555定时器电路特性分析

元件

我们已经看到，多谐振荡器和CMOS振荡器可以很容易地由分立元件构成，以产生弛豫振荡器来产生基本的方波输出波形。但是，也有专门设计的专用IC，仅需添加几个额外的定时组件即可精确产生所需的输出波形。

自IC问世以来一直存在并已成为行业“标准”的设备之一就是555定时器振荡器，它通常被称为“ 555定时器”。

基本的555定时器之所以得名，是因为它具有三个内部连接的5kΩ电阻器，可用来产生两个比较器参考电压。555定时器IC是一种非常便宜，流行且有用的精密定时设备，可以用作生成单个脉冲或长时间延迟的简单定时器，也可以用作张弛振荡器，产生一系列占空比从50到50的稳定波形。 100％。

555定时器芯片是非常坚固且稳定的8引脚器件，可以用作非常精确的Monostable，Bistable或Astable多谐振荡器，以产生多种应用，例如单次或延时定时器，脉冲生成，LED和闪光灯，警报和音调生成，逻辑时钟，分频，电源和转换器等，实际上，任何需要某种形式的时间控制的电路都是无穷无尽的。

555计时器芯片的基本形式是双极8引脚迷你双列直插式封装（DIP）器件，由大约25个晶体管，2个二极管和大约16个电阻器组成，以形成两个比较器，一个触发器和一个高电流输出级如下图所示。除555定时器外，还有NE556定时器振荡器，它在一个14引脚DIP封装中结合了两个独立的555，以及单个555定时器的低功耗CMOS版本，例如7555和LMC555，它们使用了MOSFET晶体管。

下面给出了表示555定时器内部电路的简化“框图” ，并简要说明了其每个连接引脚，以帮助您更清楚地了解其工作原理。
555定时器框图

引脚1。– 接地，接地引脚将555定时器连接到负（0v）电源轨。
引脚 2。–触发器，比较器1的负输入。当电压降至1 / 3Vcc以下时，该引脚上的负脉冲会“设置”内部触发器，从而导致输出从“ LOW”切换到“高”状态。
引脚3。– 输出，输出引脚可以驱动任何TTL电路，并且能够在大约等于Vcc – 1.5V的输出电压下提供或吸收高达200mA的电流，因此可以将小型扬声器，LED或电动机直接连接至输出。
引脚4。– 复位，该引脚用于“复位”内部触发器，以控制输出的状态（引脚3）。这是一个低电平有效输入，通常在未连接时连接至逻辑“ 1”电平用于防止不必要的输出重置。
引脚 5。–控制电压，该引脚通过覆盖分压器网络的2 / 3Vcc电平来控制555的时序。通过向该引脚施加电压，可以独立于RC时序网络而改变输出信号的宽度。不使用时，它通过10nF电容器接地，以消除任何噪声。
引脚 6。–阈值，比较器2的正输入。当施加到其上的电压超过2 / 3Vcc导致输出从“高”状态切换到“低”状态时，此引脚用于复位触发器。该引脚直接连接到RC定时电路。
引脚7。– 放电，放电引脚直接连接到内部NPN晶体管的集电极，当引脚3的输出切换到“低”时，该晶体管用于将定时电容器“放电”到地。
引脚8。– 电源+ Vcc，这是电源引脚，对于通用TTL 555定时器，它介于4.5V至15V之间。

在555定时器的名字来自以下事实：存在三个5kΩ的电阻器在内部连接在一起，在销8和接地引脚1.跨越这一系列电阻网络的电压保持负反相比较器的两个输入产生所述供电电压之间的分压器网络2 / 3Vcc时，比较器1的正向同相输入为1 / 3Vcc。

这两个比较器产生的输出电压取决于其输入端的电压差，该电压差由外部连接的RC网络的充电和放电动作确定。两个比较器的输出都连接到触发器的两个输入，触发器又根据其输入的状态在Q处产生“高”或“低”电平输出。触发器的输出用于控制高电流输出开关级，以驱动连接的负载，在输出引脚上产生“高”或“低”电压电平。

555定时器振荡器的最常见用途是在其端子之间连接两个电阻器和一个电容器，以产生固定的脉冲序列，其时间周期由RC网络的时间常数确定，从而成为一个简单的不稳定振荡器。但是，555定时器振荡器芯片也可以通过各种不同的方式连接，以生产单稳态或双稳态多谐振荡器以及更常见的非稳态多谐振荡器。

单稳态555定时器555定时器单稳态的操作和输出与我们之前在Monostable Multivibrators教程中看到的晶体管化定时器的操作和输出完全相同。这次的区别是这两个晶体管已被555定时器设备取代。考虑下面的555定时器单稳态电路。
单稳态555定时器

当向配置为单稳态的555定时器振荡器的触发输入（引脚2）施加负（0V）脉冲时，内部比较器（比较器No1）检测到该输入并“设置”触发器的状态，从而改变触发器的状态。从“低”状态输出到“高”状态。该动作继而使连接到引脚7的放电晶体管“截止”，从而消除了外部定时电容器C1上的短路。

此动作允许定时电容器开始通过电阻器R1充电，直到电容器两端的电压达到内部分压器网络设置的阈值（引脚6）电压2 / 3Vcc。此时，比较器输出变为“高”电平，并将触发器“复位”至其原始状态，从而使晶体管“导通”，并通过引脚7将电容器放电至地。这将导致输出改变其状态返回到原始的稳定“ LOW”值，等待另一个触发脉冲以再次开始计时过程。然后像以前一样，单稳态多谐振荡器只有一个“稳定”状态。

所述单稳态定时器555上的负向脉冲电路的触发器施加到管脚2和该触发脉冲必须比输出脉冲要短得多宽度允许时间定时电容器进行充电和放电，然后充分。一旦触发，555 Monostable将保持在“高”不稳定的输出状态，直到经过R 1 x C 1网络设置的时间段为止。输出电压保持“高”或逻辑“ 1”电平的时间量由以下时间常数公式给出。

其中，t以秒为单位，R以Ω为单位，C以法拉为单位。

555计时器示例1需要一个单稳态555定时器来在电路内产生时间延迟。如果使用10uF定时电容器，请计算产生最小500ms输出延迟所需的电阻值。
500ms等于说0.5s，因此通过重新排列上面的公式，我们得出电阻器R的计算值：

因此，产生所需的500ms时间常数所需的定时电阻的计算值为45.5KΩ。但是，作为标准值电阻器不存在45.5KΩ的电阻器值，因此我们需要选择最接近的首选值电阻器47kΩ，该电阻器在从E12（10％）到E96的所有标准公差范围内可用（1％），为我们重新计算了517ms的延时。

如果不能接受一个17ms（500 – 517ms）的时间差，而不是一个定时电阻，则可以将两个不同值的电阻串联在一起，以将脉冲宽度调整为确切的期望值，或者选择不同的定时电容器值。

现在我们知道，单稳态555定时器的时间延迟或输出脉冲宽度由所连接的RC网络的时间常数确定。如果需要十秒的长时间延迟，则不总是建议使用高值定时电容器，因为它们在物理上可能很大，很昂贵并且具有较大的值容差，例如±20％。
一种替代解决方案是使用一个小巧的定时电容器和一个更大的电阻（高达20MΩ）来产生所需的时间延迟。同样，通过使用一个较小值的定时电容器和通过多位置旋转开关连接到其上的不同电阻器值，我们可以产生一个Monostable 555定时器振荡器电路，该电路可以在每次开关旋转时产生不同的脉冲宽度，例如可切换的Monostable 555定时器电路。如下所示。
可切换的555定时器

我们可以像上面的示例中那样手动计算所需的各个组件的R和C值。但是，为了获得所需的时间延迟，需要选择所需的组件，这需要我们用千千瓦（KΩ），兆欧（MΩ），微法拉（μF）或皮法拉（pF）来计算，并且很容易得出时间延迟那是十分之一甚至一百倍。

通过使用一种称为“ Nomograph”的图表，我们可以使我们的生活更轻松一些，这将有助于我们针对R和C的不同组合或值找到单稳态多谐振荡器的预期频率输出。例如，

单稳态线描仪

因此，通过分别在0.001uF至100uF和1kΩ至10MΩ的范围内选择合适的C和R值，我们可以直接从诺模图读取预期的输出频率，从而消除了计算中的任何误差。实际上，单稳态555定时器的定时电阻值不应小于1kΩ或大于20MΩ。

双稳态555定时器除了上面的一键式555 Monostable配置外，我们还可以生产一个Bistable（两个稳定状态）设备，其555 Bistable的操作和输出类似于我们在《 Bistable Multivibrators》教程中看到的晶体管化设备。

在555双稳态是，我们可以建立一个使用555定时器振荡器芯片的最简单的赛道之一。这种双稳态配置不使用任何RC时序网络来产生输出波形，因此不需要方程式即可计算电路的时间周期。考虑下面的双稳态555定时器电路。
双稳态555定时器（触发器）

输出波形的切换是通过控制555定时器的触发和复位输入来实现的，该输入由两个上拉电阻R1和R2保持“高” 。通过将触发输入（引脚2）设为“低”，将其切换到设置位置，将输出状态更改为“高”状态；通过将复位输入（引脚4）设为“低”，将其切换到重置位置，将输出状态更改为进入“低”状态。

555定时器电路将无限期保持在任何一种状态，因此是双稳态的。然后，双稳态555计时器在“高”和“低”两种状态下均保持稳定。阈值输入（引脚6）接地，以确保它不会像正常定时应用中那样复位双稳态电路。

555定时器输出如果不讨论555计时器或双556计时器IC的开关和驱动功能，就无法完成555计时器教程。

标准555定时器或556定时器的输出（引脚3）具有“灌入”或“灌入”最大200mA的负载电流的能力，足以直接驱动继电器等输出传感器，白炽灯，LED的电动机或扬声器等，借助串联电阻或二极管保护。

555计时器具有“吸收”（吸收）电流和“源”（供应）电流的能力，这意味着可以将输出设备连接在555计时器的输出端子和电源之间以吸收负载电流或在输出之间端子和地以提供负载电流。例如。
下沉和采购555定时器输出

在上面的第一个电路中，LED连接在正电源轨（+ Vcc）和输出引脚3之间。这意味着电流将“吸收”（吸收）或流入555定时器输出端子，并且LED将被输出为“ LOW”时为“ ON”。

上面的第二个电路表明，LED连接在输出引脚3和接地（0v）之间。这意味着电流将“来源”（供应）或从555定时器输出端子流出，并且当输出为“ HIGH”时，LED将为“ ON”。

555计时器具有吸收和输出其输出负载电流的能力，这意味着两个LED可以同时连接到输出端子，但是根据输出状态是“ HIGH”还是“ HIGH”，只有一个LED会被“接通”。低”。左边的电路显示了一个示例。根据输出，两个LED将交替切换为“ ON”和“ OFF”。电阻R用于将LED电流限制在20mA以下。

我们之前说过，在最大电源电压下，通过引脚3吸收或提供负载电流的最大输出电流约为200mA，该值足以驱动或切换其他逻辑IC，LED或小灯等。但是，如果我们想切换或控制更高功率的设备，例如电动机，电磁体，继电器或扬声器，该怎么办？然后，我们将需要使用晶体管来放大555个定时器的输出，以提供足够高的功率来驱动负载。
555定时器晶体管驱动器

如果负载电流很高，则可以用功率MOSFET器件或达林顿晶体管代替上述两个示例中的晶体管。当使用感应负载时，例如电动机，继电器或电磁体，建议在负载端子之间直接连接一个续流（或飞轮）二极管，以吸收感应设备在状态改变时产生的任何反电动势电压。

到目前为止，我们已经看过使用555定时器生成单稳态和双稳态输出脉冲。在下一章有关波形生成的教程中，我们将介绍如何在不稳定的多谐振荡器配置中连接555。在非稳定模式下使用时，可以精确控制输出波形的频率和占空比，以产生功能非常广泛的波形发生器。