Чарльз Платт – Электроника для начинающих (2-е издание) (страница 44)

Варианты применения таймера 555

В ждущем режиме таймер 555 будет выдавать одиночный импульс фиксированной (но программируемой) длительности. Как это можно использовать на практике? Подумайте, как с помощью таймера управлять каким-либо другим компонентом. Пусть это будет, например, автомат управления освещением. Когда инфракрасный датчик «видит» что-то движущееся, включается свет, но только на определенный период, который можно задать с помощью таймера 555.

Другое применение – тостер. Когда кто-то опускает кусочек хлеба, замыкается переключатель, запуская цикл работы тостера. Чтобы регулировать длительность цикла, можно предусмотреть потенциометр с ручкой, который будет задавать степень зарумянивания тоста. Как только цикл работы тостера завершается, таймер выдает сигнал, поступающий на мощный транзистор, который включает соленоид (похожий на реле без переключающих контактов), чтобы вытолкнуть тост.

Щетки стеклоочистителя, работающие в циклическом режиме, также могут управляться от таймера 555, и в старых моделях автомобилей так и было. Частота, с которой повторяется символ при удерживании нажатой клавиши на клавиатуре компьютера, также могла задаваться таймером 555 – и в компьютере Apple II так и было.

А как насчет охранной сигнализации из эксперимента 15? В одном из пунктов моего технического задания было указано, что устройство должно ждать определенное время, пока вы его отключите, прежде чем начать подавать сигнал тревоги. Об этом тоже может позаботиться таймер 555.

Эксперимент, который вы только что выполнили, может показаться тривиальным, но он раскрывает огромный спектр возможностей.

Бистабильный режим

Есть еще один вариант использования таймера – бистабильный (триггерный) режим. Он влечет за собой отключение основных функций. Зачем это может понадобиться? Далее я все объясню.

На рис. 4.18 показан макет схемы, который вы можете собрать за несколько минут. Попробуйте. Два резистора слева – это нагрузочные резисторы, каждый по 10 кОм. Нижний резистор с номиналом 470 Ом предназначен для защиты светодиода. Добавьте две кнопки, сам таймер – и готово.

Как только вы соберете схему на макетной плате, нажмите и отпустите верхнюю кнопку, светодиод зажжется. Надолго ли? Пока подано напряжение питания. Выходной сигнал таймера длится бесконечно.

Теперь нажмите и отпустите нижнюю кнопку, и светодиод погаснет. Надолго? Как пожелаете. Он не зажжется, пока вы снова не нажмете верхнюю кнопку.

Я уже говорил, что внутри таймера есть триггер. Иными словами, вся микросхема может работать как один большой триггер. Он переключается в состояние «включено», когда вы заземляете контакт 2, и остается в этом состоянии. Он переключается в состояние «выключено», когда вы заземляете контакт 4, и остается в этом положении. Триггеры играют важную роль в цифровых схемах, как я расскажу чуть позже, но сейчас давайте разберемся, как все работает и почему это может вам понадобиться.

Взгляните на схему, изображенную на рис. 4.19. Вы можете заметить, что с правой стороны нет ни резистора, ни конденсатора. Резистивноемкостная цепочка отсутствует. Таким образом, эта схема не имеет времязадающих компонентов. Обычно, когда вы запускаете таймер, импульс на выходе заканчивается, когда напряжение на времязадающем конденсаторе (на контакте 6) достигает 2/3 величины напряжения питания. Но здесь контакт 6 заземлен, и таким образом напряжение на нем никогда не достигнет значения 2/3 напряжения питания. Следовательно, когда вы запустите таймер, выходной импульс никогда не закончится.

Рис. 4.18. Установка, в которой таймер 555 работает как триггер

Рис. 4.19. Схема исследования таймера 555 в бистабильном режиме

Безусловно, вы можете прервать выходной сигнал, подав низкий уровень напряжения на вывод сброса (контакт 4). Но после этого таймер останется в выключенном состоянии, пока вы не запустите его снова.

Этот режим называется бистабильным, потому что он стабилен, когда выход находится либо в высоком состоянии, либо в низком. Триггер такого типа называют защелкой.

Выводы:

• Подача импульса низкого уровня на контакт 2 устанавливает высокий уровень на выходе и фиксирует его в этом состоянии.

• Подача импульса низкого уровня на контакт 4 устанавливает низкий уровень на выходе и фиксирует его в этом состоянии.

На интервале между подачей запускающих импульсов на выводах 2 и 4 должен поддерживаться высокий уровень. Именно для этого в схеме предусмотрены подтягивающие резисторы.

Контакт 5 таймера можно оставить неподключенным, поскольку в триггерном режиме любые случайные сигналы будут игнорироваться.

Если вы недоумеваете, зачем могло бы понадобиться использование таймера таким способом, то удивитесь, насколько полезным может оказаться бистабильный режим. Я собираюсь далее использовать его в трех экспериментах. На самом деле таймер 555 не предназначен для работы в режиме триггера, но это может оказаться удобным.

Как появился интегральный таймер

В далеком 1970 году, когда полдесятка корпоративных «саженцев» пустили свои корни в благодатную почву Кремниевой долины, компания Signetics выкупила у инженера Ганса Камензинда (Hans Camenzind) (рис. 4.20) его разработку. Она не являлась каким-либо большим прорывом – всего лишь 23 транзистора и горстка резисторов, которые работали как программируемый таймер. Схема должна была быть универсальной, стабильной и простой, но эти достоинства уступали место главной цели – выгоде от продаж. С помощью инновационной технологии интегральных схем компании Signetics удалось реализовать все на кремниевой подложке.

Рис. 4.20. Ганс Камензинд, изобретатель, проектировщик и разработчик микросхемы таймера 555 для компании Signetics

Успеху предшествовал ряд проб и ошибок. Камензинд работал в одиночку, собрав сначала схему с помощью обычных транзисторов, резисторов и диодов на макетной плате. Она заработала, и поэтому он стал слегка изменять номиналы различных компонентов, чтобы узнать, будет ли устройство допускать изменения в процессе производства, а также в результате действия других факторов, таких как температура микросхемы в рабочем состоянии. Он протестировал, по меньшей мере, 10 различных вариантов схемы. На это ушло несколько месяцев.

Затем начался процесс создания микросхемы. Камензинд сел за чертежный стол и с помощью специального ножа X-Acto начертил схему на большом листе пластика. Далее в компании Signetics фотографическим способом уменьшили это изображение в 300 раз. После этого методами травления получили кремниевые подложки микросхем и заключили каждую из них в прямоугольник из черного пластика размером около 1 см, а на верхней стороне нанесли номер. Так появился таймер 555.

Таймер 555 оказался самым успешным за всю историю микросхем, как по количеству проданных экземпляров (десятки миллиардов и это количество непрерывно растет), так и по долговечности схемотехники (никаких существенных изменений схемы почти за 40 лет). Таймер 555 можно встретить повсеместно, начиная от игрушек и заканчивая космическими кораблями. Он способен сделать мигающим сигнал светофора, включить сигнализацию, сформировать паузы между звуковыми сигналами или же создать сами сигналы.

Сегодня для разработки микросхем создают большие группы инженеров и тестируют прототипы с помощью имитации их поведения компьютерными программами. Таким образом, микросхемы внутри компьютера разрабатывают новые микросхемы. Золотая эра проектировщиков-одиночек, таких как Ганс Камензинд, прошла, но его гений живет внутри каждого выпускаемого таймера 555. Если вы желаете узнать больше об истории микросхем, посетите Музей транзисторов (http://semiconductormuseum.com/Museumlndex.htm).

В 2010 году, когда я писал книгу Make: Electronics, я искал Ганса Камензинда онлайн и обнаружил, что он ведет персональный сайт, на котором указан номер его телефона. Спонтанно я решил ему позвонить. Было удивительно разговаривать с человеком, создавшим микросхему, которую я использую уже более 30 лет. Он был дружелюбно настроен (хотя и не словоохотлив) и с готовностью согласился просмотреть текст моей книги. Даже более того, после того как он прочел ее, он оказал поддержку этому начинанию.

Впоследствии я купил книгу Ганса Камензинда о краткой истории электроники, Much Ado About Almost Nothing («Много шума почти из ничего»), которую до сих пор можно найти в Интернете и которую я очень рекомендую прочитать. Я гордился тем, что мне представилась возможность поговорить с одним из первых проектировщиков интегральных схем. И я очень огорчился, когда узнал, что он умер в 2012 году.

Характеристики таймера 555

Таймер 555 может работать от источника постоянного напряжения в диапазоне от 5 до 16 В. Абсолютный максимум составляет 18 В. Во многих технических паспортах указывают максимально допустимое напряжение 15 В. На микросхему можно подавать нестабилизированное напряжение питания.

Большинство производителей рекомендует, чтобы резистор, подключаемый к выводу 7, имел номинал от 1 кОм до 1 МОм. Однако при номинале ниже 10 кОм энергопотребление таймера возрастает. Поэтому лучше уменьшить номинал конденсатора, а не резистора.