[발진회로 기초]NE555 타이머 동작원리 이해

IC 555는 가장 인기 있고 가장 널리 사용되는 IC 중 하나입니다. 타이머, 파동 발생기 (펄스) 및 발진기와 같은 많은 응용 분야에서 사용되는 다목적이며 매우 견고한 집적 회로입니다.

 

555 타이머로 널리 알려진 IC555는 1971 년 Signetic Corporation의 Hans Camenzind 가 개발했습니다 .

NE 555 및 SE 555의 두 부분으로 출시되었습니다. NE 555 부품은 온도 범위가 0  ~ 70도인 상업적 용도로 사용되었으며 SE 555 부품은 온도 범위가 다음과 같은 군사 표준 을 충족하도록 설계되었습니다. -55  ~ 125도. 모놀리식 IC이며 최초의 상용 타이머 IC였습니다.

 

소개

555 타이머의 중요한 기능 중 일부는 다음과 같습니다.

• 555 타이머는 5V ~ 18V 범위 의 광범위한 전원 공급 장치에서 작동 할 수 있습니다 .
• 8 핀 메탈 캔 패키지, 8 핀 DIP 및 14 핀 DIP의 3 가지 패키지로 제공됩니다.
• 타이밍은 마이크로 초에서 몇 시간까지 가능합니다.
• 안정 및 단안정 모드 모두에서 작동 할 수 있습니다.
• 높은 출력 전류.
• 조정 가능한 듀티 사이클이 있습니다.
• 높은 출력 전류로 인해 TTL과 호환됩니다.
• 출력은 200mA의 전류를 부하로 소싱하거나 싱크 할 수 있습니다.
• 0C 당 0.005 %의 온도 안정성을 가지고 있습니다.

555 Timer 데이터 시트에서 더 많은 것을 알 수 있습니다.

 

lm555.pdf

1.55MB

 

 

555 타이머 작동 모드

일반적으로 555 타이머는 Astable, Monostable (또는 One-shot) 및 Bistable의 세 가지 모드로 작동 할 수 있습니다.

 

1. 불안정 모드(Astable)

이 모드에서 555는 자유 실행 모드로 작동합니다 . 불안정한 멀티 바이브레이터의 출력은 펄스열을 생성하여 로우와 하이 사이에서 지속적으로 전환 됩니다. 이것이 바로 펄스 발생기로 알려진 이유입니다.

완벽한 구형파 제네레이터에 대한 가장 좋은 예입니다 . 인버터로 사용되며 라디오 내부의 많은 부분에서도 사용됩니다. 서미스터를 타이밍 저항으로 선택하면 온도 센서에서 555를 사용할 수 있습니다.

 

2. 단안정 모드(Mobostable)

단 안정 모드에서는 이름에서 알 수 있듯이 외부 트리거가 적용될 때까지 안정적인 상태를 유지합니다. 이 모드에서 555는 "원샷"펄스 발생기로 작동 합니다. 단 안정의 가장 좋은 적용은 시스템에 시간 지연을 도입하는 것입니다.

애플리케이션은 타이머, 누락 된 펄스 감지, 바운스없는 스위치, 터치 스위치, 주파수 분배기, 커패시턴스 측정 및 펄스 폭 변조 (PWM) 등으로 구성됩니다.

 

3. 쌍안정 모드(Bistable)

쌍 안정 모드에서 IC 555는 두 개의 안정적인 상태 를 가지 므로 플립 플롭으로 작동합니다 . 1 비트 데이터 를 저장 하는 데 사용할 수 있습니다 . 플립 플롭을 구현하는 데는 좋은 선택이 아닙니다.

 

555 타이머의 핀 구성

555 타이머는 8 핀 금속 캔 패키지, 8 핀 미니 DIP (Dual In-line Package) 및 14 핀 DIP로 제공됩니다. 14 핀 DIP는 2 개의 555 타이머로 구성된 IC 556입니다.

8 핀 DIP가 가장 일반적으로 사용됩니다. 두 8 핀 패키지의 555 타이머의 핀 배치 다이어그램은 아래에 나와 있습니다.

 

 

설명과 함께 모든 핀의 이름과 번호는 아래 표에 나와 있습니다.

 

 

핀 1 – 접지 (GND)

접지 기준 전압 (낮은 수준 0V). 모든 전압은이 단자에 대해 측정됩니다.

핀 2 – 트리거 터미널

플립 플롭의 SET 및 RESET 전환을 담당합니다. 외부 트리거 펄스의 진폭은 타이머의 출력에 영향을 미칩니다. 트리거 핀의 입력이 제어 전압의 절반 (즉, VCC의 1/3) 아래로 떨어지면 출력이 높아지고 타이밍 간격이 시작됩니다.

핀 3 – 출력 터미널

이 핀에서 출력 구동 파형을 사용할 수 있습니다. VCC 아래 1.7V로 구동됩니다. 두 가지 유형의 부하를 출력에 연결할 수 있습니다. 하나는 핀 3과 1 (GND) 사이에 연결되는 Normally OFF 부하이고 다른 하나는 핀 3과 8 (VCC) 사이에 연결되는 Normally ON로드입니다.

핀 4 – 리셋 터미널

이 핀의 음의 펄스는 타이머를 비활성화하거나 재설정합니다. 타이머는이 핀의 전압이 0.7V 이상일 때만 시작되므로 일반적으로 사용하지 않을 때 VCC에 연결됩니다.

핀 5 – 제어 전압

이는 임계 값 및 트리거 레벨을 제어하므로 555의 타이밍이 제어됩니다. 출력 펄스의 폭은 제어 전압에 의해 결정됩니다. 출력 전압은이 핀에 적용된 외부 전압에 의해 변조 될 수 있습니다. 일반적으로 사용하지 않을 때는 노이즈를 제거하기 위해 10µF 커패시터를 통해 접지에 연결합니다.

핀 6 – 임계 값 터미널

이 단자에 적용된 전압은 2/3 VCC의 기준 전압과 비교됩니다. 이 단자의 전압이 2/3 VCC보다 크면 플립 플롭이 RESET되고 출력이 High에서 Low로 떨어집니다.

핀 7 – 방전

타이밍 커패시터를 방전하는 내부 NPN 트랜지스터의 오픈 콜렉터에 연결됩니다. 이 핀의 전압이 2/3 VCC에 도달하면 출력이 하이에서 로우로 전환됩니다.

핀 8 – VCC 또는 전원

이 단자에는 5 ~ 18V 범위의 공급 전압이 적용됩니다.

 

555 타이머 내부 회로도

555 타이머의 내부 블록 다이어그램은 아래와 같습니다. 다음으로 구성됩니다.

• 두 개의 비교기
• SR 플립 플롭
• 두 개의 트랜지스터
• 저항성 네트워크

 

<555 타이머 내부 회로도>

 

비교기는 기본 연산 증폭기입니다. R 입력을 제공하는 비교기 1은 임계 전압을 2/3 VCC 기준 전압과 비교합니다.

플립 플롭에 S 입력을 제공하는 비교기 2는 트리거 전압을 1/3 VCC 기준 전압과 비교합니다.

3 개의 저항으로 구성된 저항 네트워크는 전압 분배기 회로 역할을합니다. 이 저항의 값은 각각 5KΩ입니다. 이 3 개의 5K 저항은 " IC 555 " 라는 이름을 담당합니다 .

두 개의 트랜지스터 중 하나의 트랜지스터는 방전 트랜지스터입니다. 이 트랜지스터의 오픈 콜렉터는 IC의 방전 핀 (핀 7)에 연결됩니다. 플립 플롭의 출력에 따라이 트랜지스터는 포화 상태가되거나 차단됩니다.

트랜지스터가 포화되면 외부에 연결된 커패시터에 방전 경로를 제공합니다. 다른 트랜지스터의베이스는 다른 입력에 관계없이 타이머를 리셋하는 리셋 단자 (핀 4)에 연결됩니다.

 

555 타이머 작동

3 개의 5KΩ 저항은 전압 분배기 네트워크를 형성합니다. 이 네트워크는 상위 비교기 (비교기 1) 의 반전 단자 에 대한 2/3 VCC 두 비교기에 2 개의 기준 전압을 제공 하고 하위 비교기 (비교기 2) 의 비 반전 단자 에 1/3 VCC를 제공합니다 .

상부 비교기의 반전 단자는 제어 입력에 연결됩니다. 일반적으로 제어 입력은 사용되지 않으며 2/3 VCC에 연결됩니다. 상위 비교기의 다른 입력은 임계 값이고 출력은 플립 플롭의 R 입력에 연결됩니다.

때 임계 전압이 2/3 VC보다 큰 C (즉 제어 전압), 그 플립 플롭 RESE이고 T 출력은 LOW 간다. 그러면 방전 트랜지스터가 켜지고 (트랜지스터가 포화 상태가 됨) 외부 연결 커패시터에 방전 경로를 제공합니다.

트리거 입력은 하단 비교기의 반전 단자에 연결됩니다. 때 트리거 입력이 적은 기준 전압 (1/3 VCC)보다 하부 비교기의 출력이 높다.

이것은 플립 플롭의 S 입력에 연결되므로 플립 플롭이 설정 되고 출력이 HIGH가되고 타이밍 간격이 시작됩니다. 출력이 높으면 방전 트랜지스터가 꺼지고 외부에 연결된 커패시터를 충전 할 수 있습니다.

따라서 출력이 HIGH가 되려면 트리거 입력이 순간적으로 기준 전압보다 낮아야합니다. 임계 전압이 2/3 VCC보다 크면 출력이 낮아서 플립 플롭을 재설정하여 출력을 재설정합니다.

시정 수 RC 소개

타이밍 요구 사항을 충족하는 것은 대부분의 작업에서 우선 순위가 높은 작업입니다. 예를 들어, 산업에서 금속 또는 재료의 가열 공정은 시간 제한이 있습니다.

따라서 타이머 회로를 통해 특정 시간 요구 사항을 충족 할 수 있습니다.

기본적인 타이머 회로는 아래와 같습니다. 충전 회로, 비교기 및 출력 장치로 구성됩니다.

 

 

<비교기 회로>

 

충전 회로는 저항과 커패시터로 구성됩니다. RC 회로의 직렬 조합이 DC 전압과 함께 적용될 때 커패시터가 피크 값까지 충전되는 데 걸리는 시간은 저항에 의해 제어됩니다.

충전 시간은 저항 값에 비례한다 . RC 회로에서 커패시터가 충전되는 속도는 시간 상수로 제공됩니다.

일반적으로 Tau (기호 τ로 표시)라고하는 RC 시간 상수는 RC 회로의 시간 상수로, 커패시터가 저항을 통해 초기 값과 최종 값의 차이의 약 63.2 %를 충전하는데 걸리는 시간입니다.

또한 커패시터가 36.8 %까지 방전하는데 걸리는 시간과 같습니다. RC 회로의 시간 상수는 R과 C의 곱과 같습니다.

τ = RC

앞서 언급했듯이 트리거 입력이 1/3 VCC 아래로 떨어지면 타이머의 출력이 높아지고 이것이 높게 유지되는 기간은 RC 시간 상수에 의해 결정됩니다.

555 타이머 출력의 펄스 폭과 주파수는 RC 시정 수에 의해 결정됩니다.

 

1) 타이머에서 RC 회로에 대한 타이밍 구성 요소 선택

555 타이머는 충전 회로의 R 및 C 값에 따라 마이크로 초에서 시간까지 지연을 제공 할 수 있습니다. 따라서 저항과 커패시터에 적절한 값을 선택하는 것이 매우 중요합니다.

555 타이머가 불안정 모드에서 작동 할 때 두 개의 저항과 커패시터로 구성된 RC 회로가 필요합니다. 단 안정 작동 모드의 경우 RC 회로는 저항과 커패시터로 구성됩니다.

 

2) 타이밍 커패시터

커패시턴스가 큰 커패시터를 선택하는 것이 문제가 될 것입니다. 이는 커패시턴스가 큰 전해질 커패시터가 종종 더 넓은 허용 한계를 갖는 경향이 있기 때문입니다. 따라서 실제 값과 표시된 값은 상당한 차이가있을 수 있습니다.

대용량 전해질 커패시터는 높은 누설 전류를 가지므로 커패시터가 충전 될 때 타이밍 정확도에 영향을 미칠 수 있습니다. 커패시턴스가 크고 누설 전류가 낮은 커패시터를 선택할 때 탄탈룸 커패시터가 더 나은 옵션입니다.

정격 전압보다 10 % 낮은 전압에서 작동 할 때 효율적으로 작동하지 않기 때문에 작동 전압 정격이 높은 전해질 커패시터는 피하는 것이 좋습니다.

따라서 작동 전압이 555 타이머의 VCC보다 큰 커패시터를 선택해야합니다.

짧은 출력 펄스를 생성하기 위해 정전 용량이 100pF 미만인 타이밍 커패시터도 문제를 일으킬 수 있습니다.

이러한 낮은 값을 가진 커패시터의 경우 회로 주변의 표유 커패시턴스가 타이밍 커패시터의 커패시턴스에 영향을 미칠 수 있습니다.

 

3) 타이밍 저항기

555 타이머를 불안정한 멀티 바이브레이터로 작동 할 때 타이밍 저항의 값은 최소 1 킬로 옴이어야합니다. 아이디어가 저전력 소비 회로를 구축하는 것이라면 타이밍 저항에 대해 더 높은 값을 갖는 것이 좋습니다.

그러나 저항이 더 높은 저항을 선택하면 타이밍이 부정확 해 지므로 단점이 있습니다. 이러한 부정확성을 최소화하려면 타이밍 저항의 값이 1 메가 옴을 넘지 않아야합니다.

 

4) 트리거 펄스

555 타이머의 핀 2는 트리거 입력입니다. 트리거 입력이 기준 전압 (예 : 1/3 VCC) 아래로 내려 가면 타이머의 출력이 높아지고 타이밍 간격이 시작됩니다.

트리거 펄스는 순간적으로 기준 전압 아래로 내려 가야하며 지속 시간은 출력 펄스보다 길지 않아야하므로 중요합니다.

트리거 펄스는 일반적으로 좁은 음의 스파이크로 식별됩니다. 커패시터와 저항으로 만들어진 미분기 회로는 두 개의 대칭 스파이크를 생성하지만 다이오드는 양의 스파이크를 제거하는 데 사용됩니다.

펄스의 지속 시간은 미분기 회로에 의해 결정됩니다 (즉, 커패시터와 저항에 따라 다름).

 

응용

70 년대 초반 IC 555가 도입 된 이래로 연구자 및 애호가들에 의해 수많은 회로 및 응용 분야에 사용되었습니다. 555 타이머의 중요한 응용 분야는 다음과 같습니다.

• 펄스 생성
• 시간 지연 생성
• 정밀 타이밍
• 순차 타이밍
• 펄스 폭 변조 (PWM)

555 타이머의 일반적인 애플리케이션은 작동 모드에 따라 구분할 수 있습니다. 작동 모드 (예 : 불안정 또는 단 안정 모드)에 따라 IC 555의 일부 애플리케이션은 다음과 같습니다.

• 주파수 분배기
• 선형 램프 생성기
• 누락 된 펄스 감지기
• 펄스 위치 변조
• 구형파 생성
• 펄스 폭 변조
• 발진기
• 톤 버스트 생성기
• 속도 경고 장치
• 조정 된 DC – to – DC 컨버터
• 전압 – to – 주파수 변환기
• 저비용 라인 수신기
• 케이블 테스터