555定时器工作原理及应用实例土豪版.docx
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555定时器工作原理及应用实例土豪版
555定时器
555定时器是一种多用途的数字—模拟混合集成电路，利用它能极方便地构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。
本文主要介绍了555定时器的工作原理及其在单稳态触发器、多谐振荡器方面的应用。
关键词：
数字—模拟混合集成电路；施密特触发器；波形的产生与交换
1概述
1.1555定时器的简介
自从signetics公司于1972年推出这种产品以后，国际上个主要的电子器件公司也都相继的生产了各自的555定时器产品。
尽管产品型号繁多，但是所有双极型产品型号最后的3位数码都是555，所有CMOS产品型号最后的4位数码都是7555.而且，它们的功能和外部引脚排列完全相同。
1.2555定时器的应用
（1）构成施密特触发器，用于TTL系统的接口，整形电路或脉冲鉴幅等；
（2）构成多谐振荡器，组成信号产生电路；
（3）构成单稳态触发器，用于定时延时整形及一些定时开关中。
555应用电路采用这3种方式中的1种或多种组合起来可以组成各种实用的电子电路，如定时器、分频器、元件参数和电路检测电路、玩具游戏机电路、音响告警电路、电源交换电路、频率变换电路、自动控制电路等。
2555定时器的电路结构与工作原理
图1
555定时器的功能主要由两个比较器决定。
两个比较器的输出电压控制RS触发器和放电管的状态。
在电源与地之间加上电压VCC，当5脚悬空时，则电压比较器C1的同相输入端的电压为2VCC/3，C2的反相输入端的电压为VCC/3,若触发输入端TR的电压小于VCC/3，则比较器C2的输出为0，可使RS触发器置1，使输出端OUT=1。
如果阈值输入端TH的电压大于2VCC/3，同时TR端的电压大于VCC/3，则C1的输出为0，C2的输出为1，可将RS触发器置0，使输出为0电平。
它的各个引脚功能如下：
1脚：
外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。
8脚：
外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5~16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3~18V。
一般用5V。
3脚：
输出端Vo
2脚：
TR低触发端
6脚：
TH高触发端
4脚：
是直接清零端。
当此端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。
5脚：
VC为控制电压端。
若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01μF电容接地，以防引入干扰。
7脚：
放电端。
该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。
在1脚接地，5脚未外接电压，两个比较器A1、A2基准电压分别为的情况下，555时基电路的功能表如表1示。
表1
清零端
高触发端TH
低触发端TR
Q
放电管T
功能
0
x
x
0
导通
直接清零
1
0
1
x
保持上一状态
保持上一状态
1
1
0
x
导通
清零
1
0
1
0
1
1
0
截止
导通
置1
清零
3555芯片引脚图及引脚描述
CB555芯片的8脚是集成电路工作电压输入端，电压为5～18V，以UCC表示；从分压器上看出，上比较器A1的５脚接在R1和R2之间，所以5脚的电压固定在2UCC/3上；下比较器A2接在R2与R3之间，A2的同相输入端电位被固定在UCC/3上。
1脚为地。
2脚为触发输入端；3脚为输出端，输出的电平状态受触发器控制，而触发器受上比较器6脚和下比较器2脚的控制。
2脚和6脚是互补的，2脚只对低电平起作用，高电平对它不起作用，即电压小于1Ucc/3，此时3脚输出高电平。
6脚为阈值端，只对高电平起作用，低电平对它不起作用，即输入 电压大于2Ucc/3，称高触发端，3脚输出低电平，但有一个先决条件，即2脚电位必须大于1Ucc/3时才有效。
3脚在高电位接近电源电压Ucc，输出电流最大可打200mA。
4脚是复位端，当4脚电位小于0.4V时，不管2、6脚状态如何，输出端3脚都输出低电平。
5脚是控制端。
7脚称放电端，与3脚输出同步，输出电平一致，但7脚并不输出电流，所以3脚称为实高（或低）、7脚称为虚高。
4555定时器应用
4.1、555定时器构成施密特触发器
施密特触发器是一种特殊的门电路，与普通的门电路不同，施密特触发器有两个阈值电压，分别称为正向阈值电压和负向阈值电压。
在输入信号从低电平上升到高电平的过程中使电路状态发生变化的输入电压称为正向阈值电压，在输入信号从高电平下降到低电平的过程中使电路状态发生变化的输入电压称为负向阈值电压。
正向阈值电压与负向阈值电压之差称为回差电压。
555构成施密特触发器及波形图
只要将脚2和6连在一起作为信号输入端，即得到施密特触发器。
设被整形变换的电压为正弦波
，其正半波通过二极管D同时加到555定时器的2脚和6脚，得到的Vi为半波整流波形。
当Vi上升到
时，Vo从高电平转换为低电平；当Vi下降到
时，Vo又从低电平转换为高电平。
回差电压：
△V=
4.2、555定时器构成单稳态触发器
单稳态触发器只有一个稳定状态，一个暂稳态。
在外加脉冲的作用下，单稳态触发器可以从一个稳定状态翻转到一个暂稳态。
由于电路中RC延时环节的作用，该暂态维持一段时间又回到原来的稳态，暂稳态维持的时间取决于RC的参数值。
555构成单稳态触发器及波形图
图为由555定时器和外接定时元件R、C构成的单稳态触发器。
D为钳位二极管，稳态时555电路输入端处于电源电平，内部放电开关管T导通，输出端Vo输出低电平，当有一个外部负脉冲触发信号加到Vi端。
并使2端电位瞬时低于1/3VCC，低电平比较器动作，单稳态电路即开始一个稳态过程，电容C开始充电，Vc按指数规律增长。
当Vc充电到2/3VCC时，高电平比较器动作，比较器A1翻转，输出Vo从高电平返回低电平，放电开关管T重新导通，电容C上的电荷很快经放电开关管放电，暂态结束，恢复稳定，为下个触发脉冲的来到作好准备。
波形图如图所示。
暂稳态的持续时间Tw（即为延时时间）决定于外接元件R、C的大小。
Tw=RCln3
通过改变R、C的大小，可使延时时间在几个微秒和几十分钟之间变化。
当这种单稳态电路作为计时器时，可直接驱动小型继电器，并可采用复位端接地的方法来终止暂态，重新计时。
此外需用一个续流二极管与继电器线圈并接，以防继电器线圈反电势损坏内部功率管。
4.3555定时器接成多谐振荡器
多谐振荡器又称为无稳态触发器，它没有稳定的输出状态，只有两个暂稳态。
在电路处于某一暂稳态后，经过一段时间可以自行触发翻转到另一暂稳态。
两个暂稳态自行相互转换而输出一系列矩形波。
多谐振荡器可用作方波发生器。
图4555构成多谐振荡器和工作波形
接通电源后，假定是高电平，则T截止，电容C充电。
充电回路是VCC—R1—R2—C—地，按指数规律上升，当上升到TH端电平大于2/3VCC时，输出翻转为低电平，T导通，C放电，放电回路为C—R2—T—地，按指数规律下降，当下降到TL端电平小于1/3VCC时，输出翻转为高电平，放电管T截止，电容再次充电，如此周而复始，产生振荡，经分析可得
输出高电平时间T=（R1+R2）Cln2
输出低电平时间T=R2Cln2
振荡周期T=（R1+2R2）Cln2
4555定时器在现实生活中的应用实例
图5门控灯开关
该控制电路的核心是555定时器和D型触发器。
555定时器接成单稳态触发器,去除触点跳动对电路工作的影响,D型触发器接成T′触发器形式,利用其输出去控制可控硅开通和关闭,从而控制电灯的亮灭。
平时当房门关闭时,安装在门扇边缘的小磁铁正好靠在干簧管旁边,干簧管的两常开触点受外磁力作用吸合,单稳态电路因输入脉冲为高电平而处于待触发状态,此时双稳态电路的输出为低电平,可控硅因无触发电流而阻断,灯不亮。
当有人推门时,小磁铁会随门扇离开干簧管一次,干簧管的常开触点会因暂时失去外磁力作用而靠自身弹力张开、吸合一次。
实际上,由于干簧管的触点的抖动,要重复几次这种张开、吸合的过程.单稳态触发器的CP端能够在干簧管的1触点第一次张开时获得一负脉冲触发信号,使单稳态触发器翻转为暂稳态,其输出由低电平变为高电平此时,电容器C经R充电,复位端R电位上升,当上升到复位电平2/3V时,单稳态触发器复位,Q恢复为低电平。
单稳态电路的时间常数T=1.1RC,它有效地将干簧管的具有抖动信号现象的脉冲信号展宽为单个脉冲,此正脉冲同时加至T′触发器器的CP2端,其输出由低电平变为高电平,可控硅的控制极获得正向触发电流而导通,电灯通电发光.当进来的人离开时,随着门的再一次打开、关闭,干簧管重复同样的动作,单稳态触发器同样输出一正脉冲信号,于是T′触发器再次翻转为低电平,可控硅失去触发电流并在交流电过零时关断,电灯自动熄灭。
光敏电阻R和可调电阻R构成光控电路。
在白天,光敏电阻受自然光照射阻值很小,T′触发器的置“0”端R电位>1/2V,无论此门被开闭多少次,DD电路强制置“0”,Q始终为底电平,电灯不会发光;夜晚,因自然光照减弱,T′触发器的置“0”端R电位<1/2V,强制复位自动解除。
实际应用时,将开关盒安装在门框顶上,小磁铁则正对着盒内底侧部放置的干簧管固定在门扇顶沿上。
仔细调整小磁铁和干簧管的相对位置,使干簧管能够随门扇的开闭而可靠地动作。
然后,根据“火线接开关地线进灯头,接通开关和灯头”的照明灯接线原则,将开关盒内桩头外引线不分顺序串入电灯火线回路即可。
最后,用小螺丝刀将R调至阻值最小的位置,P在夜晚需要开灯的时候,打开门扇使灯点亮,然后由小到大调节R阻值,直到电灯刚好熄灭,再将R阻值回调一点即可.反复细调,即可获得最佳光控灵敏度。
■555触摸定时开关
集成电路IC1是一片555定时电路，在这里接成单稳态电路。
平时由于触摸片P端无感应电压，电容C1通过555第7脚放电完毕，第3脚输出为低电平，继电器KS释放，电灯不亮。
当需要开灯时，用手触碰一下金属片P，人体感应的杂波信号电压由C2加至555的触发端，使555的输出由低变成高电平，继电器KS吸合，电灯点亮。
同时，555第7脚内部截止，电源便通过R1给C1充电，这就是定时的开始。
当电容C1上电压上升至电源电压的2/3时，555第7脚道通使C1放电，使第3脚输出由高电平变回到低电平，继电器释放，电灯熄灭，定时结束。
定时长短由R1、C1决定：
T1=1.1R1*C1。
按图中所标数值，定时时间约为4分钟。
D1可选用1N4148或1N4001。
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■相片曝光定时器
附图电路是用555单稳电路制成的相片曝光定时器。
用人工启动式单稳电路。
工作原理：
电源接通后，定时器进入稳态。
此时定时电容CT的电压为：
VCT=VCC=6V。
对555这个等效触发器来讲，两个输入都是高电平，即VS=0。
继电器KA不吸合，常开点是打开的，曝光照明灯HL不亮。
按一下按钮开关SB之后，定时电容CT立即放到电压为零。
于是此时555电路等效触发的输入成为：
R=0、S=0，它的输出就成高电平：
V0=1。
继电器KA吸动，常开接点闭合，曝光照明灯点亮。
按钮开关按一下后立即放开，于是电源电压就通过RT向电容CT充电，暂稳态开始。
当电容CT上的电压升到2/3VCC既4伏时，定时时间已到，555等效电路触发器的输入为：
R=1、S=1，于是输出又翻转成低电平：
V0=0。
继电器KA释放，曝光灯HL熄灭。
暂稳态结束，有恢复到稳态。
曝光时间计算公式为：
T=1.1RT*CT。
本电路提供参数的延时时间约为1秒~2分钟，可由电位器RP调整和设置。
电路中的继电器必需选用吸合电流不应大于30mA的产品，并应根据负载（HL）的容量大小选择继电器触点容量。
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■单电源变双电源电路
附图电路中，时基电路555接成无稳态电路，3脚输出频率为20KHz、占空比为1：
1的方波。
3脚为高电平时，C4被充电；低电平时，C3被充电。
由于VD1、VD2的存在，C3、C4在电路中只充电不放电，充电最大值为EC，将B端接地，在A、C两端就得到+/-EC的双电源。
本电路输出电流超过50mA。
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■简易催眠器
时基电路555构成一个极低频振荡器，输出一个个短的脉冲，使扬声器发出类似雨滴的声音（见附图）。
扬声器采用2英寸、8欧姆小型动圈式。
雨滴声的速度可以通过100K电位器来调节到合适的程度。
如果在电源端增加一简单的定时开关，则可以在使用者进入梦乡后及时切断电源。
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■直流电机调速控制电路
这是一个占空比可调的脉冲振荡器。
电机M是用它的输出脉冲驱动的，脉冲占空比越大，电机电驱电流就越小，转速减慢；脉冲占空比越小，电机电驱电流就越大，转速加快。
因此调节电位器RP的数值可以调整电机的速度。
如电极电驱电流不大于200mA时，可用CB555直接驱动；如电流大于200mA，应增加驱动级和功放级。
图中VD3是续流二极管。
在功放管截止期间为电驱电流提供通路，既保证电驱电流的连续性，又防止电驱线圈的自感反电动势损坏功放管。
电容C2和电阻R3是补偿网络，它可使负载呈电阻性。
整个电路的脉冲频率选在3~5千赫之间。
频率太低电机会抖动，太高时因占空比范围小使电机调速范围减小。
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■用555制作的D类放大器
由IC555和R1、R2、C1等组成100KHz可控多谐振荡器，占空比为50%，控制端5脚输入音频信号，3脚便得到脉宽与输入信号幅值成正比的脉冲信号，经L、C3接调、滤波后推动扬声器。
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■风扇周波调速电路
夏天要来了，电风扇又得派上用场。
这里介绍一个电风扇模拟阵风周波调速电路，可以为将我们家里的老式风扇增加一个实用功能，也算是一个迎接夏天到来的准备吧。
下面介绍其工作原理。
电路见图1a。
电路中NE555接成占空比可调的方波发生器，调节RW可改变占空比。
在NE555的3脚输出高电平期间，过零通断型光电耦合器MOC3061初级得到约10mA正向工作电流，使内部硅化镓红外线发射二极管发射红外光，将过零检测器中光敏双向开关于市电过零时导通，接通电风扇电机电源，风扇运转送风。
在NE555的3脚输出低电平期间，双向开关关断，风扇停转。
MOC3061本身具有一定驱动能力，可不加功率驱动元件而直接利用MOC3061的内部双向开关来控制电风扇电机的运转。
RW为占空比调节电位器，亦即电风扇单位时间内（本电路数据约为20秒）送风时间的调节，改变C2的取值或RW的取值可改变控制周期。
图1b电路为MOC3061的典型功率扩展电路，在控制功率较大的电机时，应考虑使用功率扩展电路。
制作时，可参考图示参数选择器件。
由于电源采用电容压降方式，请自制时注意安全，人体不能直接触摸电路板。
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■电热毯温控器
一般电热毯有高温、低温两档。
使用时，拨在高温档，入睡后总被热醒；拨在低温档，有时醒来会觉得温度不够。
这里介绍一种电热毯温控器，它可以把电热毯的温度控制在一个合适的范围。
工作原理：
电路如图所示。
图中IC为NE555时基电路。
RP3为温控调节电位器，其滑动臂电位决定IC的触发电位V2和阀电位Vf，且V5=Vf=2Vz。
220V交流电压经C1、R1限流降压，D1、D2整流、C2滤波，DW稳压后，获得9V左右的电压供IC用。
室温下接通电源，因已调V2Vz，V6≥Vf时，IC翻转，3脚变为低电平，BCR截止，电热丝停止发热，温度开始逐渐下降，BG1的ICEO随之逐渐减小，V2、V6降低。
当V6元件选择：
BG1可选用3AX、3AG等PNP型锗管；BCR用400V以上的小型双向可控硅，其它元件按图标选用。
制作要点：
热敏传感器BG1可用耐温的细软线引出，并将其连同管脚接头装入。
一电容器铝壳内，注入导热硅脂，制成温度探头。
使用时，把该温度探头放在适当部位既可。
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■多用途延迟开关电源插座
家用电器、照明灯等电源的开或关，常常需要在不同的时间延迟后进行，本电源插座即可满足这种不同的需要。
工作原理：
电路如图所示，它由降压、整流、滤波及延时控制电路等部分组成。
按下AN，12V工作电压加至延迟器上，这时NE555的②脚和⑥脚为高电平，则NE555的③脚输出为低电平，因此继电器K得电工作，触点K1-1向上吸合，这时“延关”插座得电，而“延开”插座无电。
这时电源通过电容器C3、电位器RP、电阻器R3至“地”，对C3进行充电，随着C3上的电压升高，NE555的②、⑥脚的电压越来越往下降，当此电压下降至2/3Vcc时，NE555的③脚输出由低电平跳变为高电平，这时继电器将失电而不工作，则其控制触点恢复原位，则“延关”插座失电，而“延开”插座得电。
就这样满足了不同的需求，LED、LED2作相应的指示。
本电路只要元器件是好的，装配无误，装好即可正常工作。
延时时间由C3及PR+R3的值决定，T≈1.1C3（PR+R3）。
RP指有效部分。
C3可用数十pF至1000μF的电容器，（PR+R3）的值可取2K～10MΩ。
C1的耐压值应≥400V，R1的功率应≥2W，AN按钮开关可选用K-18型的，继电器的型号为JQX-13F-12V。
其它元器件无特殊要求。
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■新颖实用的直流低压稳压电源
开关电源部分的VD1－VD4、R1、C1、C2组成整流滤波电路。
NE555和R2、R3、C4、VD6等元件组成多谐振荡电路，其频率约20KHz。
R4、C3、VD5组成降压稳压电路，为NE555提供12V工作电源。
大功率管VT1及变压器T构成开关电路。
VT1的工作状态由NE555的③脚控制，导通时间由脉冲宽度决定，调整R3即可改变脉冲宽度。
脉冲宽度变宽，输出电压升高；脉冲宽度变窄，输出电压降低。
VT2及R8、R9、C6组成过流保护电路。
当负载过重或发生短路故障时，VT2导通，强迫NE555复位停振，从而保护VT1不致损坏。
C7、R10为保护网络，防止VT1的c-e结被瞬间脉冲击穿。
两个次级绕组经整流滤波后分别输出20V及12V。
为了使制作简单，开关电源设计成不能自动稳压的，其功能类似于变压器，只是实现轻型化的隔离降压作用，稳压功能由后面的稳压电路实现。
12V直流电压经7805稳压后输出+5V电压；20V直流电压送至可调稳压电路。
两者不共地，以便于进行加减组合输出多种电压。
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