海軍蚌埠士官學校 胡 凱
555定時器元件的選擇
海軍蚌埠士官學校 胡 凱
555定時器應用廣泛,內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理也比較簡單,按照構(gòu)成器件類型的不同,可以分為TTL型和CMOS型,外引腳分布和基本功能完全一樣,但內(nèi)部結(jié)構(gòu)略有區(qū)別,主要性能參數(shù)也有所區(qū)別,使用過程中要根據(jù)負載或電路構(gòu)成的要求進行選擇。
555定時器;性能參數(shù);應用選擇
555定時器又稱時基電路。555定時器按照內(nèi)部構(gòu)成元件分有雙極型(又稱TTL型)和單極型(又稱CMOS型)兩種。雙極型內(nèi)部采用的是晶體管即三極管;單極型內(nèi)部采用的則是場效應管。按單片電路中包括定時器的個數(shù)分有單時基定時器和雙時基定時器兩種。常用的單時基定時器的最后三位數(shù)都是555,CMOS型產(chǎn)品型號的最后四位數(shù)都是7555,它們的邏輯功能和外部引線排列完全相同。555定時器結(jié)構(gòu)簡單,使用方便,功能強大,主要用于信號產(chǎn)生、聲響模擬、電路報警,在各種玩具、家用電器、儀器儀表、控制電路當中有著廣泛的應用,其應用電路也是院校數(shù)字電路課程教學重要的實驗項目。本人在數(shù)字電路實驗教學實施過程中,發(fā)現(xiàn)不同的電路,使用TTL型555定時器,和使用CMOS型產(chǎn)品,效果并不相同,兩者并不能簡單的互換替代,
常用的555定時電路主要由3個5K電阻器(因此稱為555定時器)組成的分壓器、兩個高精度電壓比較器、一個鎖存器、一個作為放電通路的三極管及輸出驅(qū)動(緩存)電路組成,其電路結(jié)構(gòu)和管腳如圖1所示。
圖1 555定時器內(nèi)部結(jié)構(gòu)
其中電壓比較器通常采用開環(huán)運算放大器,其輸出作為鎖存器輸入,控制鎖存器狀態(tài)的改變,鎖存器一般為RS觸發(fā)器,輸出緩存由一級或多級邏輯門(非門或與非門)電路構(gòu)成,決定555定時器輸出的狀態(tài)和驅(qū)動電流的大小, CMOS型555電路在總體結(jié)構(gòu)和功能上與雙極型555電路是基本相同的,但在具體組成上也有一些區(qū)別。CMOS型555電路電壓比較器的分壓器采用的3只電阻的阻值為100K,而不是5K,這是為了適應CMOS電路高輸入阻抗的需要;兩個電壓比較器的輸入端接法與雙極型電路不同,鎖存器(R-S觸發(fā)器)用兩只或非門組成,而雙極型電路采用的是與非門,這種觸發(fā)器是采用高電平或正脈沖觸發(fā)的,相應地它的輸出關系也與與非門組成的觸發(fā)器不同,輸出端增加了一只反相器,以便和雙極型電路的輸出關系一致。這樣,整個電路的輸入-輸出關系就和雙極型電路完全相同了。
555定時器主要是通過2、6、7等引腳外接電阻、電容構(gòu)成充放電電路,并由兩個比較器來檢測電容器上的電壓,控制3號引腳輸出電平的狀態(tài)和放電開關管的通斷,形成從微秒級到數(shù)十分鐘的延時,可以構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,多諧振蕩器,施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生或波形變換電路。
圖2 555定時器構(gòu)成的聲光報警電路
如圖2所示為555定時器構(gòu)成的聲光報警電路,電路由兩個555多諧振蕩器組成,第一個振蕩器的振蕩頻率為1-2Hz時,第二個振蕩器的振蕩頻率為1000Hz。將第一個振蕩器的輸出(3腳)接到第二個振蕩器的復位端(4腳)。在輸出高電平時,第二個振蕩器振蕩;輸出低電平時,第二個振蕩器停振。這樣,揚聲器將按照一定規(guī)律發(fā)出間隙聲響。
(一)555定時器主要參數(shù)
雙極型的555電路常見的型號有NE555、LM555、CA555、CB555、FD555以及FX555等;CMOS型555電路常見的型號有ICM7555、CH7555、5G7555和CB7555等。兩種電路的參數(shù)是有一定差別的,使用時需要注意。根據(jù)電路功能和組成結(jié)構(gòu)的要求,選擇哪種類型的555定時器主要參考以下參數(shù)。
1.電源電壓和靜態(tài)電流
TTL型555電路的電源電壓一般為4. 5~16V,CMOS型555電路的電源電壓一般為3~18V,可見CMOS型555電路比TTL型電路的電源電壓范圍要寬。
靜態(tài)電流也稱電源電流,是555電路空載時的消耗電流。CMOS型555電路要比雙極型555電路的靜態(tài)電流小得多。靜態(tài)電流與電源電壓的乘積稱為電路的靜態(tài)功耗,在相同的電源電壓下,CMOS型555電路的靜態(tài)功耗大大低于雙極型555電路的靜態(tài)功耗。
2.驅(qū)動電流
驅(qū)動電流是指555電路驅(qū)動負載時的工作電流,也稱負載電流,根據(jù)555電路的輸出狀態(tài)和負載的連接方式,可以分為“拉電流”和“灌電流”兩種驅(qū)動負載方式。
如果負載接在555電路的輸出端與地之間,當電路輸出高電平時,輸出電流會通過負載入地,這時由電路內(nèi)輸出并流過負載的電流稱為“拉電流”;如果負載接在電路的輸出端與電源之間,當電路輸出低電平時,電流會通過負載流人555電路內(nèi)然后入地,這時流過負載進入電路內(nèi)的電流稱為“灌電流”。對于CB555來說,兩種電流的最大值均為200mA;對于CB7555,吸入電流為5~20mA,拉出電流為1~5mA,電流的大小和使用工作電源電壓有關。
以NE555為例,NE555是TTL型555時基電路,在空載時,其輸出端3腳輸出的高電平約比供電電壓低1V左右,輸出低電平一般不大于0.5V。帶上負載時,負載越重,輸出的高電平被拉得越低,若是灌電流負載,那么負載越重,輸出的低電平被抬得越高。NE555的輸出端3腳不論是輸出電流還是灌入電流,最大皆可以達到200mA。
3.最高工作頻率
最高工作頻率是指555電路用作振蕩器使用時,輸出振蕩脈沖所能達到的頻率。對于多數(shù)類型的555電路,它們的最高工作頻率約為500kHz。
4.定時精度
定時精度是指555電路用作單穩(wěn)態(tài)定時器時的定時精度。對于TTL型電路,它的定時精度一般為1%;對于CMOS型電路,它的精度約為2%。
比較兩種類型的555定時器,CMOS型電壓適用范圍寬,靜態(tài)功耗小,而TTL型驅(qū)動電流大,帶負載能力更強一些,構(gòu)成的振蕩電路輸出信號頻率精度更高一些。
(二)555定時器的選擇
在上述聲光報警電路中,本人最開始采用了兩片ICM7555定時器,但揚聲器發(fā)不出聲音,或者聲音比較弱,經(jīng)電路檢查,排除接線以及其他元件故障的原因,換成NE555后,該電路工作正常。那么,使用555定時器構(gòu)建應用電路時,應該以什么為依據(jù)進行選擇呢?
從本例電路參數(shù)設置來看,對于元件電源電壓、靜態(tài)電流、定時精度等參數(shù)沒有特殊要求,選擇哪種類型的555定時器主要選擇的依據(jù)是驅(qū)動電流和工作頻率,一般555定時器最高工作頻率可達500KHz,從這個角度來說,本例中無論選擇TTL或者CMOS型都可以,因此,選擇的標準主要就是考慮驅(qū)動電流的要求。第一級驅(qū)動電路驅(qū)動的是發(fā)光二極管和第二級555定時器的復位端(4號引腳),這兩者需要的驅(qū)動電流都不大,普通發(fā)光二極管一般只需5~10mA的驅(qū)動電流,復位驅(qū)動電流只需幾mA(2~3個與非門),采用TTL和CMOS都符合要求,那么選用的標準就剩下第二級負載揚聲器的驅(qū)動要求了。
根據(jù)原理圖,輸出端采用了8Ω動圈揚聲器,額定阻抗為8歐,揚聲器實際阻抗是具有隨頻率變化的特征,稱為揚聲器阻抗特征,它在低頻共振頻率f0時呈最大值。待過了共振頻率f0頻率逐漸升高時,阻抗會出現(xiàn)一個最小值這時的阻抗就稱為額定阻抗,它一般是音圈直流阻抗R的1.05-1.1倍,如8歐額定阻抗,實測音圈直流電阻應該在7.2歐左右。
假設揚聲器額定功率為0.25W,那么揚聲器正常工作需要的電流可以通過如下公式估算:
P=I2R
若P=0.25W,R=7.2Ω,計算可得揚聲器需要的驅(qū)動電流I大概約為186mA,比較CMOS型和雙極型555器件的驅(qū)動電流,TTL型555器件驅(qū)動電流的最大值可達200mA,而對于CMOS型,灌電流為5~20mA,拉電流為1~5mA,很明顯雙極型555器件更符合要求,因此本例中的555定時器需選擇TTL型,才能符合揚聲器驅(qū)動電流的要求。若使用CMOS型則需增加功率驅(qū)動電路。
通過上述分析,可以知道,同等類型的555定時器可以互換替代,TTL型輸出驅(qū)動電流相對較大,可以直接驅(qū)動繼電器、低阻抗揚聲器、小型電機等負載,適用于驅(qū)動電流較大,定時時間相對較短的電路;CMOS型的輸出驅(qū)動電流要小一些,但靜態(tài)電流和功耗小,工作電源電壓范圍也更寬一些,更適用于與運算放大器及其它數(shù)字或模擬電路公用同一套電源,從而簡化電路結(jié)構(gòu),也具有更好的抗干擾特性,適用于定時長、負載小的場合。
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