Informations- und Kommunikationstechnik

Timer-IC, Zeitglieder

Mit Operationsverstärkern lassen sich viele Zeitgliedschaltungen meist einfacher als mit Transistoren aufbauen. Die wohl bekannteste integrierte Grundschaltung ist das Timer-IC 555. Die Standardversion (NE 555) besteht aus 21 integrierten bipolaren Transistoren, einigen Dioden und Widerständen. Vergleichbare spätere Typen (LMC/TLC 555) sind CMOS-Versionen. Beide Versionen sind PIN-kompatibel und können bei 5 V Betriebsspannung in logischen Schaltungen auch TTL-kompatibel eingesetzt werden. Das Timer-IC 555 ist universell nutzbar, da die Eigenschaften der verschiedenen Zeitglieder erst von der externen Beschaltung bestimmt werden. Das folgende Bild zeigt die Funktionseinheiten des Timer-ICs.

Arbeitsweise

Funktionsblocks im Timer-IC 555

Die Betriebsspannung zwischen Pin 8 und Pin 1 wird von drei gleichen Widerständen R (je 5 kΩ) auf die Referenzspannungen der beiden Komparatoren zu zwei- und ein Drittel geteilt. Die höhere Spannungsreferenz ist am Pin 5 herausgeführt. Dort sollte ein 10 nF Kondensator angeschlossen sein, um kurze Impulsstörungen abzublocken. Zusätzlich können am Pin 5 die Referenzwerte noch von außen beeinflusst werden.

Der Reset Eingang des RS-Flipflops ist mittels eines ODER Gatters Low aktiv mit dem Pin 4 des Timer-ICs verbunden. Dieser Eingang darf nicht offen bleiben und ist mit der Betriebsspannung oder einer speziellen Reset-Steuerschaltung zu verbinden. Ein Low-Signal am Pin 4 führt unabhängig von anderen Steuersignalen immer zum Reset des RS-Flipflops. Beim Einschalten entspricht der Arbeitszustand einem gesetzten RS-Flipflop unabhängig vom externen Signal am Pin 2.

Die Ausgangssignale der beiden Komparatoren steuern das RS-Flipflop. Überschreitet das Potenzial am Pin 6 die zwei Drittel Referenz, setzt der Komparator 1 am Ausgang ein High-Signal. Das RS-Flipflop wird vom internen Reset zurück gesetzt. Der Q-nicht Ausgang wechselt in den High-Zustand. Der Transistor als Entladeschalter wird niederohmig leitend. Der Ausgangsverstärker invertiert den Q-nicht High-Zustand und schaltet Pin 3 auf Massepotenzial.

Wird jetzt am Triggereingang Pin 2 der ein Drittel Referenzwert unterschritten, schaltet der Komparator 2 seinen Ausgang in den High-Zustand und setzt das RS-Flipflop neu. Sein Q-nicht Ausgang wechselt in den Low-Zustand. Pin 7 wird hochohmig und Pin 3 schaltet in den High-Zustand.

Typische Betriebsdaten

Das Timer-ICs arbeitet in seiner bipolaren Version mit Betriebsspannungen zwischen 4,5 ... 15 V, beim SE 555 mit maximal 18 V . Die sichere Bandbreite reicht bis 0,5 MHz. Der Ausgang Pin 3 kann als Stromquelle oder Senke geschaltet werden und schaltet einen Strom bis 100 mA. Bei 15 V Betriebsspannung sind maximal 200 mA möglich. Der Entladeschalter am Pin 7 kann maximal 200 mA schalten.

Die CMOS Version des Timer-ICs kann auch mit Betriebsspannungen unterhalb 4,5 V arbeiten. Die Bandbreite bei 15 V ist höher und liegt typisch bei 3 MHz. Der Ausgangsverstärker am Pin 3 verträgt eine maximale Strombelastung von 10 mA. Der maximale Entladestrom am Pin 7 beträgt 100 mA.

Bistabile Kippstufe

Dem Namen entsprechend hat eine bistabile Kippstufe, auch Flipflop genannt, zwei definierte stabile Schaltzustände. Für jeden Zustand ist ein eigenes Steuersignal notwendig. Das Timer-IC besitzt intern ein von außen steuerbares RS-Flipflop und kann entsprechend genutzt werden. Der Triggereingang Pin 2 arbeitet Low aktiv und bildet den Setzeingang. Durch ein High-Signal am Schwellwertschalter Pin 6 wird die Kippstufe zurück gesetzt. Das folgende Bild zeigt das Timer-IC als bistabile Kippstufe. Das Schaltdiagramm stellt seine Arbeitsweise dar.

Flipflop mit Timer-IC 555

Beim Start ohne Steuersignale ist das interne RS-Flipflop gesetzt und sein Q-nicht Ausgangspegel ist Low. Die Endstufe invertiert das Signal und der Ausgang Pin 3 startet mit einem High-Zustand. Mit einem gesetzten Arbeitszustand bleibt der Taster am Pin 2 wirkungslos.

Der Reset erfolgt beim Betätigen des Tasters am Pin 6, der den Eingang kurz mit der Betriebsspannung verbindet und so den Komparator 1 umschaltet. Der interne Reset setzt das RS-Flipflop zurück. Sein Q-nicht Ausgang wird auf High gesetzt und der Ausgang Pin 3 zeigt Massepotenzial. Der Setz- und Triggereingang Pin 2 ist Low aktiv. Der Taster legt Pin 2 kurzzeitig auf Masse und setzt mit dem daraus folgenden High-Signal des Komparators 2 das Flipflop neu. Das Ausgangssignal am Pin 3 schaltet in den High-Zustand.

Mechanische Schaltkontakte neigen zum Prellen und können Schaltstörungen verursachen. Die Schaltdiagramme zeigen, dass gleichartige Pulsfolgen nach dem Schalten des Flipflops in den stabilen Zustand keinen Einfluss mehr haben. Flipflops sind gut zum Entprellen mechanischer Schalter geeignet.

Monostabile Kippstufe mit dem Timer-IC 555

Das folgende Bild zeigt den Einsatz des Timer-ICs und das Schaltverhalten als monostabile Kippstufe. Ausgehend von einem Potenzial am Pin 2, das größer als die ein Drittel Referenzspannung am Komparator 1 ist, hält das RS-Flipflop den Entladeschalter am Pin 7 leitend. Der Kondensator des Zeit bestimmenden RC-Glieds bleibt entladen. Der Ausgang am Pin 3 hat Massepotenzial.

Unterschreitet die fallende Flanke des Triggersignals am Pin 2 den Wert der ein Drittel Referenzspannung, wird im Timer-IC das Flipflop gesetzt. Dieser Zustand bleibt bestehen, solange die Spannung am Pin 2 unterhalb der Referenzspannung liegt. Daher muss die Pulsdauer kleiner als die der gewünschten Schaltzeit des Monoflops sein. Zur Gewährleistung kann das Triggersignal durch einen Hochpass am Eingang zu Nadelimpulsen differenziert werden.

Timer-IC 555 als Monoflop

Nach dem Triggern wechselt das Ausgangssignal in den High-Zustand. Aus der Betriebsspannung wird der Kondensator über den Widerstand R aufgeladen. Der Eingang Pin 6 für die Schaltschwelle ist mit dem Kondensator verbunden. Ein erneutes Triggern kann frühestens beim Überschreiten der Referenzspannung erfolgen. Diese Zeit T kann aus der e-Funktion der Aufladung des Kondensators hergeleitet werden.

Frequenzteiler

Die oben dargestellte monostabile Kippstufe kann als Frequenzteiler verwendet werden. Sie ist während der Ladezeit des Kondensators nicht nachtriggerbar. Das RC-Glied ist so berechnet, dass sich die Kippstufe innerhalb des zu teilenden Triggerimpuls zurücksetzt. Der nachfolgende Triggerpuls erzeugt einen neuen Ausgangszyklus. Das folgende Bild zeigt die Pulsfolge.

Frequenzteiler mit Monoflop

Astabile Kippstufe mit dem Timer-IC 555

Mit einer kleinen Schaltungsänderung arbeitet das Timer-IC als Rechteckgenerator mit fester Frequenz. Solange der Entladeschalter am Pin 7 nicht leitet, wird der Kondensator C über die Widerstände R1 und R2 aufgeladen. Erreicht die Kondensatorspannung den zwei Drittel Wert der Versorgungsspannung am Pin 6 wird das RS-Flipflop vom Komparator 1 umgeschaltet. Der Entladeschalter leitet und wird über den Widerstand R2 entladen. Unterschreitet die Kondensatorspannung den ein Drittel Referenzwert am Pin 2, so setzt der Komparator 2 das Flipflop zurück. Am Ausgang Pin 3 beginnt eine neue Periode des Rechtecksignals.

Timer-IC 555 als astabile Kippstufe

Die beiden Schaltzeiten sind stets unterschiedlich, da der Widerstand R1 nicht beliebig klein werden kann. Sein kleinster Wert wird von der Betriebsspannung und dem maximal zulässigen Entladestrom des Timer-ICs bestimmt. Eine Schaltungserweiterung mit zwei Dioden verhindert diesen Nachteil. Das folgende Bild zeigt die astabile Kippschaltung mit gleichen Widerständen und fast zeitsymmetrischem Rechtecksignal.

symmetrische astabile Kippstufe

Die Diode RD2 überbrückt im leitenden Zustand den Widerstand R2. Der Kondensator wird nur über R1 geladen. Die Entladung erfolgt über die Reihenschaltung von R2 und RD1. Haben beide Widerstände den gleichen Wert, so sollten nach den weiter oben angegebenen Bestimmungsgleichungen die Schaltzeiten identisch sein.

Eine mathematisch genaue Übereinstimmung wird nicht erreicht, da der dynamische Widerstand der Dioden im Leitzustand nicht zu vernachlässigen ist. Aus diesem Grund ist hier auch die Frequenz von der Betriebsspannung abhängig, die bei höheren Spannungen größer ist. Mit der angegebenen Dimensionierung ergab die Auswertung der Simulation bei 5 V, 10 V und 15 V eine Rechteckfrequenz von 538 Hz, 630 Hz und 650 Hz.

Nutzt man den Entladeschalter am Pin 7 mit einem sogenannten Pullup-Widerstand Rpu als Ausgang und den Wechsel der Ausgangspannung am Pin 3 zur Kondensatorumladung, so entsteht ein optimal zeitsymmetrischer Rechteckgenerator. Der Kondensator C1 wird über den Widerstand R1 vom Ausgangsverstärker am Pin 3 umgeladen. Die Kondensatorspannung steuert den miteinander verbundenen Schwellwert- und Triggereingang und schaltet den Ausgang des RS-Flipflops.

symmetrischer Rechteckgenerator mit Timer-IC 555

Die Schaltzeiten des Rechtecksignals sind gleich, da die Umladung stets am selben RC-Glied innerhalb desselben ein Drittel Schaltpegels erfolgt. Das Rechtecksignal hat einen geringen DC-Offset, da der Transistorschalter im leitenden Zustand seine Kollektor-Emitterspannung nicht auf genau 0 Volt schalten kann. In der Simulation lag der Wert bei 50 mV. Die CMOS-Version des Timer-ICs sollte in dieser Hinsicht noch optimaler arbeiten.

Pulsweitenmodulation mit dem Timer-IC 555

Bislang blieb der Steuer- oder Modulatoreingang am Pin 5 ungenutzt. Der nach Masse geschaltete Blockkondensator hielt Schaltstörungen auf dem internen Spannungsteiler der Referenzspannungen fern. Wird an diesen Eingang eine Steuerspannung angelegt, so werden damit die Referenzspannungen beeinflusst. Das Ausgangssignal des astabilen Multivibrators ändert die Frequenz des Rechtecksignals, auffälliger ist die Variation in den Ein- und Ausschaltzeiten. Das Ausgangssignal entspricht einer Pulsweitenmodulation. Die folgende Schaltung zeigt das Arbeitsprinzip.

PWM mit Timer-IC 555

Ist die Tastfrequenz der PWM ein wichtiges Kriterium, muss das Timer-IC mit einem geeigneten Taktgenerator fremdgesteuert werden. Sollen nur Spannungsänderungen erfasst werden, so erfüllt das dargestellte Schaltungsprinzip diese Aufgabe. Die an einem externen Messwiderstand auftretenden Spannungsänderungen variieren am Pin 5 angelegt die Ein- und Ausschaltzeiten des Timer Ausgangssignals. Sie können in einem geeigneten Regelkreis genutzt werden, um der Äderung entgegen zu wirken.