555定时器的内部结构及其在单稳态模式中的典型应用

2024-03-13 15:47:27 8,778

555定时器是一种集成电路，常用于产生精确的时间延迟、脉冲信号和方波信号等。它是由三个5kΩ电阻组成的电阻网络和一个比较器、一个RS触发器、一个放大器以及一个开关电容器组成。555定时器可以工作在脉冲宽度调制（PWM）模式、单稳态模式和多谐振荡器模式。

555定时器是Signitick公司于1971年推出的，由于其使用方便、价格低廉、可靠性好，被广泛应用于电子电路的设计中。许多制造商生产 555 芯片，包括使用双极晶体管的传统型号和使用 CMOS 设计的版本。555被认为是年产量最高的芯片之一。仅2003年一年，芯片数量就达到约10亿个。

555定时器引脚图

555定时器的三种工作模式

单稳态模式

在单稳态工作模式下，555定时器作为单稳态脉冲发生器工作。当触发输入电压下降到VCC的1/3时，开始输出脉冲。输出脉冲宽度取决于定时电阻和电容组成的RC网络的时间常数。当电容电压上升到VCC的2/3时，输出脉冲停止。根据实际需要，可以通过改变RC网络的时间常数来调节脉冲宽度。

输出脉冲宽度t，即电容电压充电至VCC的2/3所需的时间由以下公式给出：

虽然一般认为，当电容电压充电到VCC的2/3时，电容会通过OC门瞬间放电，但实际上，仍然需要一段时间才能完成放电。这段时间称为“放松时间”。在实际应用中，触发源的周期必须大于弛豫时间和脉冲宽度之和（实际上在工程应用中要大得多）。

双稳态模式

双稳态工作模式下的555芯片类似于基本的RS触发器。该模式下，触发引脚（引脚2）和复位引脚（引脚4）通过上拉电阻接高电平，阈值引脚（引脚6）直接接地，控制引脚（引脚5）通过小电容（0.01～0.1μF）接地，放电引脚（7脚）悬空。因此，当引脚2输入高电压时输出被置位（误差应在以下），当引脚4接地时输出被复位。

非稳定模式

555定时器在非稳态工作模式下可以输出特定频率的连续方波。电阻R1连接在VCC和放电引脚（引脚7）之间，另一个电阻（R2）连接在引脚7和触发引脚（引脚2）之间，引脚2短接到阈值引脚（引脚6）。工作时，通过R1、R2将电容充电至2/3VCC，然后输出电压反转，再通过R2将电容放电至1/3VCC，之后对电容重新充电，输出电压再次反转。

对于双极性555，使用较小的R1会导致OC门在放电时达到饱和，使得输出波形的低电平时间比上面计算的结果长很多。

为了获得占空比小于50%的矩形波，可以在R2上并联一个二极管。充电时这个二极管导通，将R2短路，使电源只通过R1给电容充电；放电时关闭，达到减少充电时间、降低占空比的效果。

555定时器内部框图

555集成时基电路称为集成定时器，是一种数字和模拟混合型的中规模集成电路，应用非常广泛。该电路灵活、使用方便。它可以用少量的外部电阻电容元件构成单稳态、多谐波和施密特触发器，因此广泛用于信号发生、转换、控制和检测。其内部电压标准采用3个5K电阻，故命名为555电路。电路有双极型和CMOS两种，其工作原理和结构相似。几乎所有双极产品型号的后三位都是555或556；所有CMOS产品型号的最后四位都是7555或7556。两者的逻辑功能和引脚排列相同，易于互换。555和7555是单定时器，556和7556是双定时器。双极型的电压为+5V~+15V，最大输出电流可达200mA，CMOS型的电源电压为+3V~+18V。

555电路的内部电路框图如上图所示。它包含两个电压比较器、一个基本RS触发器和一个放电开关T。比较器的参考电压经过三个5KΩ电阻分压，使高电平比较器同相比较端的参考电平A1和低压比较器A2的反相输入端分别达到2/3Vcc和1/3Vcc。A1、A2输出端控制RS触发器的状态和放电管的开关状态。当输入信号输入超过2/3Vcc时，触发器复位，555的输出脚3输出低电平，同时放电，开关管导通；当输入信号从2脚输入，低于1/3Vcc时，触发复位，555的3脚输出高电平，同时放电，开关管截止。

Rd为复位端，为0时555输出低电平。通常，此端悬空或连接至VCC。

Vc为控制电压端（引脚5），通常输出2/3Vcc作为比较器A1的参考电平。当5脚接输入电压时，改变比较器的参考电平，实现另一种输出控制，不接外部电压时，通常会接一个0.01uf的电容到地，起到滤波的作用。消除外界干扰，保证参考电平的稳定性。

T是放电管。当T导通时，它将为连接到引脚7的电容器提供低电阻放电电路。

555定时器的典型应用

(1)构成单稳态触发器

上图是555定时器和外部定时元件R、C组成的单稳态触发器，D是钳位二极管。稳态时，555电路的输入端为电源电平，内部放电使开关管T导通，输出端Vo输出低电平。当外部负脉冲触发信号加到Vi端，使2端电位瞬间低于1/3Vcc时，低电平比较器动作，单稳态电路开始稳态过程，电容器C启动充电时，Vc将呈指数增长。当Vc充电至2/3Vcc时，高电平比较器动作，比较器A1翻转，输出Vo由高电平恢复为低电平，放电开关管T再次导通，电容C上的电荷很快通过放电开关管放电，瞬态结束，恢复稳定，准备下一个触发脉冲的到来。波形图如图所示。

瞬态稳态Tw的持续时间（即延迟时间）由外部元件R和C的大小决定。

TW=1.1RC

通过改变R和C的大小，延迟时间可以在几微秒到几十分钟之间变化。该单稳态电路用作定时器时，可直接驱动小型继电器，将复位端接地即可终止瞬态并重新计时。另外，需要在继电器线圈上并联一个续流二极管，以防止继电器线圈的反电动势损坏内部功率管。

(2) 构成多谐振荡器

如图所示，555定时器与外部元件R1、R2、C组成多谐振荡器，2脚和6脚直接相连。该电路没有稳态，只有两种瞬态稳态，电路不需要外部触发信号。电源通过R1、R2对C充电，C通过R2向放电端Dc放电，使电路振荡。电容C在2/3Vcc和1/3Vcc之间充放电，在输出端得到一系列矩形波。相应的波形如图所示。