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如何看懂电路图(七):555集成电路详解

归档日期:06-06       文本归类:非门      文章编辑:爱尚语录

  555 集成电路开始出现时是作定时器应用的,所以叫做 555 定时器或 555 时基电路。但是后来经过开发,它除了作定时延时控制外,还可以用于调光、调温、调压、调速等多种控制以及计量检测等作用;还可以组成脉冲振荡、单稳、双稳和脉冲调制电路,作为交流信号源以及完成电源变换、频率变换、脉冲调制等用途。由于它工作可靠、使用方便、价格低廉,因此目前被广泛用于各种小家电中。

  555 集成电路内部有几十个元器件,有分压器、比较器、触发器、输出管和放电管等,电路比较复杂,是模拟电路和数字电路的混合体。它的性能和参数要在非线性模拟集成电路手册中才能查到。 555 集成电路是 8 脚封装,图 1 ( a )是双列直插型封装,按输入输出的排列可画成图 1 ( b )。其中 6 脚称阀值端( TH ),是上比较器的输入。 2 脚称触发端(

  ),是下比较器的输入。 3 脚是输出端( V O ),它有 0 和 1 两种状态,它的状态是由输入端所加的电平决定的。 7 脚的放电端( DIS ),它是内部放电管的输出,它也有悬空和接地两种状态,也是由输入端的状态决定的。 4 脚是复位端(

  ),加上低电砰(< 0.3 伏)时可使输出成低电平。 5 脚称控制电压端( V C ),可以用它改变上下触发电平值。 8 脚是电源, 1 脚为地端。

  对于初学者来说,可以把 555 电路等效成一个带放电开关的 R - S 触发器,如图 2 ( a )。这个特殊的触发器有两个输入端;阈值端( TH )可看成是置零端 R ,要求高电平;触发端(

  ,低电平有效。它只有 1 个输出端 V O , V O 可等效成触发器的 Q 端。放电端( DIS )可看成由内部的放电开关控制的一个接点,放电开关由触发器的 Q 端控制:

  这个特殊的 R - S 触发器有 2 个特点:( 1 )两个输入端的触发电平要求一高一低:置零端 R 即阈值端 TH 要求高电平,而置低端

  则要求低电平。( 2 )两个输入端的触发电平,也就是使它们翻转的阈值电压值也不同,当 V C 端不接控制电压时,对 TH ( R )端来讲, 》 2 /3 V DD 是高电平 1 , 《 2 /3 V DD 是低电平 0 ;而对

  )端来讲,> 1/ 3 V DD 是高电平 1 ,< 1 /3 V DD 是低电平 0 。如果在控制端( V C )加上控制电压 V C ,这时上触发电平就变成 V C 值,而下触发电平则变成 1 /2 V C 。可见改变控制端的控制电压值可以改变上下触发电平值。

  经过简化, 555 电路可以等效成一个触发器,它的功能表见图 2 ( b )。

  555 集成电路有双极型和 CMOS 型两种。 CMOS 型的优点是功耗低、电源电压低、输入阻抗高,但输出功率较小,输出驱动电流只有几毫安。双极型的优点是输出功率大,驱动电流达 200 毫安,其它指标则不如 CMOS 型的。

  此外还有一种 556 双时基电路, 14 脚封装,内部包含有两个相同的时基电路单元。 555 的应用电路很多,大体上可分为 555 单稳、 555 双稳和 555 无稳三类。 555 单稳电路单稳电路有一个稳态和一个暂稳态。 555 的单稳电路是利用电容的充放电形成暂稳态的,因此它的输入端都带有定时电阻和定时电容,常见的 555 单稳电路有两种。

  将 555 电路的 6 、 2 端并接起来接在 RC 定时电路上,在定时电容 C T 两端接按钮开关 SB ,就成为人工启动型 555 单稳电路,见图 3 ( a )。用等效触发器替代 555 ,并略去与单稳工作无关的部分后画成等效图 3 ( b )。下面分析它的工作:

  ① 稳态:接上电源后,电容 C T 很快充到 V DD ,从图 3 ( b )看到,触发器输入 R=1 ,

  ② 暂稳态:按下开关 SB , C T 上电荷很快放到零,相当于触发器输入 R=0 ,

  =0 ,输出立即翻转成 V o =1 ,暂稳态开始。开关放开后,电源又向 C T 充电,经时间 t d 后, C T 上电压升到 》 2 /3 V DD 时,输出又翻转成 V =0 ,暂稳态结束。 t d 就是单稳电路的定时时间或延时时间,它和定时电阻 R T 和定时电容 C T 的值有关; t d=1.1R T C T 。

  把 555 电路的 6 、 7 端并接起来接到定时电容 C T 上,用 2 端作输入就成为脉冲启动型单稳电路,见图 4 ( a )。电路的 2 端平时接高电平,当输入接低电平或输入负脉冲时才启动电路。用等效触发器替代 555 电路后可画成图 4 ( b )。这个电路利用放电端使定时电容能快速放电。下面分析它的工作状态:

  =1 ,输出 V o =0 , DIS 端接地, C T 上电压为 0 即 R=0 ,输出仍保持 V o =0 ,这是它的稳态。

  =0 ,输出翻转成 V o =1 , DIS 端开路,电源通过 R T 向 C T 充电,暂稳态开始。经过 t d 后, C T 上电压升到> 2 /3 V DD ,这时负脉冲已经消失,输入又成为 R=1 ,

  =1 ,输出又翻转成 V o =0 ,暂稳态结束。这时内部放电开关接通, DIS 端接地, C T 上电荷很快放到零,为下一次定时控制作准备。电路的定时时间 t d =1.1R T C T 。

  把 555 电路的 6 、 2 端作为两个控制输入端, 7 端不用,就成为一个 R - S 触发器。要注意的是两个输入端的电平要求和阈值电压都不同,见图 5 ( a )。有时可能只有一个控制端,这时另一个控制端要设法接死,根据电路要求可以把 R 端接到电源端,见图 5 ( b ),也可以把 S 端接地,用 R 端作输入。

  有两个输入端的双稳电路常用作电机调速、电源上下限告警等用途,有一个输入端的双稳电路常作为单端比较器用作各种检测电路。

  把 555 电路的 6 、 2 端并接起来成为只有一个输入端的触发器,见图 6 ( a )。这个触发器因为输出电压和输入电压的关系是一个长方形的回线 ( b ),所以被称为施密特触发器。从曲线看到,当输入 V i =0 时输出 V o =1 。当输入电压从 0 上升时,要升到> 2/ 3 V DD 以后, V o 才翻转成 0 。而当输入电压从最高值下降时,要降到 《 1 /3 V DD 以后, V o 才翻转成 1 。所以输出电压和输入电压之间是一个回线形曲线。由于它的输入有两个不同的阈值电压,所以这种电路被用作电子开关,各种控制电路,波形变换和整形的用途。

  无稳电路有 2 个暂稳态,它不需要外触发就能自动从一种暂稳态翻转到另一种暂稳态,它的输出是一串矩形脉冲,所以它又称为自激多谐振荡器或脉冲振荡器。 555 的无稳电路有多种,这里介绍常用的 3 种。

  利用 555 施密特触发器的回滞特性,在它的输入端接电容 C ,再在输出 V 0 与输入之间接一个反馈电阻 R f ,就能组成直接反馈型多谐振荡器,见图 7 ( a )。用等效触发器替代 555 电路后可画成图 7 ( b )。现在来看看它的振荡工作原理:

  刚接通电源时, C 上电压为零,输出 V 0 =1 。通电后电源经内部电阻、 V 0 端、 R f 向 C 充电,当 C 上电压升到> 2 /3 V DD 时,触发器翻转 V 0 =0 ,于是 C 上电荷通过 R f 和 V 0 放电入地。当 C 上电压降到< 1 /3 V DD 时,触发器又翻转成 V 0 =1 。电源又向 C 充电,不断重复上述过程。由于施密特触发器有 2 个不同的阀值电压,因此 C 就在这 2 个阀值电压之间交替地充电和放电,输出得到的是一串连续的矩形脉冲,见图 7 ( c )。脉冲频率约为 f=0.722 / R f C 。

  另一路多谐振荡器是把反馈电阻接在放电端和电源上,如图 8 ( a ),这样做使振荡电路和输出电路分开,可以使负载能力加大,频率更稳定。这是目前使用最多的 555 振荡电路。

  要想得到方波输出,可以用图 9 的电路。它是在图 8 的电路基础上在 R B 两端并联一个二极管 VD 组成的。当 R A =R B 时, C 的充放电时间常数相等,输出就得到方波。方波的频率为 f=0.722 / R A C ( R A =R B )

  在这个电路的基础上,在 R A 和 R B 回路内增加电位器以及采用串联或并联

  555 脉冲振荡电路常被用作交流信号源,它的振荡频率范围大致在零点几赫到几兆赫之间。因为电路简单可靠,所以使用极广。

  555 集成电路经多年的开发,实用电路多达几十种,几乎遍及各个技术领域。但对初学者来讲,常见的电路也不过是上述几种,因此在读图时,只要抓住关键,识别它们是不难的。

  从电路结构上分析,三类 555 电路的区别或者说它们的结构特点主要在输入端。因此当我们拿到一张 555 电路图时,在大致了解电路的用途之后,先看一下电路是 CMOS 型还是双极型,再看复位端(

  ①7 端悬空不用的一定是双稳电路。如有两个输入的则是双限比较器;如只有一个输入的则是单端比较器。这类电路一般都是作电子开关、控制和检测电路的用途。

  ②7 、 6 端短接并接有电阻电容、取 2 端作输入的一定是单稳电路。它的输入可以用开关人工启动,也可以用输入脉冲启动,甚至为了取得较好的启动效果在输入端带有 RC 微分电路。这类电路一般用作定时延时控制和检测的用途。

  ① 输入没有电容的是施密特触发器电路。这类电路常用作电子开关、告警、检测和整形的用途。

  ② 输入端有电阻电容而 7 端悬空的,这时要看电阻电容的接法:( a ) R 和 C 串联接在电源和地之间的是单稳电路, R 和 C 就是它的定时电阻和定时电容。( b ) R 在上 C 在下, R 的一端接在 V 0 端上的是直接反馈型无稳电路,这时 R 和 C 就是决定振荡频率的元件。

  ③7 端也接在输入端,成“ R A - 7 - R B - 6 、 2C ”的形式的就是最常用的无稳电路。这时 R A 和 R B 及 C 就是决定振荡频率的元件。这类电路可以有很多种变型:如省去 R A ,把 7 端接在 V 0 上;或者在 R B 两端并联二极管 VD 以获得方波输出,或者用电阻和电位器组成 R A 和 R B ,而且在 R A 和 R B 两端并联有二极管以获得占空比可调的脉冲波等等。这类电路是用途最广的,常用于脉冲振荡、音响告警、家电控制、电子玩具、医疗电器以及电源变换等用途。

  ( 3 )如果控制电压( V c )端接有直流电压,则只是改变了上下两个阀值电压的数值,其它分析方法仍和上面的相同。

  只要按上述步骤细心分析核对,一定能很快地识别 555 电路的类别和了解它的工作原理。下面的问题就比较好办了,例如定时时间、振荡频率等都可以按给出的公式进行估算。

  图 10 是用 555 电路制成的相片曝光定时器。从图看到,输入端 6 、 2 并接在 RC 串联电路中,所以这是一个单稳电路, R1 和 RP 是定时电阻, C1 是定时电容。

  电路在通电后, C1 上电压被充到 6 伏,输出 V 0 =0 ,继电器 KA 不吸动,常开接点是打开的,曝光灯 HL 不亮。这是它的稳态。

  A 吸动,点亮曝光灯 HL ,暂稳态开始。 SB 放开后电源向 C1 充电,当 C1 上电压升到 4 伏时,暂稳态结束,定时时间到,电路恢复到稳态。输出翻转成 V 0 =0 ,继电器 KA 释放,曝光灯熄灭。电路定时时间是可调的,大约是 1 秒~ 2 分钟。

  图 11 是 555 光电告警电路。它使用 556 双时基集成电路,有两个独立的 555 电路。前一个接成施密特触发器,后一个是间接反馈型无稳电路。图中引脚号码是 556 的引脚号码。

  三极管 VT 导通, VT 的集电极电压只有 0.3 伏,加在 555b 的复位端( MR ),使 555b 处于复位状态,即无振荡输出。

  图中 R1 是光敏电阻,无光照时阻值为几~几十兆欧,所以 555a 的输入相当于 R=0 、 S=0 ,输出 V 0 =1 ,

  当 R1 受光照后,阻值突然下降到只有几~几十千欧,于是 555a 的输入电压升到上阀值电压以上,输出翻转成 V 0 =0 , VT 截止, VT 集电极电压升高, 555b 被解除复位状态而振荡,于是扬声器 BL 发声告警。 555b 的振荡频率大约是 1 千赫。

  如果把整个装置放入公文包内,那么当打开公文包时,这个装置会发声告警而成为防盗告警装置。

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