555 회로 파트 1

 

555 회로 파트 1

555 타이머를 다양한 듀티 사이클의 불안정한 발진기로 사용하는 555개 회로 모음

우리는 지난 몇 개의 튜토리얼에서 555 타이머가 몇 마이크로초에서 몇 시간까지의 타이밍 간격을 갖는 멀티바이브레이터, 발진기 및 타이머와 같은 외부 연결 구성 요소로 구성될 수 있다는 것을 확인했습니다. 555 타이머는 우리가 가장 좋아하고 저렴하며 쉽게 구성할 수 있는 칩 중 하나이므로 이를 사용하여 몇 가지 다른 555 회로 파트 1을 만드는 방법을 살펴보겠습니다.

이전에 살펴본 것처럼 555 타이머는 8핀 듀얼 인라인 패키지(DIP) 내의 단일 장치로 제공되거나 단일 14핀 듀얼 인라인 패키지에 2개의 555 칩이 있는 556 장치로 제공됩니다. . 556 내의 두 개의 555 타이머는 서로 독립적으로 작동하지만 공통 V CC 공급 및 접지(0V) 연결을 공유합니다.

표준 TTL 555는 4.5V ~ 18V 사이의 공급 전압에서 작동할 수 있으며 출력 전압은 공급 전압 V CC 보다 약 2V 낮습니다 . 555는 최대 200mA의 출력 전류를 소싱하거나 싱크할 수 있으므로(그러나 이 수준에서는 뜨거워질 수 있음) 회로 변형이 무제한입니다. 555, 7555 및 7556의 CMOS 버전은 전압 및 전류 정격이 다를 수 있습니다.

하지만 먼저 진동 주파수를 계산하는 데 사용할 수 있는 몇 가지 기본 공식을 상기해 보겠습니다.

 

 

 

여기서: t 1 은 출력 높은 지속 시간, t 2 는 출력 낮은 지속 시간, T 는 출력 파형의 주기 시간, θ 는 출력 파형의 주파수, 0.693 = ln(2)입니다.

불안정한 발진기로 연결된 경우 커패시터 C는 R A 및 R B 를 통해 충전 되지만 R B 를 통해서만 방전됩니다 .

따라서 듀티 사이클 D는 이 두 저항의 비율에 의해 결정됩니다. 저항기 R A 및 R B 를 적절하게 선택하면 50~100% 사이의 듀티 사이클을 쉽게 설정할 수 있습니다.

총 시간 T는 커패시터가 각각 1/3Vcc와 2/3Vcc 사이에서 충전 및 방전할 때 커패시터 충전 시간 t 1 (출력 High)에 방전 시간 t 2 (Output Low)를 더한 값으로 제공됩니다 .

이 작동 모드에서 충전 및 방전 시간과 그에 따른 주파수( 1 /T로 제공됨)는 공급 전압과 무관합니다.

단순 555 발진기

기본 555 발진기 회로는 매우 다양하며, 이 555 회로 1부 튜토리얼에서는 다양한 흥미로운 변형을 만들 수 있습니다. 가장 간단한 555 자유 실행 불안정 발진기 회로는 그림과 같이 단일 저항기를 통해 핀 3(출력)을 타이밍 커패시터에 직접 연결합니다.

단순 555 발진기

 

핀 3의 출력이 HIGH이면 커패시터는 저항을 통해 충전됩니다. 커패시터 양단의 전압이 2/3Vcc에 도달하면 핀 6(임계값)은 핀 3의 출력 상태를 변경하고 LOW가 됩니다.

이제 커패시터는 핀 2(트리거)가 1/3Vcc에 도달하여 출력 상태가 다시 한 번 변경될 때까지 동일한 저항을 통해 다시 방전됩니다. 커패시터는 출력 핀 3에서 HIGH 및 LOW 상태를 생성하는 동일한 저항을 통해 2/3Vcc와 1/3Vcc 사이를 계속해서 충전 및 방전합니다.

커패시터가 동일한 저항기를 통해 충전 및 방전되므로 이 기본 배열의 듀티 사이클은 50% 또는 1:1에 매우 가깝습니다. 생성된 일련의 구형파 출력 펄스의 사이클 시간(T)은 대략 2(0.693)*RC 또는 2lin(2)*RC 입니다 . 따라서 출력 파형 주파수(f)는 0.722/RC 와 같습니다 .

예를 들어 1kHz 출력 구형파 파형을 생성하려는 경우 기본 구성 요소 값을 사용하여 R = 3.3kΩ 및 C = 220nF 가 됩니다.

555 회로 파트 1 - 가장 빠른 555 발진기

 

R 또는 C 의 값을 변경함으로써 555 불안정 멀티바이브레이터 회로는 원하는 출력 주파수에서 진동하도록 만들 수 있습니다. 그러나 단일 555 타이머 칩에서 생성할 수 있는 진동의 최대 주파수는 얼마입니까?

이 555개 회로 1부 튜토리얼에서 555가 가장 높은 주파수에서 작동하도록 하려면 출력 상태가 높음에서 낮음으로 또는 낮음에서 높음으로 변경되는 순간 지속적으로 다시 트리거해야 합니다. R 및 C 타이밍 구성 요소를 모두 제거하고 출력 신호를 트리거 입력으로 직접 다시 공급하면 가장 빠른 스위칭 속도를 얻을 수 있습니다 .

 

출력(핀 3)을 트리거 입력(핀 2)과 임계값 입력(핀 6)에 연결하면 출력이 상태를 변경할 때마다 555를 다시 트리거하여 상태를 다시 변경합니다. 그러나 출력 파형은 대칭 또는 구형파가 아니라 일련의 음의 펄스입니다.

이 배열을 사용하여 얻은 가장 높은 발진 주파수는 공급 전압, 사용된 555 칩 유형, TTL 또는 CMOS 및 제조업체에 따라 달라집니다. 내부 회로는 제조업체마다 다르기 때문입니다. 그러나 5V에서 350kHz의 높은 출력 주파수를 생성하는 것이 가능합니다.

555 회로 파트 1 - 가장 느린 555 발진기

이 555개 회로 파트 1 튜토리얼의 이전 555개 발진기 회로로 돌아가서 타이밍 커패시터를 220uF 또는 470uF 커패시터와 같은 큰 값의 전해액으로 교체하면 적절한 타이밍 저항을 선택하여 발진 주파수를 줄일 수 있습니다. 1Hz보다 훨씬 낮습니다. 이 경우 555 회로는 더 이상 발진기 역할을 하지 않고 펄스 폭이 10초가 될 수 있는 타이머 또는 지연 회로가 됩니다.

555 타이머 회로

 

이 시간 지연 회로에서 임계값(핀 6)과 방전(핀 7)은 RC 타이밍 구성 요소의 접합부에서 함께 연결되며 출력은 555가 다음의 적용에 의해 작동하도록 트리거될 때까지 LOW 및 안정적으로 유지됩니다. 트리거 입력(핀 2)에 음의 펄스가 있습니다.

555의 트리거 단자는 푸시버튼 스위치 S1이 닫힐 때까지 저항 R1 을 통해 HIGH 로 유지됩니다. S 1 의 작동은 일시적으로 핀 2를 접지로 단락시키므로 1/3Vcc 미만에서 지연 사이클이 시작됩니다.

일단 핀 3의 출력이 회로 RC 시간 상수에 의해 결정된 사전 계산된 기간 동안 HIGH로 전환되고 시간 지연 기간에 도달할 때까지 스위치 S 1 의 추가 트리거링에 응답하지 않습니다. 핀 3은 다시 LOW를 반환합니다.

스위치를 몇 번 누르든 단일 펄스가 생성되므로 수동으로 트리거되는 단안정 회로는 스위치 디바운스 애플리케이션에 유용합니다. 출력이 HIGH인 단안정 출력 펄스 기간의 폭은 1.1RC ( 초 ) 로 지정됩니다 . 여기서 R 은 옴 (Ω) 단위 이고 C 는 패럿(Farad) 단위입니다 .

따라서 간단한 555 시간 지연 회로의 경우 출력이 HIGH 상태인 출력 지연은 1.1*9100*10*10 -6  = 100ms 로 계산됩니다 . 적절한 R 및 C 값을 선택하면 몇 마이크로초에서 몇 시간까지의 출력 지연을 얻을 수 있습니다. 그러나 큰 값의 전해 커패시터가 필요한 긴 타이밍 지연의 경우 전해 커패시터 허용 오차가 최대 +/-50%까지 매우 클 수 있으므로 타이밍 기간은 일반적으로 그다지 정확하지 않습니다.

이는 커패시터의 허용 오차를 보상하기 위해 타이밍 저항을 전위차계로 변경하거나 누설이 낮은 전해 커패시터를 선택하여 극복할 수 있습니다. 실제로 타이밍 저항은 약 10MΩ 또는 470uF보다 큰 타이밍 커패시터를 초과해서는 안 됩니다. 두 가지를 결합하면 약 5170초 또는 약 1.5시간의 지연 펄스가 제공되기 때문입니다.

555 회로 파트 1 – 수정된 듀티 사이클

우리는 이전에 ON 시간과 총 사이클 시간의 비율인 듀티 사이클이 표준 555 발진기 회로의 경우 50%에서 100% 사이로 제한된다고 말했습니다. 그러나 일부 애플리케이션에서는 특정 듀티 사이클을 50% 미만으로 설정해야 할 수도 있습니다. 즉, t 1 (HIGH) 시간은 R A 및 R B 비율에 의해 설정된 t 2 (LOW) 시간 보다 작거나 짧습니다 .

R A 의 저항이 R B 보다 훨씬 커지면 R B 가 0에 가까워짐 에 따라 듀티 사이클은 1(100%)을 향해 증가합니다 .

마찬가지로 R A 에 비해 R B 의 저항이 증가하면 듀티 사이클 이 50%(또는 1:1)에 가까워져 출력 파형이 더 구형파 모양이 됩니다. 그러나 전체 50% 듀티 사이클을 얻으려면 R A가 0Ω이어야 하며 이는 방전 핀 7을 통해 V CC를 접지로 단락시키므로 허용되지 않습니다.

50% 미만의 듀티 사이클을 달성하는 한 가지 방법은 그림과 같이 RC 타이밍 회로 내에 다이오드를 포함하는 것입니다.

50% 듀티 사이클

 

기본 555 발진기 회로의 핀 6과 7에 다이오드 D 1을 추가하면 충전 주기 동안 저항 R B 가 단락됩니다 .

범용 실리콘 다이오드일 수 있는 다이오드를 사용하면 커패시터가 R A 에서 직접 충전할 수 있습니다 . 왜냐하면 R A 와 D 1 이 충전 주기에서 저항기 R B 를 효과적으로 직렬로 제거하기 때문입니다 . 하지만 매우 작은 누설 전류는 여전히 흐릅니다. R B 를 통해 .

핀 3의 출력이 LOW인 방전 사이클 동안 다이오드 D 1 은 역방향 바이어스되므로 회로는 저항 RB 를 통해 555의 핀 7로 방전하기 전과 동일하게 작동합니다 .

따라서 출력이 HIGH인 충전 사이클 동안 R A 와 C는 t 1 타이밍 기간을 제어 하고, 출력이 LOW인 방전 사이클 동안 R B 와 C 는 t 2 타이밍 기간을 제어합니다 .

R B 에 다이오드 D 1 이 있기 때문에 다이오드 0.7V 순방향 전압 강하는 회로를 공급 전압 Vcc의 변화에 ​​더 민감하게 만듭니다. 따라서 t 1 타이밍 표현은 이 다이오드 강하를 고려 하여 대략 0.8RC 로 수정됩니다.

555 회로 파트 1 – 향상된 듀티 사이클

그림과 같이 방전 저항 R B 와 직렬로 두 번째 다이오드 D 2 를 추가하여 이전 회로를 개선할 수 있습니다.

 

D 2 를 포함하면 충전 사이클 동안 R B를 통해 흐르는 모든 병렬 누설 전류가 다이오드로 완전히 차단되고, D 2 는 이 타이밍 기간 동안 역방향 바이어스됩니다.

방전 기간 동안 다이오드 D 1 이 이 사이클 동안 역방향 바이어스됨에 따라 커패시터는 D 2 및 R B 의 직렬 연결을 통해 다시 방전됩니다.

따라서 타이밍 커패시터의 충전 및 방전 경로는 모두 타이밍 커패시터가 RA 및 D 1을 통해 충전 하고 RB 및 D 2 를 통해 방전하는 것과 동일해지며 두 타이밍 기간이 다른 타이밍 기간에 영향을 주지 않고 조정될 수 있습니다 .

이 555개 회로 1부 튜토리얼의 일부로 다이오드를 사용하여 개선된 듀티 사이클 회로의 흥미로운 버전을 만들 수 있습니다 . 즉, 두 개의 타이밍 저항 R A 및 R B 를 동일 하게 만들면 즉 R A =  R B 듀티 사이클은 정확히 50%가 되어 구형파 출력 파형을 생성합니다.

표준 555 비안정 발진기 방정식은 다이오드 포함을 설명하기 위해 약간 수정되었으며 이전과 마찬가지로 순방향 다이오드 전압 강하로 인해 타이밍 주기가 공급 전압 변화에 민감합니다.

완전히 독립적인 기간

고정 값 저항 R B를 하나 또는 두 개의 전위차계로 교체하여 위 회로를 다시 한 번 개선할 수 있으며 두 개의 다이오드와 직렬입니다. 가변 저항기를 포함하면 그림과 같이 RC 충전 및 방전 기간을 완전히 독립적으로 변경할 수 있습니다.

완전 독립형 555 발진기

 

 

왼쪽의 타이밍 회로는 발진기 설계 내에서 두 개의 전위차계를 사용하는 것을 보여줍니다. 다이오드와 직렬로 연결된 두 개의 전위차계 VR 1 및 VR 2 를 사용합니다.

이제 충전 사이클(높은 출력)과 방전 사이클(낮은 출력)의 타이밍 기간을 독립적으로 조정할 수 있으므로 출력 주파수에 영향을 주지 않고 듀티 사이클을 완전히 제어할 수 있습니다. 이전 회로에 대한 더 간단한 대체 변형은 오른쪽 회로에 표시된 것처럼 단일 전위차계를 사용하여 두 개의 출력 타이밍 기간을 동시에 제어하는 ​​것입니다.

전위차계 와이퍼 암이 중앙 위치에 있는 경우 A 지점과 와이퍼 사이의 저항 값은 B 지점과 와이퍼 사이의 저항 값과 같습니다. 따라서 R B 값은 이제 VR1 값이 되고 출력 파형의 듀티 사이클은 50%가 됩니다. 이에 따라 펄스 변조 구형파 형태의 출력 파형이 생성됩니다.

전위차계 와이퍼 암이 중심에서 A 지점으로 변경됨에 따라 듀티 사이클이 감소합니다. 마찬가지로 전위차계의 와이퍼 암이 중앙에서 B 지점까지 반대 방향으로 변화함에 따라 듀티 사이클이 증가합니다. 따라서 출력 주파수를 크게 변경하지 않고도 출력 파형의 듀티 사이클을 낮은 수준에서 높은 수준으로 변경할 수 있습니다.

우리는 50% 듀티 사이클 555 불안정 회로를 이전 회로와 유사하게 t ON을 t OFF 시간 으로 변경할 수 있는 회로로 변환함으로써 이 아이디어를 한 단계 더 발전시킬 수 있습니다 . 이 ON/OFF(마크/스페이스) 비율은 그림과 같이 단일 다이오드와 전위차계(또는 다이오드 1개와 고정 저항기 2개)를 추가하여 변경할 수 있습니다.

555의 듀티 사이클 변경

 

전원이 처음 공급되면 타이밍 커패시터 C 1 은 충전되지 않고 출력(핀 3)은 HIGH가 되므로 C 1 은 순방향 바이어스 다이오드 D 1 과 전위차계의 절반 VR 1 을 통해 빠르게 충전됩니다 .

555의 핀 6(임계값)이 2/3Vcc를 감지하면 출력 핀 3이 LOW로 전환되고 커패시터 C1은 전위차계 의 나머지 절반을 통해 천천히 방전됩니다. 이제 다이오드는 핀 2(트리거)까지 역바이어스됩니다. 1/3 Vcc를 감지하면 출력이 발생하고 핀 3은 다시 HIGH로 전환되어 사이클을 다시 한 번 반복합니다.

555의 출력이 HIGH인 시간을 'MARK', 555의 출력이 LOW인 시간을 'SPACE'라고 합니다. 따라서 지점 "A"(최저)와 지점 "B"(최고) 사이의 전위차계를 변경하여 출력 파형의 표시 대 공간 비율(듀티 사이클)을 약 5%(위치 A)와 최대 50%(위치 B). Mark와 Space 길이가 동일하면 출력은 1:1이 된다는 점을 기억하십시오.

이 회로의 장점은 모든 종류의 펄스 및 타이밍 애플리케이션에 대해 매우 긴 공간(LOW) 기간을 사용하여 짧은 마크(HIGH) 길이 또는 시간 펄스를 생성할 수 있다는 것입니다. 다이오드의 방향을 반대로 바꾸면(D 1) 공간은 짧지만 마크 기간은 길며, 즉 OFF 펄스는 짧지만 ON 기간은 긴 타이밍 회로를 만들 수 있습니다.

이 기본 가변 듀티 사이클 회로의 단점은 전위차계의 두 부분의 상호 작용으로 인해 전위차계가 조정됨에 따라 타이밍 기간의 지속 시간이 변경된다는 것입니다. 이를 보상하기 위해 고정된 타이밍 기간 T가 필요한 경우 타이밍 커패시터 C1의 값을 조정 하거나 변경해야 합니다.

가변 타이밍 회로의 가장 좋은 용도 중 하나는 펄스 폭 변조를 사용하여 DC 모터의 속도를 제어하는 ​​것입니다 .

펄스 폭 변조 모터 제어

펄스 폭 변조(PWM)는 서로 다른 듀티 사이클에서 부하를 지속적으로 켜고 꺼서 부하에 적용되는 평균 전압 값을 제어하는 ​​방법입니다. 점점 더 적은 전압을 조심스럽게 적용하여 모터의 회전 속도를 제어하는 ​​대신, 평균 ON 시간이 변화하는 것과 동일한 효과를 생성하는 방식으로 전압을 완전히 ON 및 OFF로 번갈아 전환하여 속도를 제어할 수 있습니다. 전원 전압.

실제로 모터 단자에 적용되는 제어 전압은 555 출력 파형의 듀티 사이클에 의해 제어되며, 이는 차례로 회전 속도를 제어합니다. 또한 이 펄스 폭 변조 방법을 사용하여 램프나 LED의 밝기를 제어할 수도 있습니다.

펄스 폭 변조 제어

 

 

DC 모터의 회전 속도는 출력 파형의 듀티 사이클을 약 5%에서 95%까지 변화시키는 전위차계를 사용하여 제어됩니다. 저항 R 1은 스위칭 트랜지스터 베이스로의 전류 흐름을 제한하고, 다이오드 D 3은 모터가 ON 및 OFF로 전환될 때 전압 과도 현상을 억제하고 모터와 병렬로 사용됩니다.

예제에 제공된 스위칭 트랜지스터는 정격이 70V, 4A인 BD220 NPN 전력 트랜지스터이지만 모터 부하 전류를 안전하게 처리할 수 있다면 동등한 트랜지스터라도 가능합니다. 스위칭 트랜지스터에는 열을 발산하기 위해 방열판이 필요할 수 있습니다.