Diese Website beschäftigt sich mit Ideen, Schaltungen und Grundlagenwissen der Elektronik. Der Timerbaustein NE555 wird ebenso behandelt wie auch die Programmierung von Mikrocontrollern uvm. Verschiedene Basteleien und Projekte auf dieser Webseite unterstützen Sie dabei, diese doch sehr komplexe Materie etwas leichter verstehen zu können.
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Anhand vieler Projekte und Beispiele wird Ihnen hier das Know-How für eigene Projekte vermittelt.
Blinklicht, Lauflicht, ADC-Spannungsmessung, Tastenzustände einlesen, Schalten von Lasten, Ampelsteuerung per State-Machine, Temperaturmessung, EEPROM beschreiben und auslesen, Erzeugung einer PWM, Ansteuerung eines Servos, Dimmen von LEDs, Ansteuerung einer 7-Segment-Anzeige, ein Zeichen vom PC an den Mikrocontroller senden, ein LC-Display initialisieren und ansteuern, Schnittstellenkommunikation per SPI, USI, USART und I²C und sehr viel mehr.
Einführung Timer IC NE555
Der NE555 (oft kurz 555 genannt) ist ein Integrierter Schaltkreis für Timer- oder Oszillator-Schaltungen. Ein Anwendungsbeispiel für die Timerfunktion ist z.B. ein Treppenlichtautomat, der das Licht auf Tastendruck einmalig ein- und nach einer vorbestimmten Zeit wieder ausschaltet. Eine Oszillatorfunktion ist beispielsweise in einem Blinklicht oder elektronischen Metronom zu finden, wo ein Signal periodisch ein- und wieder ausgeschaltet wird.
Meistverkaufter IC der Welt
Der NE555 entwickelte sich wegen seiner Vielseitigkeit – die Einsatzgebiete reichen vom Spielzeug bis zur Raumfahrt – zum meistverkauften IC der Welt. Ab 1972 wurde der NE555 in Massenfertigung hergestellt. Die Nachfrage übertraf alle Erwartungen, schon im ersten Quartal verkaufte Signetics mehr als eine halbe Million Stück. Die übrigen Halbleiterhersteller bauten den NE555 sehr schnell nach: Bereits ein halbes Jahr nach dessen Erscheinen waren 555er-Kopien von 8 verschiedenen Herstellern auf dem Markt (derartige Nachbauten waren in den 1970er-Jahren und bis zum Semiconductor Chip Protection Act von 1984 allgemein üblich). Ab 1973 war der 555 jedes Jahr das meistverkaufte IC der Welt. 2003, über 30 Jahre später, betrug die Jahresproduktion etwa eine Milliarde Stück.
Varianten 556 und TLC555
Vom 555 gibt es auch eine Dual-Variante – den 556. Er enthält zwei identische 555. Weiters gibt es noch die CMOS-Version TLC555 mit deutlich geringerer Stromaufnahme.
Übersicht der Anschlüsse des NE555
Masse
Dies ist der Masse-Anschluss des Bausteins.
Triggerung
Das Flipflop wird gesetzt, wenn die Eingangsspannung 1/3 der Versorgungsspannung unterschreitet.
Ausgang (max. 200mA)
Die Ausgangsstufe des 555 besteht aus einer Gegentaktstufe und kann somit nach +VCC und GND durchschalten. Da der Ausgang bis zu 200mA belastbar ist, kann man damit auch kleine Relais schalten. Je nach Belastung ist die Spannung am Ausgang um ca. 0,6 bis 1,2V kleiner als die Versorgungsspannung.
Rücksetzen (direkt)
Wird am Reset-Eingang ein LOW-Signal angelegt, wird der 555 zurückgesetzt.
Steuerung (Control Voltage)
Hier ist ein Abgleich bzw. eine Veränderung der Schaltschwellen möglich.
Rücksetzen (indirekt)
Hier wird das Flipflop zurückgesetzt, wenn die Eingangsspannung 2/3 der Versorgungsspannung überschreitet.
Discharge
Der Discharge-Ausgang besteht aus einem NPN-Transistor mit offenen Kollektor. Je nach Ansteuerung ist der Transistor etweder ganz durchgeschaltet oder ganz gesperrt. Der Transistor wird über das Flipflop gemeinsam mit dem Ausgang angesteuert d.h., Discharge wird immer dann nach GND durchgeschaltet wenn auch der Ausgang auf GND liegt. Über diesen Anschluss wird das Laden und Entladen eines Kondensators ermöglicht.
Versorgungsspannung +VCC
Hier wird der Baustein mit der positiven Versorgungsspannung (zwischen 4,5V und 16V) versorgt.
NE555 Rechner
Mit diesem Programm können Sie die HIGH- und LOW-Zeiten sowie die Frequenz und das Tastverhältnis eines astabilen Multivibrators in Abhängigkeit von R1, R2 und C berechnen.
Eckdaten des NE555
- Betriebsspannung zwischen +4,5V und +16V
- Betriebsstrom <10mA (in der CMOS-Variante <100uA
- Ausgangsstrom bis max. 200mA
- Schaltzeiten >= 100ns
Spannungsteiler, Komparatoren und RS-FlipFlop
Der NE555 wurde speziell für die Erzeugung exakter Rechtecksignale und Einzelimpulse entwickelt. Die wichtigsten Bausteine sind der interne Spannungsteiler, die beiden Komparatoren und das RS-Flipflop. Die beiden Komparatoren vergleichen die Eingangsspannungen (am Trigger- und Threshold-Eingang) mit den Teilspannungen des internen Spannungsteilers. Die Schaltschwellen liegen exakt bei 1/3 und bei 2/3 der Versorgungsspannung.
Zwei Operationsverstärker als Komparatoren
Der NE555 besteht aus zwei Operationsverstärkern, die als Komparatoren arbeiten. Die Leerlaufverstärkung liegt in der Größenordnung ~ 105. Die beiden Ausgänge der Komparatoren sind mit einem Flipflop verbunden. Dieses Flipflop speichert die Eingangsinformation und hat eine Vorzugslage, d.h. beim Einschalten der Versorgungsspannung hat der Ausgang Q des Flipflops ein LOW-Signal. Dieses LOW-Signal wird durch den nachgeschalteten Inverter mit einem Leistungstransistor negiert und man erhält am Ausgang somit ein HIGH-Signal.
Blockschaltbild des NE555
FlipFlop des NE555
Das Flipflop steuert auch den Transistor mit offenem Kollektor für die Entladefunktion des externen Kondensators an. Ist das Flipflop gesetzt, ist der Transistor durchgeschaltet und der Eingang Discharge hat 0V-Potential. Bei rückgesetztem Flipflop ist der Transistor gesperrt.
Mit einem LOW-Signal am Pin 4 (Reset-Eingang) läßt sich das Flipflop auch direkt zurücksetzen. Dieser Eingang sollte im Ruhezustand immer mit HIGH verbunden werden.
Spannungsteiler / Spannungsverhältnisse an beiden Komparatoren
Wichtig ist der Spannungsteiler, welcher aus drei gleich großen Widerständen von 5k-Ohm mit einer Toleranz von 1% besteht. Durch diesen Spannungsteiler ergeben sich folgende Spannungsverhältnisse an den beiden Komparatoren:
Komparator 1 schaltet wenn die Eingangsspannung am Trigger (Pin 2) unter 1/3 der Versorgungsspannung liegt
Komparator 2 schaltet wenn die Eingangsspannung am Threshold (Pin 6) über 2/3 der Versorgungsspannung liegt
High und Low durch Komparator-Vergleiche
Der Komparator vergleicht die beiden Spannungen an seinem Eingang. Ist die Spannung am positiven (nicht invertierenden) Eingang höher als die Spannung am negativen (invertierenden), so springt der Ausgang auf HIGH. Ist die Spannung am negativen Eingang höher als am positiven, springt der Ausgang auf LOW.
Schaltschwellen bei einem Sinus-Eingangssignal
Der Ausgang springt immer dann um, wenn am Eingang 1/3 unter- bzw. 2/3 der Versorgungsspannung überschritten wird. Der invertierende Eingang des Komparators 2 ist mit dem Eingang Control Voltage verbunden. An diesem Eingang kann man den Spannungsteiler in seinen Verhältnissen geringfügig ändern. Wird der Eingang nicht benötigt, wird dieser um Störungen zu vermeiden, mit einem Kondensator (ca. 10nF) mit Masse verbunden.
Komparator 2 (K2)
Die Vergleichspannung von 2/3 V+ liegt am invertierenden Eingang von Komparator 2. Legt man an dem Eingang (Threshold) eine Spannung, so vergleicht der Komparator diese mit der Vergleichsspannung und der Eingangsspannung V+. Ist die Eingangsspannung am Threshold-Eingang größer als 2/3 V+ , schaltet der Komparator 2 auf HIGH. Das Flipflop wird zurückgesetzt und der Ausgang des NE555 geht auf LOW. Gleichzeitig wird auch der Transistor T1 durchgeschaltet.
Komparator 1 (K1)
Die Vergleichspannung von 1/3 V+ liegt am nicht invertierenden Eingang von Komparator 1. Legt man an dem Eingang (Trigger) eine Spannung, so vergleicht der Komparator diese mit der Vergleichsspannung und der Eingangsspannung V+. Ist die Eingangsspannung am Trigger-Eingang kleiner als 1/3 V+ , schaltet der Komparator 1 auf HIGH. Das Flipflop wird gesetzt und der Ausgang des NE555 geht auf HIGH. Gleichzeitig wird der Transistor T1 gesperrt.
Negative Flanke
Der Sprung von HIGH auf LOW erfolgt durch die hohe Leerlaufverstärkung im us-Bereich. Mit dieser negativen Flanke wird das nachgeschaltete Flipflop gesetzt. Der Ausgang Q- des Flipflops hat ein HIGH-Signal und der Ausgang des Bausteins ein LOW-Signal. Kippt der Komparator von LOW auf HIGH zurück hat die dabei entstehende positive Flanke aber keinen Einfluss auf das Flipflop und der Zustand des Flipflops bleibt erhalten.
Messung der Schaltzeit am Oszilloskop
Die Schaltzeiten (Ein- und Ausschaltzeit) liegt laut Herstellerangaben in etwa bei 100ns bis 300ns.
Berücksichtigt man den Einschwingvorgang, so haben wir hier eine Schaltzeit von 500ns gemessen.