NE555: простая микросхема 1971 года на которой можно сделать многое! Почему её до сих пор выбирают?

Микросхема NE555 — настоящая легенда среди любителей
электроники. Выпущенная в 1971 году компанией Signetics, она продолжает
радовать энтузиастов своими возможностями, несмотря на более чем полувековой
стаж. Её универсальность и простота снискали ей заслуженную популярность. На
базе NE555 можно создавать самые разные устройства: от простых мигалок и
пищалок до сложных схем, таких как блоки питания, преобразователи напряжения,
сигнализации, датчики и даже усилители звука D-класса.

Особенность NE555 — не только в её функциональности, но и в
простоте понимания. Это ключевой фактор для тех, кто занимается электроникой и
стремится создавать собственные проекты. Поэтому этот материал предназначен для
начинающих, желающих разобраться в устройстве, принципе работы и областях
применения этой легендарной микросхемы.

Устройство и принцип работы

NE555, по сути, является таймером, способным формировать
одиночные или повторяющиеся импульсы с заданной длительностью и стабильными
временными интервалами. Этот функционал, на первый взгляд, может показаться
простым, но именно на повторяющихся импульсах строится вся импульсная техника.
Эти импульсы могут управлять светодиодами, создавать звуковые эффекты и
открывать бесконечное множество других применений.

Чтобы понять, как работает NE555, давайте рассмотрим её
внутреннее устройство. Микросхема состоит из нескольких ключевых блоков:
резистивного делителя напряжения, двух компараторов, RS-триггера и буферного
каскада.

В основе работы лежит резистивный делитель напряжения,
образованный тремя резисторами по 5 кОм каждый. Именно этот делитель и обусловил
название микросхемы. Верхнее плечо делителя подключено к напряжению питания, а
нижнее — к земле. Поскольку номиналы резисторов одинаковы, напряжение делится
на три равные части. Средние точки делителя подключены к входам двух
компараторов.

Компаратор — это устройство, сравнивающее два входных
напряжения. Если напряжение на неинвертирующем входе выше, чем на
инвертирующем, на выходе компаратора будет напряжение питания (логическая
«1»). Если наоборот — на выходе будет напряжение, равное нулю (логический
«0»).

Неинвертирующий вход первого компаратора выведен на шестую
ножку микросхемы, называемую Threshold (порог). На инвертирующем входе этого
компаратора всегда присутствует напряжение, равное двум третям напряжения
питания, получаемое от резистивного делителя. Инвертирующий вход первого
компаратора также выведен наружу в виде пятой ножки, которая называется Control (управление).

Неинвертирующий вход второго компаратора подключен к точке
соединения второго и третьего резисторов делителя напряжения, где всегда
присутствует напряжение, равное одной трети напряжения питания. Инвертирующий
вход этого компаратора подключен ко второй ножке микросхемы, названной Trigger (триггер).

Выходы компараторов подключены к RS-триггеру. RS-триггер —
это логический элемент, имеющий два входа (Set и Reset — установка и сброс)
и два выхода. В NE555 используется только инверсный выход триггера. Если на
вход Set подать логическую «1», на выходе установится
«0». Это состояние будет сохраняться до тех пор, пока на вход Reset
не поступит «1», тогда «0» на выходе изменится на
«1». RS-триггер имеет также дополнительный вход Reset (четвёртая
ножка микросхемы), который инвертирует эту функцию.

Если на этот вход подать
«0», триггер сбросится. Если этот вход не используется, его обычно
соединяют с плюсом питания.

Выход триггера — это и есть выход микросхемы. Но чтобы
увеличить его мощность, используется буферный каскад, который также инвертирует
выход триггера.

Выход микросхемы может находиться только в двух состояниях —
логической «1» или «0». Помимо выхода буфера, выход
триггера также подключен к NPN-транзистору, который при «1» от
триггера замыкает свой выход на минус питания, выдавая «0». Этот
транзистор и соответствующий вывод (7-я ножка) называются *Discharge* (разрядка)
и используются для разрядки времязадающего конденсатора.

Режимы работы NE555

Разобравшись с устройством микросхемы, можно рассмотреть её
основные режимы работы.

Триггер Шмитта. В этом режиме NE555 преобразует аналоговый
сигнал в прямоугольные импульсы. Триггеры Шмитта используются для подавления
дребезга контактов, восстановления цифрового сигнала, искажённого при передаче,
и для создания переключателей на основе аналоговых датчиков. В этом режиме
ножки 2 и 6 объединяются и являются входом. Reset соединяется с питанием.
Пятая и седьмая ножки не используются. На выходе микросхемы формируются
прямоугольные импульсы.

Пример применения: сумеречный переключатель. Подключив к
входу делитель напряжения, состоящий из фоторезистора (например, GL5528) и
потенциометра (например, 10 кОм), а на выход — реле, управляющее лампочкой,
можно создать схему, которая будет включать и выключать свет в зависимости от
уровня освещённости. Для расчёта делителя напряжения необходимо учитывать
характеристики фоторезистора и желаемые пороги срабатывания.

Одновибратор (моностабильный режим). В этом режиме NE555
формирует одиночный импульс заданной длительности. Вывод 6 подключается к
выводу 7, к ним же подключается времязадающая цепочка из конденсатора и
резистора. Вывод 2 является входом одновибратора и обычно подтягивается к
питанию через резистор.

В исходном состоянии транзистор, подключенный к выводу 7,
открыт и разряжает конденсатор. Если на вход (вывод 2) кратковременно подать
логический «0», конденсатор начнёт заряжаться, и на выходе будет
«1». Когда напряжение на конденсаторе достигнет двух третей
напряжения питания, схема переключится и будет ждать нового отрицательного
импульса на входе. Длительность выходного импульса (T) определяется емкостью
конденсатора (C) и сопротивлением резистора (R) по формуле:

T = 1.1 * R * C

Где:

T — длительность импульса (секунды)

R — сопротивление резистора (Омы)

C — емкость конденсатора (Фарады)

Рекомендуемые значения компонентов: R: 10 кОм — 1 МОм, C:
0.01 мкФ — 1000 мкФ.

Мультивибратор (астабильный режим — режим генератора). Это,
пожалуй, самый интересный и сложный режим работы NE555. Он позволяет получить
генератор прямоугольных импульсов с заданной частотой. Данный режим позволяет
создавать схемы для широкого спектра задач, например, ШИМ-генераторы, которые
управляют шириной импульсов, или стабилизированные повышающие преобразователи
напряжения. В режиме мультивибратора можно регулировать частоту и длительность
импульсов, используя различные номиналы компонентов.

Для реализации мультивибратора используются два резистора
(R1, R2) и конденсатор (C).

Частота (f): f = 1.44 / ((R1 + 2 * R2) * C)

Скважность (D): D = (R1 + R2) / (R1 + 2 * R2)

Где:

• f — частота (Гц)

• R1 — сопротивление резистора, подключенного между выводами 7
  и 8, а также 6 и 7 (Омы)

• R2 — сопротивление резистора, подключенного между выводами 6
  и 7 (Омы)

• C — емкость конденсатора (Фарады)

• D — скважность (отношение времени высокого уровня к периоду)

Рекомендуемые значения компонентов: R1: 1 кОм — 100 кОм, R2:
1 кОм — 100 кОм, C: 0.001 мкФ — 1000 мкФ.

Компоненты для начинающих

Для начала работы с NE555 понадобятся следующие компоненты:

• Микросхема NE555

• Резисторы (различные номиналы, от 1 кОм до 100 кОм)

• Конденсаторы (керамические и электролитические, от 0.001 мкФ
  до 1000 мкФ)

• Макетная плата (для удобства сборки и экспериментов)

• Источник питания (5-15 В)

• Светодиоды (с токоограничивающими резисторами)

• Провода для макетирования

Важно! Электролитические конденсаторы
имеют полярность. Соблюдайте её при подключении, иначе конденсатор может выйти
из строя. Не превышайте максимально допустимое
напряжение питания для NE555 (обычно 16 В). Будьте осторожны при работе с
микросхемами, чтобы не повредить их статическим электричеством. Используйте
антистатический браслет.

Где найти больше информации

Для более глубокого изучения NE555 рекомендуется обратиться
к следующим ресурсам:

• Даташит на NE555: в нём содержится подробная техническая
  информация, включая электрические характеристики и схемы применения. Поищите в
  интернете «NE555 datasheet».

• Онлайн-симуляторы: используйте онлайн-симуляторы, такие как
  Tinkercad Circuits или Falstad Circuit Simulator, для моделирования схем с
  NE555.

• Форумы и сообщества: присоединяйтесь к онлайн-сообществам и
  форумам, посвященным электронике, где можно задавать вопросы и получать советы.

От себя добавлю, что многим может быть непонятна часть с
конденсатором: как он там заряжается, как разряжается, как всё это посчитать.
Очень подробно, просто и с легко понятными аналогиями принцип работы
конденсаторов написан в книге Саймона Монка и Пауля Шерца «Электроника
теория и практика», там есть все формулы с примерами, после их разборки вы
с лёгкостью сможете рассчитать любой режим работы схемы 555 в роли таймера.

Заключение

NE555 — это удивительная микросхема, открывающая широкие
возможности для радиолюбителей и энтузиастов электроники. Разобравшись в её
устройстве и основных режимах работы, можно реализовать множество интересных
проектов. Эта статья — лишь небольшое введение в мир возможностей NE555,
которая продолжает вдохновлять и радовать своими возможностями даже спустя
десятилетия.