555タイマーIC完全マスター：原理、ブロック図、回路図で徹底理解

このチュートリアルでは、史上最も人気があり広く使われているICの一つである555タイマーの仕組みを学びます。以下の動画を見るか、書面チュートリアルをお読みください。

概要

1971年にHans Camenzindによって設計された555タイマーは、おもちゃやキッチン家電から宇宙船まで、多くの電子機器に搭載されています。正確な時間遅延と発振を生成できる高安定性集積回路です。555タイマーには3つの動作モードがあります：バイステーブル、モノステーブル、アステーブルモード。

仕組み、内部回路図、ブロック図

555タイマーの内部を見て、3つのモードそれぞれでの動作を説明します。こちらが555タイマーの内部回路図で、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ています。

ブロック図で表すと、2つのコンパレーター、フリップフロップ、電圧分割器、放電トランジスタ、出力段で構成されます。

電圧分割器は3つの同一5kΩ抵抗で構成され、供給電圧（5〜15V範囲）の1/3と2/3の2つの基準電圧を作ります。

次に2つのコンパレーターです。コンパレーターは、正（非反転）入力端子と負（反転）入力端子の2つのアナログ入力電圧を比較する回路素子です。正入力電圧が負入力電圧より高ければ出力1、逆なら出力0になります。

第1コンパレーターの負入力は電圧分割器の2/3基準電圧と外部「制御」ピンに、正入力は外部「閾値」ピンに接続されます。

一方、第2コンパレーターの負入力は「トリガー」ピンに、正入力は電圧分割器の1/3基準電圧に接続されます。

こうして3つのピン（トリガー、閾値、制御）を使って2つのコンパレーターの出力を制御し、それらをフリップフロップのRとS入力に送ります。フリップフロップはR=0、S=1で出力1、R=1、S=0で出力0になります。さらに、外部「リセット」ピンでフリップフロップをリセットでき、2入力をオーバーライドしてタイマー全体をいつでもリセット可能です。

フリップフロップのQバー出力は出力段（出力ドライバー）に行き、負荷に200mAまでの電流をソース/シンクできます。フリップフロップの出力は、「放電」ピンをグラウンドに接続するトランジスタにも接続されます。

555タイマー - バイステーブルモード

555タイマーをバイステーブルモードで動作させる例を作ってみましょう。これには外部抵抗2個とプッシュボタン2個が必要です。

ICのトリガーとリセットピンを2つの抵抗経由でVCCに接続し、常にハイにします。2つのプッシュボタンをこれらのピンとグラウンドの間に接続し、押すと入力がローになります。

初期状態では、2つのコンパレーター出力は0、したがってフリップフロップ出力と555タイマー出力も0です。

トリガープッシュボタンを押すと、トリガー入力がローになり、コンパレーターがハイ出力、フリップフロップのQバー出力がローになります。出力段がこれを反転し、555タイマー最終出力がハイになります。

トリガープッシュボタンを離しても出力はハイのままです。このときフリップフロップのRとS入力はともに0となり、前の状態を保持するからです。出力をローにするにはリセットプッシュボタンを押し、フリップフロップとIC全体をリセットします。

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555タイマー - モノステーブルモード

次に、555タイマーのモノステーブルモード動作を見てみましょう。例の回路はこちら。

トリガー入力は抵抗経由でVCCに接続されハイに保たれます。つまりトリガーコンパレーターはフリップフロップのS入力に0を出力します。一方、閾値ピンはローで、閾値コンパレーターも0を出力します。閾値ピンがローなのは、フリップフロップのQバー出力がハイで放電トランジスタがアクティブなため、電源からの電圧がそのトランジスタを通ってグラウンドに逃げるからです。

555タイマー出力をハイにするには、トリガーピンのプッシュボタンを押します。これでトリガーピンがグラウンドされ、入力状態が0になり、コンパレーターがフリップフロップのS入力に1を出力します。これによりQバー出力がローになり、555タイマー出力がハイになります。同時に放電トランジスタがオフになり、コンデンサC1が抵抗R1を通って充電を開始します。

コンデンサ両端電圧が供給電圧の2/3に達するまでこの状態が続きます。そのとき閾値入力電圧が高くなり、コンパレーターがフリップフロップのR入力に1を出力。回路が初期状態に戻り、Qバー出力がハイになり、放電トランジスタもアクティブになり、IC出力も再びローになります。

555タイマー出力がハイである時間は、コンデンサが供給電圧の2/3まで充電される時間に依存し、それはコンデンサC1と抵抗R1の値によります。この時間は以下の式で計算できます：T = 1.1 × C1 × R1。

555タイマー - アステーブルモード

次に、555タイマーのアステーブルモード動作を見てみましょう。このモードではICが発振器、別名フリーランニングマルチバイブレーターになります。安定状態を持たず、外部トリガーなしでハイとローを連続的に切り替えます。アステーブルモードで動作する555タイマーの例示回路はこちら。

必要なのは2つの抵抗とコンデンサだけです。トリガーと閾値ピンが接続されているため、外部トリガーパルスは不要です。最初、電源が抵抗R1とR2を通ってコンデンサを充電し始めます。充電中、トリガーコンパレーターはトリガーピン入力電圧が供給電圧の1/3より低いため1を出力。Qバー出力は0、放電トランジスタはオフ。このとき555タイマー出力はハイです。

コンデンサ両端電圧が供給電圧の1/3に達すると、トリガーコンパレーターは0を出力しますが、この時点ではフリップフロップのRとS入力がともに0なので変化なし。コンデンサ電圧は上昇し続け、2/3に達すると閾値コンパレーターがフリップフロップのR入力に1を出力。放電トランジスタがアクティブになり、コンデンサが抵抗R2と放電トランジスタを通って放電開始。このとき555タイマー出力はローになります。

放電中、コンデンサ電圧は低下し、閾値コンパレーターはすぐ0を出力しますが、これもRとSがともに0なので変化なし。しかしコンデンサ電圧が供給電圧の1/3まで下がると、トリガーコンパレーターが1を出力。放電トランジスタがオフになり、コンデンサが再び充電開始。2/3と1/3の間での充放電プロセスが自動的に繰り返され、555タイマー出力に方形波が生成されます。

出力がハイとローになる時間は示された式で計算できます。ハイ時間はR1とR2両方の抵抗とコンデンサ容量に依存。一方、ロー時間はR2の抵抗とコンデンサ容量のみに依存。ハイとロー時間を足せば1サイクルの周期が得られ、周波数は1秒あたりの繰り返し回数なので、1/周期で方形波出力の周波数が求められます。

この回路に改良を加えれば、例えばR2を可変抵抗やポテンショメーターに変えることで、方形波の周波数とデューティサイクルを瞬時に制御できます。これについては次回の動画で、555タイマーを使ったPWM DCモーター速度コントローラーを作ります。

このチュートリアルを楽しんでいただき、何か新しいことを学んでいただけたら幸いです。ご質問は下のコメント欄でお気軽にお尋ねください。