555定時(shí)器元件的選擇

海軍蚌埠士官學(xué)校 胡 凱

555定時(shí)器元件的選擇

海軍蚌埠士官學(xué)校 胡 凱

555定時(shí)器應(yīng)用廣泛，內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理也比較簡(jiǎn)單，按照構(gòu)成器件類型的不同，可以分為TTL型和CMOS型，外引腳分布和基本功能完全一樣，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)略有區(qū)別，主要性能參數(shù)也有所區(qū)別，使用過(guò)程中要根據(jù)負(fù)載或電路構(gòu)成的要求進(jìn)行選擇。

555定時(shí)器；性能參數(shù)；應(yīng)用選擇

555定時(shí)器又稱時(shí)基電路。555定時(shí)器按照內(nèi)部構(gòu)成元件分有雙極型（又稱TTL型）和單極型（又稱CMOS型）兩種。雙極型內(nèi)部采用的是晶體管即三極管；單極型內(nèi)部采用的則是場(chǎng)效應(yīng)管。按單片電路中包括定時(shí)器的個(gè)數(shù)分有單時(shí)基定時(shí)器和雙時(shí)基定時(shí)器兩種。常用的單時(shí)基定時(shí)器的最后三位數(shù)都是555，CMOS型產(chǎn)品型號(hào)的最后四位數(shù)都是7555，它們的邏輯功能和外部引線排列完全相同。555定時(shí)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，功能強(qiáng)大，主要用于信號(hào)產(chǎn)生、聲響模擬、電路報(bào)警，在各種玩具、家用電器、儀器儀表、控制電路當(dāng)中有著廣泛的應(yīng)用，其應(yīng)用電路也是院校數(shù)字電路課程教學(xué)重要的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。本人在數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)不同的電路，使用TTL型555定時(shí)器，和使用CMOS型產(chǎn)品，效果并不相同，兩者并不能簡(jiǎn)單的互換替代，

一、555定時(shí)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

常用的555定時(shí)電路主要由3個(gè)5K電阻器（因此稱為555定時(shí)器）組成的分壓器、兩個(gè)高精度電壓比較器、一個(gè)鎖存器、一個(gè)作為放電通路的三極管及輸出驅(qū)動(dòng)（緩存）電路組成，其電路結(jié)構(gòu)和管腳如圖1所示。

圖1 555定時(shí)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

其中電壓比較器通常采用開環(huán)運(yùn)算放大器，其輸出作為鎖存器輸入，控制鎖存器狀態(tài)的改變，鎖存器一般為RS觸發(fā)器，輸出緩存由一級(jí)或多級(jí)邏輯門（非門或與非門）電路構(gòu)成，決定555定時(shí)器輸出的狀態(tài)和驅(qū)動(dòng)電流的大小， CMOS型555電路在總體結(jié)構(gòu)和功能上與雙極型555電路是基本相同的，但在具體組成上也有一些區(qū)別。CMOS型555電路電壓比較器的分壓器采用的3只電阻的阻值為100K，而不是5K，這是為了適應(yīng)CMOS電路高輸入阻抗的需要；兩個(gè)電壓比較器的輸入端接法與雙極型電路不同，鎖存器（R-S觸發(fā)器）用兩只或非門組成，而雙極型電路采用的是與非門，這種觸發(fā)器是采用高電平或正脈沖觸發(fā)的，相應(yīng)地它的輸出關(guān)系也與與非門組成的觸發(fā)器不同，輸出端增加了一只反相器，以便和雙極型電路的輸出關(guān)系一致。這樣，整個(gè)電路的輸入-輸出關(guān)系就和雙極型電路完全相同了。

二、555定時(shí)器應(yīng)用電路舉例

555定時(shí)器主要是通過(guò)2、6、7等引腳外接電阻、電容構(gòu)成充放電電路，并由兩個(gè)比較器來(lái)檢測(cè)電容器上的電壓，控制3號(hào)引腳輸出電平的狀態(tài)和放電開關(guān)管的通斷，形成從微秒級(jí)到數(shù)十分鐘的延時(shí)，可以構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，多諧振蕩器，施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生或波形變換電路。

圖2 555定時(shí)器構(gòu)成的聲光報(bào)警電路

如圖2所示為555定時(shí)器構(gòu)成的聲光報(bào)警電路，電路由兩個(gè)555多諧振蕩器組成，第一個(gè)振蕩器的振蕩頻率為1-2Hz時(shí)，第二個(gè)振蕩器的振蕩頻率為1000Hz。將第一個(gè)振蕩器的輸出(3腳)接到第二個(gè)振蕩器的復(fù)位端(4腳)。在輸出高電平時(shí)，第二個(gè)振蕩器振蕩；輸出低電平時(shí)，第二個(gè)振蕩器停振。這樣，揚(yáng)聲器將按照一定規(guī)律發(fā)出間隙聲響。

三、元器件的選擇

（一）555定時(shí)器主要參數(shù)

雙極型的555電路常見的型號(hào)有NE555、LM555、CA555、CB555、FD555以及FX555等；CMOS型555電路常見的型號(hào)有ICM7555、CH7555、5G7555和CB7555等。兩種電路的參數(shù)是有一定差別的，使用時(shí)需要注意。根據(jù)電路功能和組成結(jié)構(gòu)的要求，選擇哪種類型的555定時(shí)器主要參考以下參數(shù)。

1.電源電壓和靜態(tài)電流

TTL型555電路的電源電壓一般為4. 5～16V，CMOS型555電路的電源電壓一般為3～18V，可見CMOS型555電路比TTL型電路的電源電壓范圍要寬。

靜態(tài)電流也稱電源電流，是555電路空載時(shí)的消耗電流。CMOS型555電路要比雙極型555電路的靜態(tài)電流小得多。靜態(tài)電流與電源電壓的乘積稱為電路的靜態(tài)功耗，在相同的電源電壓下，CMOS型555電路的靜態(tài)功耗大大低于雙極型555電路的靜態(tài)功耗。

2.驅(qū)動(dòng)電流

驅(qū)動(dòng)電流是指555電路驅(qū)動(dòng)負(fù)載時(shí)的工作電流，也稱負(fù)載電流，根據(jù)555電路的輸出狀態(tài)和負(fù)載的連接方式，可以分為“拉電流”和“灌電流”兩種驅(qū)動(dòng)負(fù)載方式。

如果負(fù)載接在555電路的輸出端與地之間，當(dāng)電路輸出高電平時(shí)，輸出電流會(huì)通過(guò)負(fù)載入地，這時(shí)由電路內(nèi)輸出并流過(guò)負(fù)載的電流稱為“拉電流”；如果負(fù)載接在電路的輸出端與電源之間，當(dāng)電路輸出低電平時(shí)，電流會(huì)通過(guò)負(fù)載流人555電路內(nèi)然后入地，這時(shí)流過(guò)負(fù)載進(jìn)入電路內(nèi)的電流稱為“灌電流”。對(duì)于CB555來(lái)說(shuō)，兩種電流的最大值均為200mA；對(duì)于CB7555，吸入電流為5～20mA，拉出電流為1～5mA，電流的大小和使用工作電源電壓有關(guān)。

以NE555為例，NE555是TTL型555時(shí)基電路，在空載時(shí)，其輸出端3腳輸出的高電平約比供電電壓低1V左右，輸出低電平一般不大于0.5V。帶上負(fù)載時(shí)，負(fù)載越重，輸出的高電平被拉得越低，若是灌電流負(fù)載，那么負(fù)載越重，輸出的低電平被抬得越高。NE555的輸出端3腳不論是輸出電流還是灌入電流，最大皆可以達(dá)到200mA。

3.最高工作頻率

最高工作頻率是指555電路用作振蕩器使用時(shí)，輸出振蕩脈沖所能達(dá)到的頻率。對(duì)于多數(shù)類型的555電路，它們的最高工作頻率約為500kHz。

4.定時(shí)精度

定時(shí)精度是指555電路用作單穩(wěn)態(tài)定時(shí)器時(shí)的定時(shí)精度。對(duì)于TTL型電路，它的定時(shí)精度一般為1%；對(duì)于CMOS型電路，它的精度約為2%。

比較兩種類型的555定時(shí)器，CMOS型電壓適用范圍寬，靜態(tài)功耗小，而TTL型驅(qū)動(dòng)電流大，帶負(fù)載能力更強(qiáng)一些，構(gòu)成的振蕩電路輸出信號(hào)頻率精度更高一些。

（二）555定時(shí)器的選擇

在上述聲光報(bào)警電路中，本人最開始采用了兩片ICM7555定時(shí)器，但揚(yáng)聲器發(fā)不出聲音，或者聲音比較弱，經(jīng)電路檢查，排除接線以及其他元件故障的原因，換成NE555后，該電路工作正常。那么，使用555定時(shí)器構(gòu)建應(yīng)用電路時(shí)，應(yīng)該以什么為依據(jù)進(jìn)行選擇呢？

從本例電路參數(shù)設(shè)置來(lái)看，對(duì)于元件電源電壓、靜態(tài)電流、定時(shí)精度等參數(shù)沒(méi)有特殊要求，選擇哪種類型的555定時(shí)器主要選擇的依據(jù)是驅(qū)動(dòng)電流和工作頻率，一般555定時(shí)器最高工作頻率可達(dá)500KHz，從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，本例中無(wú)論選擇TTL或者CMOS型都可以，因此，選擇的標(biāo)準(zhǔn)主要就是考慮驅(qū)動(dòng)電流的要求。第一級(jí)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)的是發(fā)光二極管和第二級(jí)555定時(shí)器的復(fù)位端（4號(hào)引腳），這兩者需要的驅(qū)動(dòng)電流都不大，普通發(fā)光二極管一般只需5～10mA的驅(qū)動(dòng)電流，復(fù)位驅(qū)動(dòng)電流只需幾mA（2～3個(gè)與非門），采用TTL和CMOS都符合要求，那么選用的標(biāo)準(zhǔn)就剩下第二級(jí)負(fù)載揚(yáng)聲器的驅(qū)動(dòng)要求了。

根據(jù)原理圖，輸出端采用了8Ω動(dòng)圈揚(yáng)聲器，額定阻抗為8歐，揚(yáng)聲器實(shí)際阻抗是具有隨頻率變化的特征，稱為揚(yáng)聲器阻抗特征，它在低頻共振頻率f0時(shí)呈最大值。待過(guò)了共振頻率f0頻率逐漸升高時(shí)，阻抗會(huì)出現(xiàn)一個(gè)最小值這時(shí)的阻抗就稱為額定阻抗，它一般是音圈直流阻抗R的1.05-1.1倍，如8歐額定阻抗，實(shí)測(cè)音圈直流電阻應(yīng)該在7.2歐左右。

假設(shè)揚(yáng)聲器額定功率為0.25W，那么揚(yáng)聲器正常工作需要的電流可以通過(guò)如下公式估算：

P=I2R

若P=0.25W，R=7.2Ω，計(jì)算可得揚(yáng)聲器需要的驅(qū)動(dòng)電流I大概約為186mA，比較CMOS型和雙極型555器件的驅(qū)動(dòng)電流，TTL型555器件驅(qū)動(dòng)電流的最大值可達(dá)200mA，而對(duì)于CMOS型，灌電流為5～20mA，拉電流為1～5mA，很明顯雙極型555器件更符合要求，因此本例中的555定時(shí)器需選擇TTL型，才能符合揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)電流的要求。若使用CMOS型則需增加功率驅(qū)動(dòng)電路。

通過(guò)上述分析，可以知道，同等類型的555定時(shí)器可以互換替代，TTL型輸出驅(qū)動(dòng)電流相對(duì)較大，可以直接驅(qū)動(dòng)繼電器、低阻抗揚(yáng)聲器、小型電機(jī)等負(fù)載，適用于驅(qū)動(dòng)電流較大，定時(shí)時(shí)間相對(duì)較短的電路；CMOS型的輸出驅(qū)動(dòng)電流要小一些，但靜態(tài)電流和功耗小，工作電源電壓范圍也更寬一些，更適用于與運(yùn)算放大器及其它數(shù)字或模擬電路公用同一套電源，從而簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)，也具有更好的抗干擾特性，適用于定時(shí)長(zhǎng)、負(fù)載小的場(chǎng)合。

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