555 定时器 IC

IC是集成电路的缩写。因此，555定时器IC是一种集成电路芯片，用于各种定时器、脉冲发生器、闪光灯、逻辑时钟和振荡器。它也称为555定时器振荡器。555定时器IC包含各种元件：电阻、电容、RS触发器、比较器、BJT（双极结型晶体管）和缓冲器。

555定时器IC作为简单的定时器工作，类似于触发器和振荡器，用于产生脉冲或产生时间延迟。

555定时器IC中的元件

555定时器IC的元件如下：

电阻：定时器中的电阻用于为两个比较器提供电压。

电容：它消除了555定时器IC中的电压波动，因为这种波动会影响其运行。

晶体管：定时器中的BJT晶体管用作开关。它还用作用于对外部连接的定时电容器进行放电的元件。

触发器：它是一种能够改变其状态从高到低或反之的电子电路。

缓冲器：缓冲器连接输入到输出，即它接收来自触发器的输入并将其发送到输出端。缓冲器的功能是为连接到输出端的外部电路提供足够的电流。

比较器：它比较连接到其两个输入端（反相和非反相）的电压。

555定时器IC引脚图

它是一个八引脚结构。555定时器IC的引脚图如下所示。

下面我们详细讨论每个引脚。

引脚1：地

接地端指0伏的端子，也称为短引脚。

引脚2：触发

触发意味着激活。在比较器（比较两个输出）的情况下，触发引脚连接到反相端。它还有助于将触发器的状态从置位（1）转换为复位（0）。触发引脚作为定时器的启动器。它是一个低电平有效触发器，当PIN 2低于供电电压的三分之一（VCC/3）时开始。

引脚3：输出

顾名思义，它是555定时器IC的输出。这意味着输出在该引脚可用。负载可以连接在输出（PIN 3）和PIN 1（输出）或PIN 8（电源）之间。连接在PIN 3和PIN 1之间的负载称为常开负载。这是因为PIN1是接地引脚。连接在PIN 3和PIN 8之间的负载称为常闭负载。

引脚4：复位

复位意味着重新设置。它将定时器的读数重置为零。我们也可以说它禁用了定时器。要重置555定时器IC，请在PIN 4上施加负脉冲。不一定只能将此引脚用作复位引脚。我们也可以将+V_CC连接到复位引脚以避免任何误触发。在这种情况下，PIN 4将不起复位引脚的作用。

引脚5：控制电压

通过PIN 5控制比较器输入端的两个触发和阈值端。通过向控制电压引脚施加外部电压，可以调制定时器的输出波形。不使用时，它连接到地，以避免输出中的任何噪声或干扰。

引脚6：阈值

它位于555定时器IC电路中第一个比较器的非反相端（+）上。它将施加的电压与连接到反相端（-）的参考电压（2VCC/3）进行比较。它决定了触发器的输入状态。

引脚7：放电

它在内部连接到BJT的集电极。在PIN 7和地之间连接一个电容器，该电容器在达到饱和状态时通过晶体管放电。当晶体管截止时，电容器充电。外部连接的电阻和电容决定了充电速率。

引脚8：电源端

所有电压源都连接到此端。它为IC的其他端子提供电压。

功能框图

55定时器IC的功能框图如下所示。

555定时器的连接设置和操作

顶部的端子称为V_CC，底部的端子代表地。三个电阻（每个标记为R）串联连接。由于相对于地的电势分割，则对于上比较器电压为2V_CC/3，而对于下比较器电压为V_CC/3。

对于下比较器，（+）端代表V_CC/3的电压，该电压与555定时器下比较器（-）端的触发输入电压进行比较。如果电压V_CC/3高于触发输入，则比较器输出为高电平或1。否则，为低电平或0。

对于上比较器，（-）端代表2V_CC/3的电压，该电压与555定时器上比较器（+）端的阈值输入电压进行比较。如果阈值输入高于2V_CC/3，则比较器输出为高电平或1。否则，为低电平或0。

比较器的输出连接到触发器的RS输入。RS触发器的转换表如下所示。

如果R和S为0，Q保持其先前状态。Q输出进入缓冲器，缓冲器进一步连接到555定时器的输出。Q'进入BJT开关。触发器的输出Q'与Q相反。如果Q为0，则Q'为1，并且BJT导通。晶体管的大基极电流使其进入饱和区，构成非常小的电流。如果Q为1，则Q'为0，并且BJT截止。

BJT的发射极端连接到地端，另一端连接到555定时器的放电端。

注意：55定时器中的BJT通常用作开关。

555定时器IC的工作模式

555定时器IC有三种工作模式：单稳态模式、多谐振荡器模式和双稳态模式。我们还将讨论IC三种模式的工作。

单稳态模式

单稳态模式也称为单次脉冲发生器模式。它也称为单稳态多谐振荡器。

图

单稳态多谐振荡器的内部IC电路如下所示。

连接设置和工作

阈值输入连接到电容器，电容器进一步连接到地。一个电阻连接到V_CC端。阈值和放电端连接在一起。

在比较器的触发输入端施加负脉冲，如下图所示。

脉冲从1开始，变为0，然后再次变为1。

我们假设电容器初始状态是未充电的。电压V_C为0。初始条件下，触发器的输出Q也将为零。如果触发器在短时间内变低，则输出Q变为1。即使触发器变高，输出Q也会保持为1。输出波形如下所示。

如果Q = 1，则Q' = 0。这意味着开关上的连接变成开路。现在我们有一个串联的电容器和电阻。电容器电压（V_C）开始充电或V_C开始上升至V_CC。在2V_CC/3之后，它会下降，如下图所示。

在电压超过2VCC/3后，第一个比较器的（+）端电压大于2VCC/3，此时R变为1，S = 0，Q复位为0，Q' = 1。它关闭了BJT开关，电容器通过开关放电。由于开关的电阻非常小，因此该过程以很快的速度进行。因此，在2VCC/3之后，Vc降至0。

电容器电压的方程可写为

V_C(t) = V_CC (1 - e^-t/Y )

如果 t = T

V_C 等于 2V_CC/3

2V_CC/3 = V_CC (1 - e^-T/Y )

e^-T/Y = 1/3

T = Y log 3 = 1.1 Y = 1.1 RC

其中，

Y = tau = RC

R是电容器的电容，R是电阻器的电阻。

T = RC log 3

多谐振荡器模式

多谐振荡器模式也称为自由运行模式。其输出波形为方波，因为它是一个振荡器。

图

多谐振荡器的内部电路图如下所示。

连接设置和工作

两个比较器的阈值输入和触发输入连接在一起。两个电阻之间的节点连接到放电引脚。如果Q为高，则Q'为低，这会打开开关，电容器将开始对V_CC充电。

时间常数由下式给出：

(Ra + Rb)C

当电容器电压达到2V_CC/3时，电压会下降，如下图所示。

让我们讨论一下原因。

我们知道，当V_CC/3的V+高于“V-”（即电容器电压）时，S=1。当V_C低于V_CC/3时，S变为1。类似地，当V+超过2V_CC/3时，R=1。否则，R=0。R和S的波形与振荡器的输出波形如下所示。

当电容器电压超过2V_CC/3时，R变为1且S变为0，这会将触发器复位为Q=0。Q'变为1，开关闭合。电容器通过连接到放电引脚的路径开始放电。

当V_C超过V_CC/3时，S变为1，R=0，Q=1，Q'=0，电容器开始对V_CC充电。此循环重复，我们得到所需的振荡。

充电状态期间：

V_C (0) = V_CC/3

V_C (无限) = V_CC

设 V_C(t) = A e^-t/Y1 + B

B = V_CC 且 A = -2V_CC/3

其中，

Y1 = 时间常数 = (Ra + Rb)C

放电状态期间：

V_C (0) = 2V_CC/3

V_C (无限) = 0

设 V_C(t) = 2V_CC/3 e^-t/Y2

如果 t = TL

V_C(t) = V_CC/3

V_CC/3 = 2V_CC/3 e^-TL/Y2

TL = Y2 log 2

其中 Y2 = RbC

Log_e2 = 0.69

因此，TL = 0.69 C (Ra + Rb)

Tlow = 0.69 C Rb

T = 0.69 C (Ra + 2Rb)

T = 1/F

F = 1.45/ C (Ra + 2Rb)

双稳态模式

555定时器可以在没有放电引脚、电阻和电容的情况下运行于双稳态模式。它也被称为施密特触发器。

555定时器IC的特性

555定时器IC的特性如下：

• 宽范围电源
  它可以工作在不同的电源范围内，例如+5伏，+10伏，到+18伏。一些555定时器甚至可以在低至3伏的电压下工作。
• 可调占空比
  电路中电位器的阻值从一个电阻变到另一个电阻，有助于调整555定时器的占空比。
• 良好的温度稳定性
  其温度稳定性为50 ppm/°C。这里，ppm表示百万分之几，C表示摄氏度。

555定时器IC的优点

555定时器的优点如下：

• 555定时器IC的三种工作模式在不同领域有各种应用。
• 它可以产生精确的定时脉冲。
• 它可以作为简单的定时器工作，也可以产生时间延迟。
• 它也被称为高度稳定的控制器。
• 它可在宽电压范围内工作。
• 它易于使用且灵活。
• 高精度。
• 它可以作为电压表和ADC（模数转换器）工作。
• NE555定时器可以在0摄氏度到70摄氏度的温度范围内工作。
• SE55定时器可以在-55摄氏度到125摄氏度的温度范围内工作。

555定时器IC的缺点

555定时器的缺点如下：

• 555定时器IC的频率调制不是非常线性。
• 随着温度变化，其精度不高。这意味着定时器有指定的工作限制。在超出这些指定温度范围后，它无法准确工作。

数值例子

让我们讨论三个基于555定时器IC的示例。这些示例将是多项选择题。

示例 1

555定时器IC的工作模式是什么？

1. 自由运行模式
2. 非振动器模式
3. 单次模式
4. （a）和（c）都对
5. 两者 (a) 和 (b)

答案：（d）(a)和(c)都对

说明:

自由运行模式：多谐振荡器模式称为自由运行模式。顾名思义，多谐振荡器没有稳定的状态，但有两个准稳态。

单次模式：单次意味着只有一个输出。因此，555定时器在单次模式下在触发状态下仅产生一个输出脉冲。

示例 2

555定时器IC作为多谐振荡器可用于

1. 三角波振荡器
2. 方波振荡器
3. 正弦波振荡器
4. 以上都不是

答案：（b）方波振荡器

解释：使用两个接地交叉耦合晶体管的多谐振荡器电路有助于产生方波输出。一对晶体管包括NPN或PNP晶体管，具有100%的负反馈。

示例3：给定以下参数，多谐振荡器的频率是多少？

R_A = 3.3 k Ohms

R_B = 5.4 k Ohms

C = 0.4 uF

1. 71 kHz
2. 22 kHz
3. 171 kHz
4. 0171 kHz

答案：(c) 0.171 kHz

说明:

R_A = 3.3 k Ohms = 3300 Ohms

R_B = 5.4 k Ohms = 5400 Ohms

C = 0.4 uF = 0.6 x 10^-6 Farads

我们知道，计算频率的公式为：

F = 1.45/ C (Ra + 2Rb)

F = 1.45 / 0.6 x 10^-6 (3300 + 10800)

F = 1.45 x 10⁶ / 8460

F = 0.171 kHz