Systemprobleme und Vorteile des NE555

Wir verweisen auf ein allgemeines Datenblatt, das TI NE555-Datenblatt.

Stromverbrauch

Der NE555 ist wirklich leistungshungrig. Wie in erfordert es realistisch eine Versorgungsspannung> = 5 V und verwendet einen typischen Strom von 10 mA bei keiner Last , ohne Schalten ; das sind mindestens 50 mW für nichts zu tun. Moderne Mikrocontroller arbeiten bei niedrigeren Spannungen und sind in der Regel alles aktiviert, auch wenn sie nicht verwendet werden ( Beispieldatenblatt) mit einer Taktrate von beispielsweise 12 MHz (was für die Synthese weit mehr als ausreichend sein sollte) jede Signalform, die der NE555 erzeugen könnte) die Hälfte davon; Realistisch gesehen würden Sie Ihre MCU jedoch mit einer niedrigeren Frequenz betreiben und sie die meiste Zeit schlafen lassen, wenn Sie sie in den meisten Anwendungen als Ersatz für einen NE555 verwenden.

Es gibt CMOS-basierte xx555-ICs, die einen deutlich geringeren Stromverbrauch haben, aber die anderen Nachteile des NE555 gemeinsam haben.

In einer Anwendung, in der Sie mit diesen CMOS-basierten 555 für selten auftretende Schaltvorgänge wirklich arbeiten können, können sie eine gute Lösung für ein häufiges Problem mit geringem Stromverbrauch darstellen.

Versorgungsspannung

1. Der NE555 benötigt zum Betrieb> 4,5 V; in der Regel mehr. Sehr wenige moderne Anwendungen benötigen noch eine 5-V-Versorgung. Sie befinden sich häufig in einer Situation, in der Sie nur eine höhere Versorgungsspannung hinzufügen, um Ihren NE555 zu verwenden. Dies verkompliziert die gesamte Schaltung, wird jedoch häufig ignoriert.
2. Der NE555 reagiert empfindlich auf Versorgungsspannungsschwankungen. Nicht einmal, weil es nicht perfekt ist - es ist nur so, wie es entworfen wurde: Schwellenspannung, Trigger- und Reset-Spannungen, aber auch Ausgangsströme sind alle Funktionen des Versorgungsstroms; und: keine linearen Funktionen davon - so dass eine Änderung der Versorgungsspannung bedeutet, dass sich das Verhalten Ihrer Schaltung ändert.
   Das bedeutet, dass Sie Ihren 555 immer für eine gut regulierte Versorgung verwenden möchten. Dies fügt Ihrer Schaltung wiederum "versteckte" Komplexität hinzu.
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Nun sind Versorgungsregelkreise für Anwendungen mit geringem Stromverbrauch (dh wenn Sie nicht NE555, sondern eine CMOS-Variante verwenden) einfach, und Sie möchten auf jeden Fall eines davon, sodass dies möglicherweise nicht so trostlos ist, wie es sich anhört zuerst.

Abhängigkeit von passiven Komponentenwerten

In den meisten Anwendungen wird das Timing dessen, was der 555 erzeugt, von einem oder mehreren Kondensatoren gesteuert.

Kondensatoren sind nun interessante Komponenten:

1. Ihre Größe wird größer, je größer ihr Wert ist,
2. Leider gilt das Gleiche für Toleranzen und
3. Viele Arten von Kondensatoren altern , d. h. sie ändern ihre Werte im Laufe der Zeit (insbesondere Elektrolytkondensatoren, die verwendet werden, wenn Sie eine große Kapazität benötigen)
4. ... und Übertemperatur
5. ... und Überfrequenz (obwohl dies bei 555 Anwendungen, die von Natur aus langsam sind, weniger wichtig ist)
6. ... und Überspannung.
7. Kondensatoren erhalten sogar selten niedrigere Toleranzen als 5%
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Natürlich sind Widerstände auch nicht perfekt, aber sie können in viel engeren Toleranzen verwendet werden und ändern sich im Allgemeinen im Laufe der Zeit viel weniger. Sie haben zwar eine Temperaturabhängigkeit, aber das ist hier weitgehend unbedeutend.

Das bedeutet von Natur aus, dass jede Schaltung, die Sie mit einem 555 bauen, der ein bestimmtes Zeitverhalten ziemlich genau erfüllen muss, von Hand abgestimmt und häufig nach einiger Zeit neu abgestimmt werden muss.

Andererseits ist dies, insbesondere in den Einstellungen von educative, ein äußerst wertvolles Werkzeug, um Menschen über Dinge zu unterrichten, die Sie mit analogen Strömen, Ladekondensatoren usw. tun können. Für didaktische Zwecke könnte der 555 daher eine good-Wahl sein.

Begrenzte Genauigkeit des Chips selbst

Das Datenblatt garantiert nicht viel; Ein maximaler anfänglicher Timing-Fehler von 3%, selbst wenn alle Ihre passiven Komponenten perfekt sind.

Geschwindigkeit

Abgesehen von der Genauigkeitsbeschränkung am unteren Ende der Geschwindigkeit (aufgrund der begrenzten Größe genauer Kondensatoren) ist der NE555 mit modernen Mitteln eine ziemlich langsame Komponente.Zum Beispiel liegen die Ausbreitungszeiten ansteigender Eingangsflanken in der Größenordnung von 1 µs - das bedeutet praktisch, dass alles über 100 kHz von Natur aus problematisch ist, und darunter erhält man immer noch viele der verlustärmsten Bereiche des Ausgangs.

Verwenden Sie also im Allgemeinen für alles, was "HF" ist, nicht den NE555, für alles, was langsam ist, verwenden Sie nicht den NE555.Das wirft die Frage auf, was der eigentliche "Sweet Spot" für diese Komponente wirklich wäre ...

Andererseits fällt Audio in diesen Bereich.

Störungen

Das genaue Verhalten beim Einschalten ist nicht so genau definiert.Spannungsspitzen während des Spannungsanstiegs können sehr wohl Ausgangsänderungen auslösen, was die gesamte 555-Familie für Anwendungen mit Einschaltverzögerung etwas unerwünscht macht.

Silego Greenpak kann die meisten, wenn nicht alle dieser 555-er Dinge und noch viel mehr, bei stark reduzierter Leistung und sehr geringen Kosten (weniger als 20 Cent).

Mehr: Ich erinnere mich gern daran, als Teenager mit dem 555 gespielt zu haben. Aber so nützlich und unterhaltsam es damals war, vor einigen (murmelnden) Jahrzehnten, ich betrachte es jetzt als ein XY-Problem. Für jede Anwendung, die möglicherweise einen 555 verwendet, gibt es wahrscheinlich einen besseren / billigeren / zuverlässigeren Weg.

Der verstorbene, großartige Bob Pease teilte diese Ansicht: https://www.electronicdesign.com/technologies/analog/article/21802160/whats-all-this-555-timer-stuff-anyway

Wie heißt dieses Ding überhaupt Greenpak? Es ist ein kleines programmierbares Mixed-Signal-Array, das Logik, Zählen / Timing, PWM, Komparatoren und andere Blöcke enthält. Einige haben sogar große FETs mit Stromerfassung. Denken Sie daran: all diese Tools in einem sehr kleinen Paket und praktisch ohne NREs. Apple hat viele davon gekauft (vielleicht noch), so gut sind sie.

Link: http://www.silego.com/buy/

Haftungsausschluss: Ich arbeite nicht für Silego, Dialog oder Apple. Ich habe ihre Produkte in Konsumgütern gut genutzt. Andererseits habe ich noch nie einen 555 in einem Produkt verwendet.

BONUS: ein Silego, der buchstäblich als 555 programmiert ist: https://www.dialog-semiconductor.com/sites/default/files/an-cm-278_implementation_of_555_timer_using_greenpak.pdf

Anwendungsspezifischer Austausch - Monostabiler Betrieb (z. B. One-Shot-Timer)

Typisches NE555-Schema

Probleme

• Geringe Genauigkeit
  • Besonders bei langen Verzögerungen, die große Kapazitäten erfordern, sehr geringe Genauigkeit

Nicht-555-Ansätze

1. Mikrocontroller
2. FET-Trigger mit geringer Komplexität
3. RC Zeitkonstanten-basierte gepufferte Lösung
4. Spezielle Timer-ICs
5. Oszillatorgespeiste Zähler
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Mikrocontroller

Wenn Ihre Anwendung bereits einen Mikrocontroller enthält, versuchen Sie, die Funktion des 555 darin zu übernehmen. Es ist sogar sinnvoll, den Mikrocontroller nicht schlafen zu lassen, da die Versorgungsströme der Mikrocontroller normalerweise niedriger sind als die eines NE555. In vielen Fällen würde ein einfaches "Wake-on-Interrupt" jedoch völlig ausreichen und Anwendungen mit extrem geringem Stromverbrauch ermöglichen.

Wenn Sie noch keinen Mikrocontroller in Ihrer Anwendung haben, lohnt es sich möglicherweise, dies weiter zu verfolgen: Kleine Mikrocontroller wie der Attiny benötigen höchstens eine externe passive Komponente (eine Entkopplungskappe) und integrieren dabei interne Oszillatoren alles andere als perfekt, sind immer noch besser als eine NE555-Schaltung.

Also, minimale NE555-Schaltung: 1 × NE555 + 4 × Passive, ohne Berücksichtigung der Stabilisierung der Versorgungsspannung. Minimale Mikrocontroller-Schaltung: 1 × MCU + 1 × Entkopplungskappe. Das ist oft sogar noch billiger, wenn Sie die Montagekosten und den Platz auf der Platine berücksichtigen!

Fast alle Mikrocontroller verfügen über einen eingebauten Oszillator, den sie verwenden können. Sie haben oft eine geringe Genauigkeit (1 bis 5% Toleranz sind nicht selten, daher sind sie nur geringfügig besser als 555 Lösungen). Meistens können Sie jedoch auch einen externen Quarzkristall verwenden, der Ihnen eine Genauigkeit bietet, die in der Teile pro Million. Das erhöht natürlich die Anzahl der Teile um 3 (Kristall und normalerweise zwei Kappen), so dass Ihre Mikrocontroller-Lösung im schlimmsten Fall so komplex ist wie Ihre 555-Lösung und nur viel mehr Probleme lösen kann ...

FET-Trigger mit geringer Komplexität

Grundsätzlich: Laden oder Entladen eines Kondensators über einen Widerstand; Verbinden Sie das Gate eines (MOS) FET mit dem Kondensatorpotential. Wenn die Spannung am Kondensator einen Schwellenwert überschreitet, ändert sich das Verhalten des Transistors drastisch.

Dies leidet unter

• Versorgungsspannungsabhängigkeit,
• Triggersignalabhängigkeit und am schlimmsten von
• Variationen und Genauigkeit von Kondensator- und Transistorteilen.

Grundsätzlich war das Entladen / Laden von Kondensatoren, die an einen Transistor angeschlossen waren, die typische Methode zur Implementierung von Timern, bevor der NE555 überhaupt existierte (und das war 1971 !!). Es ist daher in der Regel noch ungenauer als die Verwendung eines 555, aber es ist auch noch einfacher, die Teile zu erhalten, und wenn Sie ernsthaft daran denken, heute einen 555 zu verwenden, ist Ihnen die Präzision möglicherweise sowieso egal.

Der NE555 ist ein BJT-Teil, was der Hauptgrund für den unzureichenden Stromverbrauch ist. Sie können es besser machen als mit einem MOSFET, aber dann können Sie auch einen xx555 verwenden, der auf CMOS-Technologie basiert.

Dies ist also eine Nischenlösung für Anwendungsfälle mit geringen Anforderungen, bei denen Sie ohnehin mehr an die Teile in Ihrer Teileschublade gebunden sind als an Einschränkungen Ihrer Anwendung.

RC Zeitkonstanten-basierte gepufferte Lösung

Um zumindest die Abhängigkeit von Versorgung und diskreten Halbleitern zu beheben, ist die Verwendung eines Logikgatters (normalerweise ein "NICHT" oder "UND" oder so) oder eines Puffers mit genau definierten Eingangs- und Ausgangsspannungen ein geeigneter Ansatz. Das Schmitt-Auslöseverhalten kann auch wünschenswert sein, wenn Ihre Eingabe verrauscht ist oder langsam ansteigt.

Um den Einfluss auf die Eigenschaften der Eingabe weiter zu beseitigen, ist ein Puffer (oder Gate), der auf die Eingabe angewendet wird, gut geeignet, insbesondere da solche häufig in Mehrkomponenten-ICs (z. B. vier Puffer in einem IC) verkauft werden:

^{simulieren diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab sup>}

Beachten Sie, dass Sie oben die Puffer durch Wechselrichter ersetzen können, ohne den Vorgang zu ändern.

Aufgrund der hohen Eingangsimpedanz moderat moderner Logik-ICs können Sie hohe Werte für den Widerstand und damit niedrige Werte für den Kondensator auswählen, wodurch der Stromverbrauch sehr niedrig ist.

Nachteil ist immer noch

Das Verhalten von
• hängt von den spezifischen Komponenten, insbesondere dem Kondensator, dem spezifischen Wert und
ab
• Es ist normalerweise schwierig, den Einfluss der Versorgungsspannung vollständig zu beseitigen.

Aber: Aufgrund der oben erwähnten hohen Eingangsimpedanz ist es oft einfacher, Langzeit-Timer zu erstellen als mit einem 555 auf diese Weise.

Spezielle Timer-ICs

Wenn Sie wirklich nur eine "Ich zahle den Preis, geben Sie mir einfach eine praktisch stromlose Lösung" benötigen, insbesondere für hochzuverlässige Anwendungen, bei denen Sie einen Hardware-Watchdog außerhalb der MCU benötigen:

TI stellt den TPL5100 her; Es ist wahrscheinlich nicht der einzige IC seiner Art.

Oszillatorgespeiste Zähler

Ein kleines Spielzeug, aber wenn Sie entweder einen Oszillator haben, den Sie verwenden könnten, oder wenn Sie die Genauigkeit des Quarzoszillators ohne Verwendung eines Mikrocontrollers wünschen:

• Verwenden Sie einen Wechselrichter-IC und einen Quarz als Quelle für hochgenaue Frequenzen
• Verwenden Sie einen Zähler-IC, um die Anzahl der Schwingungen zu zählen, die Sie in Ihrer Anwendung benötigen.
• Verwenden Sie Logikgatter, um Ihre Ausgabe genau dann zu ändern, wenn die richtige Anzahl von Schwingungen aufgetreten ist
• ... und setzen Sie den Zähler an diesem Punkt zurück.

Dies ist besonders einfach, wenn Ihre Zeitintervalle eine Potenz von 2 Ihrer Oszillatorperioden sind.Sie können Binärzähler kaskadieren.

Der bipolare 555-Timer ist im Wesentlichen veraltet.Das CMOS-Äquivalent ist jedoch in modernen Schaltungen und Produkten immer noch weit verbreitet.

Zum Beispiel verwendet eine meiner Lieblingsschaltungen einen einzelnen TLC555-Timer, zwei Widerstände und zwei Kondensatoren, um eine enge Annäherung an eine Sinuswelle mit fester Frequenz zu erzeugen.Relativ stabile Ausgangsfrequenz auch bei variierender Versorgungsspannung.Die Ausgangsimpedanz ist ziemlich hoch, kann aber leicht durch Hinzufügen eines einzelnen Bipolartransistorpuffers und eines einzelnen Widerstands behoben werden.

Beide Ansätze benötigen normalerweise einen Wechselstromkopplungskondensator, um den Gleichstromversatz des Ausgangssignals zu beseitigen.

Ja - Sie können einen wirklich kostengünstigen Mikrocontroller verwenden, um so etwas Ähnliches zu erreichen, aber das erfordert tatsächlich mehr Komponenten, wenn Sie den Ausgangsfilter hinzufügen, der Taktartefakte beseitigt.

Es gibt buchstäblich Tausende von Anwendungen, bei denen der CMOS 555-Timer nur leuchtet.Ich gehe davon aus, dass es noch viele Jahrzehnte verfügbar sein wird.

Anwendungsspezifischer Austausch - Rampengenerator

Typisches NE555-Schema

TBA.

Upsides

• Genau das, wofür der 555 optimiert wurde
• Lösung mit geringer Komplexität für ein Problem, das relativ komplex erscheint
• hoher Bildungswert

Probleme

• Starke Abhängigkeit von passiver und 555 Genauigkeit

Ansätze

Typische Ansätze:

1. Operationsverstärker-Integrator
2. Digitale Signalerzeugung
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Operationsverstärker-Integrator

Operationsverstärker-Integratoren sind einfach zu bauen: Laden Sie einfach einen Kondensator in der Rückkopplungskette auf. Sie erhalten das negative Integral Ihres Eingangssignals mit einer von Kondensator und Eingangswiderstand definierten Steigung.

Wenn nötig, machen Sie die Eingabe zuverlässig, indem Sie zuerst einen Puffer (oder einen anderen Operationsverstärker in einer (gedämpften) Komparatorkonfiguration) darauf verwenden.

Ramp generator



^{simulieren diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab sup> _{allgemeiner Opamp-Integrator, der als Rampengenerator verwendet wird sub>}}

Dies gibt Ihnen einfach eine konstante Steigung nach oben, bis der Ausgang das Maximum des Operationsverstärkers erreicht (normalerweise eingestellt durch die Versorgungsspannung Ihres Operationsverstärkers). Die Steigung ist einfach

$$ - \ frac {V_ \ text {in}} {R_2 \ cdot C_1} \ text, $$ span>

Für eine Dreieckswelle würden Sie einfach eine Rechteckwelle einspeisen, deren Mittelpunkt der Boden ist, der für den nicht invertierenden Eingang verwendet wird:

T-Winkelwellengenerator



^{simulieren diese Schaltung sup> Operationsverstärker-Integrator, der mit einer virtuellen Masse bei halber VCC verwendet wird und mit einer Rechteckwelle mit einem Tastverhältnis von 50% gespeist wird, um eine Dreieckswelle zu erzeugen. sub>}

Beachten Sie, dass die Abwärtsneigung auftritt, während Ihre Eingabe hoch ist, und umgekehrt!

controllable Sawtooth-Wave-Generator

Wenn die Rampe periodisch sein soll (d. h. eine Sägezahnwelle), kann der Kondensator gegen Masse kurzgeschlossen werden.



^{simulieren diese Schaltung sup>}

_{Operationsverstärker-Integrator, der mit einer virtuellen Masse bei halber VCC, jedoch mit einer "Schnellentladungs" -Diode sub>}

verwendet wird

Wenn Sie die obige Dreieckswellenerzeugung verstanden haben, ist dies ziemlich einfach: Solange Ihr Eingang Null ist, sind beide Dioden in Sperrrichtung und lassen keinen signifikanten Strom durch. Es funktioniert wie die obige Dreiecksgeneration. Der Kondensator lädt sich allmählich auf

Sobald Sie den Eingang hoch ziehen, sind beide in Vorwärtsrichtung vorgespannt, und der Kondensator wird schnell über D1 entladen, und schließlich wird der Ausgang auf die Eingangsspannung hochgezogen (minus dem doppelten Diodenvorwärtsabfall, weshalb Schottky Für diese Anwendung sind Dioden vorzuziehen. Stellen Sie sicher, dass Sie einige mit geringem Leckstrom und ausreichender Größe verwenden, um beim Entladen von C1) nicht zu brennen.

Nachdem Sie kurz hochgezogen haben, beginnen Sie Ihren nächsten Rampenzyklus.

Dies gibt Ihnen einen fallenden Sägezahn, der von niedrig nach hoch springt und von hoch nach niedrig steigt. Wenn Sie das Gegenteil wünschen, schließen Sie nachher einen invertierenden Operationsverstärker an.

Digitale Signalerzeugung

Kurz gesagt: Der Mikrocontroller erzeugt eine Step-Py-Spannungsrampenfunktion, ein Rekonstruktionsfilter glättet dies.

Eine solche Spannungsrampe kann entweder von einer PWM-Einheit oder einem dedizierten DAC erzeugt werden. Sie können auch einen Operationsverstärker-Integrator (siehe oben) verwenden, um eine konstante Ausgangsspannung in eine Rampe umzuwandeln.

Für die Glättung kann je nachdem, wie oft Sie Ihre Ausgabe pro Sekunde ändern, ein einfacher RC-Tiefpass ausreichen. Wenn Sie sehr klug sein möchten: Wenn Sie eine Schottky-Diode parallel zum Widerstand schalten, können Sie den Kondensator langsam laden und schnell entladen (oder umgekehrt).

Dies gibt Ihnen (innerhalb der Bandbreite Ihres DAC) absolute Freiheit über die Signalform.Dies gibt Ihnen oft die Freiheit, andere Probleme entlang der Signalkette zu lösen: Angenommen, Sie benötigen Ihre Dreieckswelle, um einige schwere Maschinen anzuregen.Aber: Ihre Fahrerstufe ist stark nichtlinear, sodass die Dreieckswelle, in die Sie einspeisen, viel glatter ausfällt.Einfach zu kompensieren, indem Sie Ihre digitalen Dreieckwellen-Samples vorverzerren!