4.6. Таймеры

4.6.1. Таймер ne555

Таймерами называются устройства для точного задания временных интерва­лов. Таймеры могут быть цифровыми и аналоговыми. В относительно простых электронных устройствах применяются аналоговые таймеры.

Простую в эксплуатации ИМС, предназначенную для формирования точ­ных интервалов времени, многие фирмы пытались спроектировать еще в нача­ле 60-х годов. Тогда использовались всевозможные варианты классической транзисторной мультивибраторной схемы, точность работы которой невелика. Мультивибраторы на ОУ и компараторах оказались непрактичными, поскольку частота сигналов (или длительность отмеряемых интервалов времени) в таких схемах заметно зависит от напряжения питания.

Прорывом в этом направлении явилось изобретение нескольких видов ин­тегральных таймеров. Первый интегральный таймер NE555 был разработан в 1972 г. фирмой Signetix (США). В настоящее время эта схема считается класси­ческой. Функциональная схема таймера NE555 (отечественный аналог — 1006ВИ1) приведена на Рис. 4.17.

Рис. 4.17. Функциональная схема таймера NE555 (типовое включение в ждущем режиме)

Здесь таймер представлен в типовом включении для ждущего режима. Схе­ма собственно таймера выделена заливкой. Основой таймера является двухпороговый компаратор, включающий два компаратора (KH1 и КН₂) и RS-триггер, фиксирующий состояние выхода. Один из входов каждого компаратора под­ключен к делителю напряжения, образованному резисторами R, согласованны­ми по величине с точностью не менее 2%. Напряжения на плечах делителя со­ставляют 2V_s/3 и V_s/3 соответственно. Триггер управляет двухтактным, симмет­ричным выходным каскадом на транзисторах VT₁ VT₂, обеспечивающим выходной ток до 250 мА. Кроме того, инверсный выход триггера управляет раз­рядным ключом на транзисторе VT₃. Триггер имеет вход разрешения Е, при по­даче на который сигнала низкого уровня на выходе таймера также устанавлива­ется низкий уровень независимо от уровня сигнала на входе Vi_N.

На неинвертирующий вход компаратора KH1 (вывод 5), соединенный с верхней ступенью делителя, при необходимости может быть подано опорное напряжение от внешнего источника. Обычно между этим выводом и общей шиной включается конденсатор, сглаживающий помехи, приходящие по цепи источника питания K_s.

4.6.2. Основные схемы включения таймера

Ждущий режим

Рис. 4.18. Временные диаграммы работы ждущего мультивибратора на таймере

Обратимся к рис. 4.18. В режиме ожидания входной сигнал V_IN на выводе 2 «Пуск» имеет высокий уровень (по крайней мере, больше, чем Vs/3). При этом выход­ное напряжение компаратора соответствует лог. 1. Для инверсного входа S триггера этот уровень является не­активным. Напряжение Vc на времязадающем конден­саторе Ct близко к нулю, и выходное напряжение ком­паратора КН₁ приложенное к инверсному входу R триггера, также имеет уровень лог. 1. Триггер находится в режиме хранения в состоянии Q = О. Транзи­стор VT₁ закрыт, а VТ₂ — открыт. На выходе таймера — низкий уровень. Ключ VT₃ замкнут и поддерживает конденсатор Сt, в разряженном состоянии.

При отрицательном кратковременном перепаде входного сигнала V_IN < V_s/3 (Рис. 4.32) на выходе компаратора КН₂ на время перепада установится логиче­ский нуль (активный уровень для S-входа триггера) и триггер переключится в

состояние Q = 1.

Ключ VT₃ при этом размыкается, и конденсатор Сt, начинает заряжаться че­рез резистор R_t от источника питания. Уравнение заряда конденсатора имеет вид

Импульс заканчивается по достижении напряжения V_c величины опорного напряжения V_REF При этом компаратор KH1 переключится и переведет триггер в первоначальное состояние. Ключ VT₃ замкнется и разрядит конденсатор. Длительность импульса определится из уравнения:

Решение этого уравнения при нулевых начальных условиях

из которого следует, что

Если в течение этого времени на вход придет еще один запускающий импульс, то триггер останется в единичном состоянии, т. е. повторный запуск во время заряда конденсатора Сt, игнорируется. Разряд времязадающего конденсатора происходит очень быстро, хотя и не мгновенно. Если следующий запускающий импульс придет во время разряда конденсатора, то длительность импульса таймера сократится. Это время, называемое временем релаксации, во всяком случае, значительно меньше аналогичного времени ждущего мультивибратора на ОУ и соизмеримо со временем релаксации одновибратора на компара­торе.

Автоколебательный режим

Схема простейшего автоколебательного мультивибратора на таймере 1006ВИ1 приведена на Рис. 4.19а.

Рис. 4.19. Автоколебательный мультивибратор на таймере: а — схема, б — временные диаграммы

Когда потенциал на конденсаторе Сt, достигнет нижнего порога срабатыва­ния таймера, на входе S триггера установится низкий (активный) уровень. Триг­гер переключится в состояние лог. 1 и ключ VT₃ разомкнётся. При этом начнется заряд конденсатора через два последовательно включенных резистора R_t и R₁. Напряжение на конденсаторе достигнет верхнего порога срабатывания за время

T_и = (R1 + Rt)Сt ln2 0.693(R1 + R_t)C_{t (4}.43)

При этом компаратор KH1 переключится, на входе R триггера установится низкий (активный) уровень, триггер переключится в состояние Q = 0 и ключ VTз откроется. Конденсатор будет разряжаться через резистор R_t до тех пор, пока напряжение на нем не достигнет нижнего порога срабатывания тай­мера. Это произойдет за время

t₂ = Rt Сt ln2. (4.44)

Затем все процессы будут повторяться. Частота выходного напряжения мульти­вибратора составит

Временные диаграммы работы автоколебательного мультивибратора пред­ставлены на Рис. 4.19б. При подаче сигнала низкого уровня на вход «Вкл.» (вывод 4) генерацию можно остановить.

Некоторым недостатком схемы на Рис. 4.19а является разность длительно­стей импульса и паузы, которая в данной схеме не может быть устранена. Дейст­вительно, коэффициент заполнения  этой схемы определяется соотношением

Эта величина составит 0.5 только в случае, если R1 = 0. Это недопустимо, так как при­ведет к короткому замыканию источника при открытом ключе VT₃.

Рис. 4.20. Схема автоколебательного муль­тивибратора с независимой установкой длительности и частоты импульсов

На Рис. 4.20 приведена схема, которая способна обеспечить генерацию импуль­сов с 0 <  < 1.

Для этого параллельно резистору R_t включен диод VD1. Конденсатор C_t в такой схеме заряжается через резистор Rе и от­крытый диод VD₁ а разряжается, как и в базовой схеме, через R_t. Чтобы уменьшить влияние диода VD₁ на точность формирования временных интервалов, после­довательно с резистором R_t включен диод VD₂, согласованный по параметрам с диодом VD1. При этом за счет падения напряжения на диодах временные интер­валы t₁ и t₂ будут несколько больше, чем у базовой схемы (Рис. 4.19а).

Относительная длительность импульсов этой схемы определится соотноше­нием

Мультивибратор, генерирующий импульсы с =0.5, можно построить и другим путем: используя выходные транзисторы таймера для заряда и разряда времязадающего конденсатора.