συνδεσμολογίες για το 555:

  1. Aσταθής πολυδονητής. Σε αυτή τη συνδεσμολογία το 555 μπορεί να λειτουργήσει ως ταλαντωτής.
  2. Μονοσταθής. Σε αυτή τη συνδεσμολογία το 555 λειτουργεί ως γεννήτρια μίας – βολής (one-shot). Δηλαδή μπορεί να παράγει έναν παλμό συγκεκριμένης διάρκειας σε κάθε διέγερση (trigger).
  3. Δισταθής (συγκριτής Schmitt). Σε αυτή τη συνδεσμολογία, το 555 μπορεί να λειτουργήσει σαν ένας μανταλωτής (μνήμη 1 bit) ή ως συγγκριτής με υστέρηση (Schmitt trigger).

Σε συνδεσμολογία ασταθούς πολυδονητή το 555 μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως γεννήτρια παλμών, για παραγωγή ακουστικών συχνοτήτων, σε χρονισμό ρολογιών, σε κυκλώματα που αναβοσβήνουν λυχνίες ή LED (flashers) και μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί και ως αισθητήρας (για παράδειγμα, αν χρησιμοποιηθεί ένα θερμίστορ ή μία φωτοαντίσταση, μπορεί να φτιαχτεί ένας ταλαντωτής μεταβαλλόμενης συχνότητας, του οποίου η συχνότητα θα εξαρτάται από τη θερμοκρασία ή την ένταση του φωτός στον περιβάλλοντα χώρο.) Σε συνδεσμολογία μονοσταθούς, το 555 μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως χρονιστής, ως αναλογικός διαιρέτης συχνότητας, για ανίχνευση παλμών, για καταστολή αναπήδησης σε μηχανικούς διακόπτες, για διαμόρφωση PWM και άλλα. Σε λειτουργία δισταθούς, το 555 μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ένα απλό φλιπ-φλοπ, ως συγκριτής με υστέρηση σε αισθητήρες (για παράδειγμα σε θερμοστάτη), για κατασκευή διακοπτών χωρίς αναπήδηση κ.α.


Ασταθής πολυδονητής

Το 555 μπορεί να λειτουργήσει ως ασταθής πολυδονητής (ταλαντωτής) αν συνδεθεί όπως στην εικόνα 2. Σε λειτουργία ταλαντωτή, ο ακροδέκτης trigger και ο ακροδέκτης threshold ενώνονται μεταξύ τους. Τη στιγμή που η έξοδος του 555 βρίσκεται σε λογικό 1, το εσωτερικό τρανζίστορ Τ1 βρίσκεται σε αποκοπή (δεν άγει) και ο πυκνωτής C1 φορτίζεται από την τάση τροφοδοσίας μέσω των αντιστάσεων RA και RB.

Το 555 ως ασταθής πολυδονητής
Εικόνα 2. Το 555 ως ασταθής πολυδονητής

Κατά τη διάρκεια της φόρτισης, η τάση στα άκρα του πυκνωτή αυξάνεται και τείνει να προσεγγίσει ασυμπτωτικά την τάση τροφοδοσίας. Η φόρτιση γίνεται με σταθερά χρόνου (RA+RB)×C1 διότι ο πυκνωτής φορτίζεται με το ρεύμα που διέρχεται μέσω των αντιστάσεων RA και RB. Καθώς η τάση αυξάνεται κατά τη διάρκεια της φόρτισης του C1, κάποια στιγμή προσεγγίζει την τιμή των 2Vcc/3 (τα δύο τρίτα της τάσης τροφοδοσίας) και τότε η έξοδος του συγκριτή threshold μεταβαίνει σε λογικό 1 και μηδενίζει το RS φλιπ-φλοπ, με αποτέλεσμα η έξοδος του 555 να μεταβαίνει σε λογικό 0. Μόλις η  έξοδος του 555 μεταβεί σε λογικό 0, το τρανζίστορ Τ1 μεταβαίνει στον κόρο και λειτουργώντας ως κλειστός πλέον διακόπτης προκαλεί την εκφόρτιση του C1 μέσω της αντίστασης RB προς τη γη.

Οι κυματομορφές που εμφανίζονται στο κύκλωμα του ασταθούς πολυδονητή
Εικόνα 3. Οι κυματομορφές που εμφανίζονται στο κύκλωμα του ασταθούς πολυδονητή

Καθώς ο C1 εκφορτίζεται, η τάση VC1 στα άκρα του μειώνεται και τείνει ασυμπτωτικά προς το μηδέν (γη). Καθώς μειώνεται η τάση VC1 κατά την εκφόρτιση, κάποια στιγμή (πριν ακόμη φθάσει στο μηδέν) προσεγγίζει την τιμή Vcc/3 (το ένα τρίτο της τάσης τροφοδοσίας) και τότε η έξοδος του συγκριτή trigger μεταβαίνει σε λογικό 1 και αναγκάζει το φλιπ-φλοπ και επομένως και την έξοδο του 555 να μεταβεί σε λογικό 1. Κατόπι, το Τ1 μεταβαίνει σε αποκοπή, ο C1 αρχίζει να φορτίζεται και πάλι και ο κύκλος επαναλαμβάνεται αενάως.

Στον παραπάνω κύκλο, η έξοδος του 555 βρίσκεται σε λογικό 1 κατά το χρόνο που η τάση VC1, στα άκρα του πυκνωτή, αυξάνεται από την τιμή Vcc/3 στην τιμή 2Vcc/3 και η έξοδος του 555 βρίσκεται σε λογικό 0 στο χρόνο που η τάση VC1 μειώνεται από 2Vcc/3 σε Vcc/3.

Τη στιγμή που η έξοδος του 555  βρίσκεται σε λογικό 1, ο πυκνωτής C1 φορτίζεται και το ισοδύναμο κύκλωμα της φόρτισης έχει ως παρακάτω:

Το ισοδύναμο κύκλωμα της φόρτισης του C1
Εικόνα 4. Το ισοδύναμο κύκλωμα της φόρτισης του C1


Γνωρίζουμε ότι για το ρεύμα μετατόπισης IC, που ρέει εντός ενός πυκνωτή C, ισχύει ότι IC=C×dVc/dt (δηλαδή το ρεύμα είναι ανάλογο του ρυθμού μεταβολής της τάσης στα άκρα του πυκνωτή).

Για το κύκλωμα της εικόνας 4, είναι:

IC1=C1×dVC1/dt=(Vcc-VC1)/(RA+RB)

(1)

Θεωρώντας ότι ο κύκλος ξεκινά τη χρονική στιγμή t=0 που η τάση στα άκρα του πυκνωτή έχει την τιμή Vcc/3, μπορούμε να γράψουμε ότι:

VC1(t=0)=Vcc/3

(2)

Η εξίσωση (1) είναι μία γραμμική διαφορική εξίσωση πρώτης τάσης. Λαμβάνοντας υπόψη την αρχική συνθήκη που ορίζεται από την εξίσωση (2), μπορούμε να βρούμε τη λύση της (1), η οποία είναι:

VC1(t)=Vcc – (2Vcc/3)×exp[-t/(RA+RB)×C1]

(3)

Η έξοδος του 555 βρίσκεται σε λογικό 1 για χρόνο tH. Ο χρόνος tH, είναι ο χρόνος που απαιτείται για να αυξηθεί η τάση VC1(t) έως την τιμή 2Vcc/3. Επομένως, μπορούμε να υπολογίσουμε το χρόνο tH, αν θέσουμε  VC1(t)=2Vcc/3 στην εξίσωση (3). Δηλαδή,

2Vcc/3 = Vcc – (2Vcc/3)×exp[-tH/(RA+RB)×C1]

(4)

που είναι ισοδύναμο με

tH = C1×(RA + RB)×In2 = 0.693×(RA + RB)×C1

(5)

Το ισοδύναμο κύκλωμα εκφόρτισης του πυκνωτή C1, τη στιγμή που η έξοδος του 555 είναι σε λογικό 0, είναι το παρακάτω:

Το ισοδύναμο κυκλωμα εκφόρτισης του C1
Εικόνα 5. Το ισοδύναμο κυκλωμα εκφόρτισης του C1


Για το κύκλωμα εκφόρτισης (εικόνα 5), έχουμε:

C1×dVC1/dt+VC1/(RB+RE)=0

(6)

και

VC1(t=0)=2Vcc/3

(7)

Λαμβάνοντας υπόψη την αρχική συνθήκη που ορίζεται από την εξίσωση (7), μπορούμε να βρούμε τη λύση της (6), η οποία είναι:

VC1(t)=(2Vcc/3)×exp[-t/(RB+RE)×C1]

(8)

Η έξοδος του 555 βρίσκεται σε λογικό 0 για χρόνο tL. Ο χρόνος tL, είναι ο χρόνος που απαιτείται για να μειωθεί η τάση VC1(t) έως την τιμή Vcc/3. Επομένως, μπορούμε να υπολογίσουμε το χρόνο tL, αν θέσουμε  VC1(t)=Vcc/3 στην εξίσωση (8). Δηλαδή,

Vcc/3=(2Vcc/3)×exp[-tL/(RB+RE)×C1]

(9)

που είναι ισοδύναμο με

tL = C1×(RB + RE)×In2 = 0.693×(RB + RE)×C1

(10)

Η αντίσταση RE που παρουσιάζει το Τ1 ως κλειστός διακόπτης, είναι τυπικά πολύ μικρότερη από την RB (RB>>RE), επομένως η εξίσωση (10) μπορεί να απλοποιηθεί περαιτέρω και να γίνει όπως στην (11):

tL=0.693×RB×C1

(11)

Η περίοδος λειτουργίας του ταλαντωτή Τ,  δίνεται από το άθροισμα των χρόνων tH και tL και είναι ίση με

T=tH+tL=0.693×(RA+RB)×C1+0.693×RB×C1=0.693×(RA+2RB)×C1

(12)

Η συχνότητα του ταλαντωτή f, είναι το αντίστροφο της περιόδου λειτουργίας και επομένως είναι ίση με:

f=1/T=1.44/[(RA+2RB)×C1]

(13)

Εκτός από την περίοδο και τη συχνότητα, υπάρχει κι ένα ακόμη μέγεθος που χαρακτηρίζει τη λειτουργία του ταλαντωτή. Πρόκειται για τον κύκλο λειτουργίας - Duty Cycle, που ορίζεται ως ο  λόγος του χρόνου κατά τον οποίο η κυματομορφή εξόδου είναι "ON" (χρόνος tΗ) προς την περίοδο Τ. Ο κύκλος λειτουργίας DT, για τον ασταθή πολυδονητή με το 555 είναι:

DT=tH/T=tH/(tH+tL)=(RA+RB)/(RA+2RB) %

(14)

Το μέγεθος Duty Cycle δεν έχει μονάδες διότι είναι λόγος δύο χρόνων, αλλά συνήθως εκφράζεται ως ένα ποσοστό επί της εκατό ( % ).

Δεδομένου ότι η φόρτιση του πυκνωτή C1 γίνεται μέσω του εν σειρά συνδυασμού των αντιστάσεων RA και RB ενώ η εκφόρτιση γίνεται μέσω μόνο της RB, ο κύκλος λειτουργίας για το 555 λαμβάνει τιμές από 50 έως 100% και εξαρτάται από την τιμή της RB σε σχέση με την RA. Καθώς μειώνεται η τιμή της RB, ο κύκλος λειτουργίας αυξάνεται προς το 100% ενώ καθώς αυξάνεται η τιμή της RB, ο κύκλος λειτουργίας μειώνεται προς το 50%.

Στο βασικό κύκλωμα του ασταθή πολυδονητή με το 555 που έχουμε παρουσιάσει στην εικόνα 2, ο κύκλος λειτουργίας δεν μπορεί ποτέ να γίνει μικρότερος από 50%, καθώς η παρουσία της RB δεν το επιτρέπει. Με άλλα λόγια, δεν μπορούμε να κάνουμε τον χρόνο tH κατά τον οποίο η έξοδος είναι “ON”, μικρότερο από τον χρόνο tL, κατά τον οποίο η έξοδος είναι “OFF” δεδομένου ότι η σταθερά φόρτισης (RA + RB)*C1 είναι πάντοτε μεγαλύτερη από τη σταθερά εκφόρτισης RB *C1. Ωστόσο, αυτό το μικρό «πρόβλημα» με το 555 μπορεί να επιλυθεί αν κάνουμε μερικές τροποποιήσεις στο βασικό κύκλωμα. Οι τροποποιήσεις συνήθως αφορούν την χρήση κάποιον διόδων «παράκαμψης» (bypass) με τις οποίες μπορούμε να ρυθμίσουμε διαφορετικούς «δρόμους» φόρτισης και εκφόρτισης για τον πυκνωτή C1. 


Μονοσταθής

Σε λειτουργία μονοσταθούς το 555 συμπεριφέρεται ως κύκλωμα μίας βολής (one shot). Η συνδεσμολογία μονοσταθούς και οι σχετικές κυματομορφές παρουσιάζονται στις εικόνες 6-1 και 6-2.

Το 555 σε μονοσταθή λειτουργία
Εικόνα 6-1. Το 555 σε μονοσταθή λειτουργία

Ο πυκνωτής C1 παραμένει αφόρτιστος όσο το τρανζίστορ T1, στο εσωτερικό του 555, είναι στον κόρο και η έξοδος παραμένει σε λογικό 0. Μόλις εφαρμοστεί ένα αρνητικό μέτωπο παλμού στον ακροδέκτη 2, το flip-flop αλλάζει κατάσταση, η έξοδος μεταβαίνει σε λογικό 1 και το τρανζίστορ Τ1 μεταβαίνει σε αποκοπή. Τότε, ο πυκνωτής C1 αρχίζει να φορτίζεται. Η τάση στα άκρα του πυκνωτή αυξάνεται και τείνει ασυμπτωτικά στην τάση τροφοδοσίας Vcc καθώς ο C1 φορτίζεται με σταθερά χρόνου RT×C1 μέσω της RT.  Κάποια στιγμή, η τάση στα άκρα του πυκνωτή φθάνει στην τιμή 2Vcc/3. Τότε, ο συγκριτής threshold μηδενίζει το flip-flop, η έξοδος του 555 μεταβαίνει σε λογικό 0, το τρανζίστορ Τ1 μεταβαίνει στον κόρο και εκφορτίζει τον πυκνωτή  C1. Η λογική κατάσταση 0 αποτελεί την σταθερή κατάσταση του κυκλώματος στην οποία το κύκλωμα παραμένει έως το επόμενο αρνητικό μέτωπο παλμού στον ακροδέκτη 2 του 555.

Όσο μεγαλύτερο είναι το γινόμενο RT×C1, τόσο περισσότερος χρόνος χρειάζεται για να φορτιστεί ο C1 και η τάση στα άκρα του να φθάσει στην τιμή 2Vcc/3. Με άλλα λόγια, η σταθερά χρόνου RT×C1 είναι αυτή που καθορίζει τη διάρκεια του παραγόμενου θετικού παλμού στην έξοδο (δηλαδή για πόσο χρόνο η έξοδος βρίσκεται στη μεταβατική κατάσταση του λογικού 1).

Οι εμφανιζόμενες κυματομορφές σε μονοσταθή λειτουργία
Εικόνα 6-2. Οι εμφανιζόμενες κυματομορφές σε μονοσταθή λειτουργία

Όπως ήδη έχουμε πει, το κύκλωμα του μονοσταθούς παράγει έναν θετικό παλμό στην έξοδο όταν εφαρμοστεί ένα αρνητικό μέτωπο παλμού στον ακροδέκτη 2 του 555. Λέγοντας αρνητικό μέτωπο εννοούμε ότι η τάση που εφαρμόζεται στον ακροδέκτη 2 μεταβαίνει από μια σχετικά υψηλή τιμή σε μία τιμή που είναι μικρότερη από Vcc/3. Το αρνητικό μέτωπο παλμού στον ακροδέκτη 2 αποτελεί το έναυσμα για την παραγωγή ενός και μόνο παλμού στην έξοδο, η διάρκεια του οποίου εξαρτάται από τη σταθερά χρόνου RT×C1. Εδώ θα πρέπει να τονίσουμε ότι μόλις δοθεί το έναυσμα, το κύκλωμα μεταβαίνει στη μεταβατική κατάσταση και παραμένει σε αυτή έως ότου συμπληρωθεί ένα συγκεκριμένο χρονικό διάστημα που ορίζεται από τη σταθερά χρόνου RT×C1 και το κύκλωμα δεν επηρεάζεται από τυχόν νέο αρνητικό παλμό που θα εφαρμοστεί στον ακροδέκτη 2 στη διάρκεια αυτού του συγκεκριμένου χρονικού διαστήματος.

Τη στιγμή που η έξοδος του 555  βρίσκεται σε λογικό 1, ο πυκνωτής C1 φορτίζεται και το ισοδύναμο κύκλωμα της φόρτισης έχει ως παρακάτω:

Το ισοδύναμο κυκλωμα φόρτισης του C1 σε λειτουργία μονοσταθούς
Εικόνα 7. Το ισοδύναμο κυκλωμα φόρτισης του C1 σε λειτουργία μονοσταθούς

Γνωρίζουμε ότι για το ρεύμα μετατόπισης IC, που ρέει εντός ενός πυκνωτή C, ισχύει ότι IC=C×dVc/dt (δηλαδή το ρεύμα είναι ανάλογο του ρυθμού μεταβολής της τάσης στα άκρα του πυκνωτή).

Για το κύκλωμα της εικόνας 7, είναι:

IC1=C1×dVC1/dt=(Vcc-VC1)/RT

(15)

Γνωρίζουμε επίσης ότι αρχικά ο πυκνωτής C1 είναι αφόρτιστος, δηλαδή:

VC1(t=0)=0

(16)

Η εξίσωση (15) είναι μία γραμμική διαφορική εξίσωση πρώτης τάσης. Λαμβάνοντας υπόψη την αρχική συνθήκη που ορίζεται από την εξίσωση (16), μπορούμε να βρούμε τη λύση της (15), η οποία είναι:

VC1(t)=Vcc – Vcc×exp[-t/(RT)×C1]

(17)

Αν αντικαταστήσουμε όπου VC1 = 2Vcc/3 στην παραπάνω σχέση, μπορούμε να υπολογίσουμε το χρόνο tH, που χρειάζεται ο πυκνωτής C1 για να φορτιστεί από το 0 έως 2Vcc/3:

2Vcc/3 = Vcc – Vcc×exp[-tH/(RT)×C1] or tH = RT×C1×ln 3 = 1.0986 ×C1

(18)

Ο χρόνος tH , είναι ουσιαστικά ο χρόνος που διαρκεί η μεταβατική κατάσταση στην έξοδο, δηλαδή ο χρόνος που διαρκεί ο παραγόμενος παλμός. Επομένως, ο παραγόμενος παλμός διαρκεί :

tH≈ 1.1× RT×C1

(19)


Δισταθής

Το 555 μπορεί επίσης να λειτουργήσει και ως δισταθές, δηλαδή ως ένα απλό  flip-flop με δύο σταθερές καταστάσεις. Σε μια τέτοια περίπτωση, ενδέχεται να πλεονεκτεί σε σχέση με ένα απλό flip-flop όσον αφορά το γεγονός ότι το 555 μπορεί να δουλέψει σε μεγάλο εύρος τάσεων και επιπλέον μπορεί να παρέχει σχετικά μεγάλο ρεύμα στην έξοδο (έως 200mA). Επιπλέον, χρειάζεται μόνο ένας εξωτερικός πυκνωτής για να δουλέψει το 555 ως δισταθές και μάλιστα αυτός ο πυκνωτής χρειάζεται μόνο σε περιβάλλοντα που ενδέχεται να υπάρχει θόρυβος.

Η βασική συνδεσμολογία του 555 για να δουλέψει ως δισταθές φαίνεται στην εικόνα 8:

Το 555 σε δισταθή λειτουργία
Εικόνα 8. Το 555 σε δισταθή λειτουργία

Όπως φαίνεται στην εικόνα 5, ένα αρνητικό μέτωπο παλμού στον ακροδέκτη 2 μηδενίζει το flip-flop και θέτει την έξοδο σε λογική κατάσταση 0. Απεναντίας, αν εφαρμοστεί ένας θετικός παλμός στον ακροδέκτη 6, η έξοδος μεταβαίνει σε λογικό 1.

Εκτός από τη βασική συνδεσμολογία της εικόνας 8, υπάρχει και μία εναλλακτική συνδεσμολογία δισταθούς που παρουσιάζεται στην εικόνα 9. Σε αυτή τη συνδεσμολογία οι ακροδέκτες 2 και 6 του 555 είναι συνδεμένοι μεταξύ τους και πολώνονται από τον διαιρέτη τάσης R1 και R2. Αυτή η συνδεσμολογία είναι επίσης ένα δισταθές κύκλωμα αλλά είναι επίσης και ένας συγκριτής με υστέρηση (Schmitt trigger).

Το 555 timer σε λειτουργία Schmitt trigger (συγκριτής με υστέρηση)
Εικόνα 9. Το 555 timer σε λειτουργία Schmitt trigger (συγκριτής με υστέρηση)

Τα όρια λειτουργίας του συγκριτή με υστέρηση καθορίζονται από το εσωτερικό δικτύωμα των αντιστάσεων 5-5-5K που βρίσκεται στο εσωτερικό του 555  και είναι οι τιμές 2Vcc/3 και Vcc/3. Αν επιλέξουμε οι R1 και η R2 να είναι ίσες, τότε μπορούμε να πολώσουμε τους ακροδέκτες 2 και 6, στο μισό της τάσης τροφοδοσίας (Vcc/2) που βρίσκεται ακριβώς στο μέσο των ορίων 2Vcc/3 και Vcc/3. Μπορούμε επίσης να πολώσουμε τους ακροδέκτες 2 και 6 και σε διαφορετική τάση, επιλέγοντας διαφορετικό λόγο αντιστάσεων R1 και R2, αλλά η τάση πόλωσης θα πρέπει να βρίσκεται πάντοτε εντός των ορίων 2Vcc/3 και Vcc/3.

Αν τώρα εφαρμόσουμε ένα σήμα εισόδου στους ενωμένους ακροδέκτες 2 και 6 μέσω ενός πυκνωτή και αν το σήμα έχει επαρκές πλάτος που υπερβαίνει τα όρια 2Vcc/3 και Vcc/3, τότε το σήμα αυτό θα αναγκάζει το εσωτερικό φλιπ-φλοπ να μεταβαίνει από 1 σε 0 και αντίστροφα αναλόγως του πλάτους του. Με αυτό τον τρόπο, ένα σήμα εισόδου οποιασδήποτε μορφής αν έχει επαρκές πλάτος μπορεί να προκαλέσει την εμφάνιση ενός τετραγωνικού σήματος (διασταθούς) στην έξοδο. Έτσι, και το κύκλωμα του δισταθούς 555 μπορεί να δουλέψει ως «μορφοποιητής» μου μετατρέπει οποιαδήποτε σήμα εισόδου σε μία τετραγωνική κυματομορφή και μάλιστα το 555 μπορεί να παρέχει ισχυρό ρεύμα στην έξοδό του (έως 250mA).


Συμπέρασμα

Τώρα που έχετε μάθει  τα βασικά για το 555, μπορείτε να ανατρέξετε στην ενότητα των κυκλωμάτων με το 555 για να μάθετε ακόμη περισσότερα και να πειραματιστείτε με διάφορα κυκλώματα που βασίζονται στο δημοφιλή χρονιστή.