555タイマーIC–動作原理、ブロック図、回路概略図

1971年にハンス・カーメンジンドによって設計された555タイマーは、おもちゃや台所用品から宇宙船に至るまで、多くの電子機器に使用されています。これは、正確な時間遅延と発振を生成できる非常に安定した集積回路です。 555タイマーには、双安定、単安定、非安定の3つの動作モードがあります。

仕組み、内部回路図、ブロック図

555タイマーの内部を詳しく見て、3つのモードのそれぞれでどのように機能するかを説明しましょう。これは、25個のトランジスタ、2個のダイオード、15個の抵抗で構成される555タイマーの内部回路図です。

ブロック図で表され、2つのコンパレータ、フリップフロップ、分圧器、放電トランジスタ、および出力段で構成されています。

分圧器は、供給電圧の1/3と2/3で2つの基準電圧を生成する3つの同一の5k抵抗で構成されており、範囲は5〜15Vです。

次は2つのコンパレータです。コンパレータは、正（非反転）と負（反転）の入力端子で2つのアナログ入力電圧を比較する回路要素です。正の端子の入力電圧が負の端子の入力電圧よりも高い場合、コンパレータは1を出力します。逆に、負の入力端子の電圧が正の端子の電圧よりも高い場合、コンパレータは0を出力します。 。

最初のコンパレータの負の入力端子は分圧器の2/3基準電圧と外部の「制御」ピンに接続され、正の入力端子は外部の「しきい値」ピンに接続されます。

一方、2番目のコンパレータの負の入力端子は「トリガー」ピンに接続され、正の入力端子は分圧器の1/3基準電圧に接続されます。

したがって、トリガー、スレッショルド、および制御の3つのピンを使用して、2つのコンパレータの出力を制御し、フリップフロップのRおよびS入力に供給することができます。フリップフロップは、Rが0でSが1の場合に1を出力し、その逆の場合、Rが1でSが0の場合に0を出力します。さらに、フリップフロップは「リセット」と呼ばれる外部ピンを介してリセットできます。 2つの入力をオーバーライドできるため、いつでもタイマー全体をリセットできます。

フリップフリップのQバー出力は、200mAの電流を負荷にソースまたはシンクできる出力ステージまたは出力ドライバーに送られます。フリップフリップの出力は、「放電」ピンをグランドに接続するトランジスタにも接続されています。

555タイマー–双安定モード

次に、双安定モードで動作する555タイマーの例を見てみましょう。そのためには、2つの外部抵抗と2つのプッシュボタンが必要です。

ICのトリガーピンとリセットピンは2つの抵抗を介してVCCに接続されており、そのようにして常にハイになっています。 2つのプッシュボタンはこれらのピンとアースの間に接続されているため、押したままにすると入力状態が低くなります。

最初は、2つのコンパレータ出力は0であるため、フリップフロップ出力と555タイマーの出力は0です。

トリガー押しボタンを押すと、トリガー入力の状態がLowになるため、コンパレーターがHighを出力し、フリップフリップQバー出力がLowになります。出力段はこれを反転し、555タイマーの最終出力はHighになります。

トリガープッシュボタンが押されていない場合でも、出力はハイのままになります。その場合、フリップフロップ入力RおよびSは0になり、フリップフロップは前の状態を変更しないことを意味します。出力をLowにするには、リセットプッシュボタンを押す必要があります。これにより、フリップフロップとIC全体がリセットされます。

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555タイマー–単安定モード

次に、単安定モードで555タイマーがどのように機能するかを見てみましょう。これが回路例です。

トリガー入力は、抵抗を介してVCCに接続することによりHighに保持されます。これは、トリガーコンパレータがフリップフロップのS入力に0を出力することを意味します。一方、しきい値ピンはLowであるため、しきい値コンパレータも0になります。フリップフロップのQバー出力がHighであるため、スレッショルドピンは実際にはLowです。これにより、放電トランジスタがアクティブに保たれ、ソースからの電圧がそのトランジスタを介してグランドに接続されます。

555タイマーの出力状態をHighに変更するには、トリガーピンの押しボタンを押す必要があります。これにより、トリガーピンが接地されるか、入力状態が0になるため、コンパレータはフリップフリップのS入力に1を出力します。これにより、Qバー出力がLowになり、555タイマー出力がHighになります。同時に、放電トランジスタがオフになっていることがわかります。これで、コンデンサC1が抵抗R1を介して充電を開始します。

555タイマーは、コンデンサの両端の電圧が供給電圧の2/3に達するまで、この状態のままになります。その場合、スレッショルド入力電圧は高くなり、コンパレータはフリップフリップのR入力に1を出力します。これにより、回路が初期状態になります。 Qバー出力がHighになり、放電トランジスタがアクティブになり、IC出力が再びLowになります。

したがって、555タイマーの出力がHighである時間は、コンデンサが供給電圧の2/3まで充電する必要がある時間に依存し、コンデンサC1と抵抗R1。今回は、T =1.1 * C1*R1の式で実際に計算できます。

555タイマー–非安定モード

次に、555タイマーが非安定モードでどのように機能するかを見てみましょう。このモードでは、ICは発振器になるか、フリーランニングマルチバイブレータとも呼ばれます。安定した状態ではなく、外部トリガーを適用せずに高と低を継続的に切り替えます。これは、非安定モードで動作する555タイマーの回路例です。

必要なのは2つの抵抗と1つのコンデンサだけです。トリガーピンとスレッショルドピンは相互に接続されているため、外部トリガーパルスは必要ありません。最初に、電圧源は抵抗R1とR2を介してコンデンサの充電を開始します。トリガーピンの入力電圧が供給電圧の1/3未満であるため、トリガーコンパレータの充電中は1が出力されます。これは、Qバー出力が0で、放電トランジスタが閉じていることを意味します。このとき、555タイマーの出力はHighです。

コンデンサの両端の電圧が供給電圧の1/3に達すると、トリガーコンパレータは0を出力しますが、この時点では、フリップフロップのR入力とS入力の両方が0であるため、変化はありません。コンデンサは上昇を続け、供給電圧の2/3に達すると、スレッショルドコンパレータはフリップフロップのR入力に1を出力します。これにより放電トランジスタがアクティブになり、コンデンサは抵抗R2と放電トランジスタを介して放電を開始します。この時点で、555タイマーの出力はローです。

放電中、コンデンサの両端の電圧は低下し始め、スレッショルドコンパレータはすぐに0を出力し始めます。これは、フリップフロップのR入力とS入力の両方が0であるため、実際には何も変化しません。コンデンサの両端が供給電圧の1/3に低下すると、トリガーコンパレータは1を出力します。これにより、放電トランジスタがオフになり、コンデンサは再び充電を開始します。したがって、供給電圧の2/3から1/3の間で充電および放電するこのプロセスは、それ自体で実行を継続し、555タイマー出力に方形波を生成します。

示されている式を使用して、出力がHighおよびLowである時間を計算できます。ハイタイムは、R1とR2の両方の抵抗、およびコンデンサの容量に依存します。一方、Low時間は、R2の抵抗とコンデンサの容量にのみ依存します。 HighとLowの時間を合計すると、1サイクルの期間が得られます。一方、周波数はこれが1秒間に何回発生するかであるため、期間全体で1つは、方形波出力の周波数を使用します。

この回路にいくつかの変更を加えると、たとえば、R2抵抗を可変抵抗またはポテンショメータに変更すると、方形波の周波数とデューティサイクルを即座に制御できます。ただし、これについては、555タイマーを使用してPWMDCモーター速度コントローラーを作成する次のビデオで詳しく説明します。

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