555时基集成电路原理及应用.docx
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555时基集成电路原理及应用
555时基集成电路原理及应用
1555时基电路的特点
555集成电路开始是作定时器应用的，所以叫做555定时器或555时基电路。
但后来经过开发，它除了作定时延时控制外，还可用于调光、调温、调压、调速等多种控制及计量检测。
此外，还可以组成脉冲振荡、单稳、双稳和脉冲调制电路，用于交流信号源、电源变换、频率变换、脉冲调制等。
由于它工作可靠、使用方便、价格低廉，目前被广泛用于各种电子产品中，555集成电路内部有几十个元器件，有分压器、比较器、基本R-S触发器、放电管以及缓冲器等，电路比较复杂，是模拟电路和数字电路的混合体，如图1所示。
图1555集成电路内部结构图
555集成电路是8脚封装，双列直插型，如图2（A）所示，按输入输出的排列可看成如图2（B）所示。
其中6脚称阈值端（TH），是上比较器的输入；2脚称触发端（TR），是下比较器的输入；3脚是输出端（Vo），它有O和1两种状态，由输入端所加的电平决定；7脚是放电端（DIS），它是内部放电管的输出，有悬空和接地两种状态，也是由输入端的状态决定；4脚是复位端（MR），加上低电平时可使输出为低电平；5脚是控制电压端（Vc）,可用它改变上下触发电平值；8脚是电源端，1脚是地端。
图2555集成电路封装图
我们也可以把555电路等效成一个带放电开关的R-S触发器，如图3（A）所示，这个特殊的触发器有两个输入端：
阈值端（TH）可看成是置零端R，要求高电平，触发端（TR）可看成是置位端S，要求低电平，有一个输出端Vo，Vo可等效成触发器的Q端，放电端（DIS）可看成是由内部放电开关控制的一个接点，由触发器的Q端控制：
Q=1时DIS端接地，Q=0时DIS端悬空。
另外还有复位端MR，控制电压端Vc，电源端VDD和
地端GND。
这个特殊的触发器有两个特点：
（1）两个输入端的触发电平要求一高一低，置零端R即阈值端（TH）要求高电平，而置位端s即触发端（TR）则要求低电乎;
（2）两个输入端的触发电平使输出发生翻转的阈值电压值也不同，当Vc端不接控制电压时，对TH（R）端来讲，>2/3VDD是高电平1,<2/3VDD是低电平0：
而对TR（S）端来讲，>1/3VDD是高电平1，<1/3VDD是低电平0。
如果在控制端（Vc）上控制电压Vc时，这时上触发电平就变成Vc值，下触发电平就变成1/2Vc值，可见改变控制端的控制电压值就可以改变上下触发电平值。
它的功能表见图3（B）所示。
图3555电路等效R—S触发器
555集成电路有双极型和CMOS型两种。
CMOS型的优点是功耗低、电源电压低、输入阻抗高，但输出功率较小，输出驱动电流只有几毫安。
双极型的优点是输出功率大，驱动电流达200毫安，其他指标则不如CMOS型的。
555的应用电路很多，只要改变555集成电路的外部附加电路，就可以构成几百种应用电路，大体上可分为555单稳、555双稳及555无稳（即振荡器）三类。
2555单稳电路
单稳电路有一个稳态和一个暂稳态，是利用电容的充放电形成暂稳态的，因此它的输入端都带有定时电阻和定时电容，常见的555单稳电路有两种：
1）人工启动型
将555电路的6、2脚并接起来接在RC定时电路上，在定时电容CT，两端接按钮开关SB，就成为人工启动型555单稳电路，如图4（a）所示，用等效触发器替代555，并略去与单稳工作无关的部分后见图4（b）所示，下面分析它的工作原理：
稳态：
接上电源后，电容CT很快充电到VDD，从图4（b）看到，触发器输入R=1，S=1，从功能表看到输出Vo=0，这是它的稳态。
暂稳态：
按下开关SB，CT上电荷很快放到零，相当于触发器输入R=0，S=0，输出立即翻转成Vo=l，暂稳态开始。
开关放开后，电源又向CT充电，经过时间TD后，CT上电压上升到>2/3VDD时，输出又翻转成Vo=O，暂稳态结束。
TD就是单稳电路的定时时间或延时时间，它和定时电阻RT和定时电容CT的值有关：
TD=1.1RTCT。
图4人工启动型555单稳电路
2）脉冲启动型
将555电路的6、7脚并接起来接在定时电容CT上，用2脚作输入就成为脉冲启动型单稳电路，如图5（a）所示，电路的2脚平时接高电平，当输入接低电平或输入负脉冲时才启动电路，用等效触发器替代555后见图56）所示，下面分析它的工作原理：
稳态：
接上电源后，R=1，S=1，输出Vo=0，DIS端接地，CT上的电压为0即R=0，输出仍保持Vo=0，这是它的稳态。
暂稳态：
输入负脉冲后，输入S=0，输出立即翻转成Vo=1，DIS端开路，电源通过RT向CT充电，暂稳态开始。
经过时间TD后，CT上电压上升到>2/3VDD时，输入又成为R=1，S=1，这时负脉冲已经消失，输出又翻转成Vo=0，暂稳态结束。
这时内部放电开关接通，DIS端接地，CT上电荷很快放到零，为下一次定时控制作准备。
电路的定时时间TD=1.1RTCT。
这两种单稳电路常用作定时延时控制。
图5脉冲启动型单稳电路
3555双稳电路
常见的555双稳电路有两种：
1）R-S触发器型双稳
将555电路的6、2脚作为两个控制输入端，7端不用，就成为一个R-S触发器。
注意两个输入端的触发电平和阈值电压不同，如图6（a）所示，有时可能只有一个控制端，这时另外一个控制端要设法接死，根据电路要求可以把R端接到电源端，如图6（b）所示，也可以把S接地，用R端作输入。
有两个输入端的双稳电路常用作电机调速、电源上下限告警等用途。
有一个输入端的双稳电路作为单端比较器用于各种检测电路。
图6555构成R-S触发器
2）施密特触发器型双稳
将555电路的6、2脚并接起来接成只有一个输入端的触发器，如图7（a）所示，这个触发器输出电压和输入电压的关系是一个长方形的回线形，如图7（b）所示，从曲线可知，当输入V1=0时输出Vo=1，当输入电压从0上升到>2/3VDD后，Vo翻转成0，当输入电压从最高值下降到<1/3VDD后，Vo又翻转成1。
由于它的输入有两个不同的阈值电压，所以，这种电路常用于电子开关，各种控制电路、波形的变换和整形，如图8所示。
图7555构成施密特触发器
图8波形的变换和整形
4555无稳电路（振荡器）
由555定时器构成的多谐振荡器如图9（a）所示，其工作波形见图9（b）。
接通电源后，电源VDD通过R1和R2对电容C充电，当Uc<1/3VDD时，振荡器输出Vo=1，放电管截止。
当Uc充电到≥2/3VDD后，振荡器输出Vo翻转成0，此时放电管导通，使放电端（DIS）接地，电容C通过R2对地放电，使Uc下降。
当Uc下降到≤1/3VDD后，振荡器输出Vo又翻转成1，此时放电管又截止，使放电端（DIS）不接地，电源VDD通过R1和R2又对电容C充电，又使Uc从1/3VDD上升到2/3VDD,触发器又发生翻转，如此周而复始，从而在输出端Vo得到连续变化的振荡脉冲波形。
脉冲宽度TL≈0.7R2C，由电容C放电时间决定；TH=0.7（R1+R2）C，由电容C充电时间决定，脉冲周期T≈TH+TL。
图9555构成多谐振荡器
上面仅讨论了由555定时器构成的几种典型应用实例。
实际上，由于555定时器灵敏度高，功能灵活，因而在电子电路中获得广泛应用。
这里我们这里按555电路的结构特点进行分类和归纳，把555电路分为3大类、8种、共18个单元电路。
每个电路除画出它的标准图型，指出他们的结构特点或识别方法外，还给出了计算公式和他们的用途。
方便大家识别、分析555电路。
555电路在应用和工作方式上一般可归纳为3类。
每类工作方式又有很多个不同的电路。
在实际应用中，除了单一品种的电路外，还可组合出很多不同电路，如：
多个单稳、多个双稳、单稳和无稳，双稳和无稳的组合等。
这样一来，电路变的更加复杂。
为了便于我们分析和识别电路，更好的理解555电路，下面将分别介绍这3类电路。
单稳类电路
单稳工作方式，它可分为3种。
见图示。
第1种（图1）是人工启动单稳，又因为定时电阻定时电容位置不同而分为2个不同的单元，并分别以1.1.1和1.1.2为代号。
他们的输入端的形式，也就是电路的结构特点是：
“RT-6.2-CT”和“CT-6.2-RT”。
第2种（图2）是脉冲启动型单稳，也可以分为2个不同的单元。
他们的输入特点都是“RT-7.6-CT”，都是从2端输入。
1.2.1电路的2端不带任何元件，具有最简单的形式；1.2.2电路则带有一个RC微分电路。
第3种（图3）是压控振荡器。
单稳型压控振荡器电路有很多，都比较复杂。
为简单起见，我们只把它分为2个不同单元。
不带任何辅助器件的电路为1.3.1；使用晶体管、运放放大器等辅助器件的电路为1.3.2。
图中列出了2个常用电路。
双稳类电路
这里我们将对555双稳电路工作方式进行总结、归纳。
555双稳电路可分成2种。
第一种（见图1）是触发电路，有双端输入（2.1.1）和单端输入（2.1.2）2个单元。
单端比较器（2.1.2）可以是6端固定，2段输入；也可是2端固定，6端输入。
第2种（见图2）是施密特触发电路，有最简单形式的（2.2.1）和输入端电阻调整偏置或在控制端（5）加控制电压VCT以改变阀值电压的（2.2.2）共2个单元电路。
双稳电路的输入端的输入电压端一般没有定时电阻和定时电容。
这是双稳工作方式的结构特点。
2.2.2单元电路中的C1只起耦合作用，R1和R2起直流偏置作用。
无稳类电路
第三类是无稳工作方式。
无稳电路就是多谐振荡电路，是555电路中应用最广的一类。
电路的变化形式也最多。
为简单起见，也把它分为三种。
第一种（见图1）是直接反馈型，振荡电阻是连在输出端VO的。
第二种（见图2）是间接反馈型，振荡电阻是连在电源VCC上的。
其中第1个单元电路（3.2.1）是应用最广的。
第2个单元电路（3.2.2）是方波振荡电路。
第3、4个单元电路都是占空比可调的脉冲振荡电路，功能相同而电路结构略有不同，因此分别以3.2.3a和3.2.3b的代号。
第三种（见图3）是压控振荡器。
由于电路变化形式很复杂，为简单起见，只分成最简单的形式（3.3.1）和带辅助器件的（3.3.2）两个单元。
图中举了两个应用实例。
无稳电路的输入端一般都有两个振荡电阻和一个振荡电容。
只有一个振荡电阻的可以认为是特例。
例如：
3.1.2单元可以认为是省略RA的结果。
有时会遇上7.6.2三端并联，只有一个电阻RA的无稳电路，这时可把它看成是3.2.1单元电路省掉RB后的变形。
以上归纳了555的3类8种18个单元电路，虽然它们不可能包罗所有555应用电路，古话讲：
万变不离其中，相信它对我们理解大多数555电路还是很有帮助的。
各种应用电路
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。
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。
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。
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。
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。
用555制作的D类放大器
我们知道D类放大器具有体积小、效率高的特点。
这里介绍一个用555电路制作的简易D类放大器。
它是利用555电路构成一个可控的多谐振荡器，音频信号输入到控制端得到调宽脉冲信号（如图），基本能满足一般的听音要求。
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。
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。
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即可。
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。
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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