電路設(shè)計(jì)寶典：淺談555電路設(shè)計(jì)

555定時(shí)器是一種模擬和數(shù)字功能相結(jié)合的中規(guī)模集成器件。一般用雙極型(TTL)工藝制作的稱為555，用互補(bǔ)金屬氧化物(CMOS)工藝制作的稱為7555，除單定時(shí)器外，還有對(duì)應(yīng)的雙定時(shí)器556/7556。555定時(shí)器的電源電壓范圍寬，可在4.5V~16V工作，7555可在3~18V工作，輸出驅(qū)動(dòng)電流約為200mA，因而其輸出可與TTL、CMOS或者模擬電路電平兼容。1972年，美國(guó)Signetics公司研制555定時(shí)器用于取代機(jī)械式定時(shí)器的中規(guī)模集成電路，因輸入端設(shè)計(jì)有三個(gè)5kΩ的電阻而得名。

一、基本原理

555時(shí)基電路的工作過(guò)程如下：當(dāng)2腳，即比較器A2的反相輸入端加進(jìn)電位低于?VDD的觸發(fā)信號(hào)時(shí)，則VT9、VTll導(dǎo)通，給雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器中的VTl4提供一偏流，使VTl4飽和導(dǎo)通，它的飽和壓降Vces箝制VTl5的基極處于低電平，使VTl5截止，VTl7飽和，從而使VTl8截止，VTl9導(dǎo)通，VT20完全飽和導(dǎo)通，VT21截止。因此，輸出端3腳輸出高電平。此時(shí)，不管6端(閾值電壓)為何種電平，由于雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(VTl4-VTl7)中的4.7kΩ電阻的正反饋?zhàn)饔?VTl5的基極電流是通過(guò)該電阻提供的)，3腳輸出高電平狀態(tài)一直保持到6腳出現(xiàn)高于?VDD的電平為止。當(dāng)觸發(fā)信號(hào)消失后，即比較器A2反相輸入端2腳的電位高于?VDD，則VT9、VTll截止，VTl4因無(wú)偏流而截止，此時(shí)若6腳無(wú)觸發(fā)輸入，則VTl7的Vces飽和壓降通過(guò)4.7kΩ電阻維持VTl3截止，使VTl7飽和穩(wěn)態(tài)不變，故輸出端3腳仍維持高電平。同時(shí)，VTl8的截止使VT6也截止。當(dāng)觸發(fā)信號(hào)加到6腳時(shí)，且電位高于?VDD時(shí)，則VTl、VT2、VT3皆導(dǎo)通。此時(shí)，若2腳無(wú)外加觸發(fā)信號(hào)使VT9、VTl4截止，則VT3的集電極電流供給VTl5偏流，使該級(jí)飽和導(dǎo)通，導(dǎo)致VTl7截止，進(jìn)而VTl8導(dǎo)通，VTl9、VT2。都截止，VT21飽和導(dǎo)通，故3腳輸出低電平。當(dāng)6腳的觸發(fā)信號(hào)消失后，即該腳電位降至低于?VDD時(shí)，則VTl、VT2、VT3皆截止，使VTl5得不到偏流。此時(shí)，若2腳仍無(wú)觸發(fā)信號(hào)，則VTl5通過(guò)4.7kΩ電阻得到偏流，使VTl5維持飽和導(dǎo)通，VTl7截止的穩(wěn)態(tài)，使3腳輸出端維持在低電平狀態(tài)。同時(shí)，VTl8的導(dǎo)通，使放電級(jí)VT6飽和導(dǎo)通。通過(guò)上面兩種狀態(tài)的分析，可以發(fā)現(xiàn)：只要2腳的電位低于?VDD，即有觸發(fā)信號(hào)加入時(shí)，必使輸出端3腳為高電平;而當(dāng)6腳的電位高于?VDD時(shí)，即有觸發(fā)信號(hào)加進(jìn)時(shí)，且同時(shí)2腳的電位高于?VDD時(shí)，才能使輸出端3腳有低電平輸出。4腳為復(fù)位端。當(dāng)在該腳加有觸發(fā)信號(hào)，即其電位低于導(dǎo)通的飽和壓降0.3V時(shí)，VT8導(dǎo)通，其發(fā)射極電位低于lV，因有D3接入，VTl7為截止?fàn)顟B(tài)，VTl8、VT21飽和導(dǎo)通，輸出端3腳為低電平。此時(shí)，不管2腳、6腳為何電位，均不能改變這種狀態(tài)。因VT8的發(fā)射極通過(guò)D3及VTl7的發(fā)射極到地，故VT8的發(fā)射極電位任何情況下不會(huì)比1.4V電壓高。因此，當(dāng)復(fù)位端4腳電位高于1.4V時(shí)，VT8處于反偏狀態(tài)而不起作用，也就是說(shuō)，此時(shí)輸出端3腳的電平只取決于2腳、6腳的電位。

二、單穩(wěn)態(tài)電路

該測(cè)試電路主要由555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和由R1、被測(cè)元件、R5構(gòu)成的分壓器兩部分組成。當(dāng)閉合開關(guān)S1時(shí)，電路隨機(jī)工作。這時(shí)一串電流脈沖經(jīng)過(guò)R4向C3充電。在約2秒內(nèi)，電容實(shí)際上被充到滿電壓，為電路工作提供了一穩(wěn)定電源。R4是限流電阻以防充電電流過(guò)大損壞開關(guān)。

一手持鱷魚夾絕緣柄夾住被測(cè)元件的一端，一手持探針接觸元件的另一端。此時(shí)，R5與被測(cè)元件電阻串成一分壓器下面的臂。上面的臂由固定電阻R1構(gòu)成。此上下兩臂將6V電源電壓分壓，下臂所分的電壓與電容C1的左邊相連。在測(cè)試期間，這個(gè)電壓只是電源電壓的一小部分，比所需的1/3電源電壓更小，對(duì)觸發(fā)器來(lái)說(shuō)是足夠低的，其狀態(tài)主要由C1傳到IC1的2腳。

集成電路定時(shí)器IC1同外圍元件一起構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。因此，當(dāng)上述低脈沖加到觸發(fā)器輸入端(2腳)觸發(fā)時(shí)，輸出端(3腳)將出現(xiàn)高電平一定的時(shí)間，然后才恢復(fù)到它原來(lái)的低電平狀態(tài)。當(dāng)輸出為高電平時(shí)，電流將流到固態(tài)蜂鳴器WD1而發(fā)出蜂鳴聲。以此來(lái)判斷被測(cè)元件的好壞。此時(shí)間周期由連到IC16腳和7腳的電阻R3和電容C2的值確定。按圖上的值計(jì)算約為0.2秒，要增長(zhǎng)定時(shí)可增大R3值。

該測(cè)試電路采用交流耦合的級(jí)聯(lián)方式，其主要原因如下：即使測(cè)試探針脈沖是連續(xù)地加到元件上，也只有一個(gè)主觸發(fā)脈沖通過(guò)C1傳到IC1。把測(cè)試元件與探針?lè)珠_，則電容C1通過(guò)固定電阻R1和R2快速放電。在沒(méi)有觸發(fā)脈沖時(shí)，R2使IC1的2腳為高電平，這樣可防止虛假工作。相當(dāng)于探針和電源負(fù)極導(dǎo)線之間開路，則觸發(fā)條件不滿足(即IC1的2腳為高電平)，蜂鳴器不會(huì)發(fā)聲。

三、雙穩(wěn)態(tài)電路

把 555 電路的 6 、 2 端并接起來(lái)成為只有一個(gè)輸入端的觸發(fā)器這個(gè)觸發(fā)器因?yàn)檩敵鲭妷汉洼斎腚妷旱年P(guān)系是一個(gè)長(zhǎng)方形的回線形所以被稱為施密特觸發(fā)器。從曲線看到，當(dāng)輸入 V i =0 時(shí)輸出 V o =1 。當(dāng)輸入電壓從 0 上升時(shí)，要升到> 2/ 3 V DD 以后， V o 才翻轉(zhuǎn)成 0 。而當(dāng)輸入電壓從最高值下降時(shí)，要降到 《 1 /3 V DD 以后， V o 才翻轉(zhuǎn)成 1 。所以輸出電壓和輸入電壓之間是一個(gè)回線形曲線。由于它的輸入有兩個(gè)不同的閾值電壓，所以這種電路被用作電子開關(guān)，各種控制電路，波形變換和整形的用途。

無(wú)穩(wěn)電路有 2 個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，它不需要外觸發(fā)就能自動(dòng)從一種暫穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到另一種暫穩(wěn)態(tài)，它的輸出是一串矩形脈沖，所以它又稱為自激多諧振蕩器或脈沖振蕩器。

四、多諧振蕩器

下圖是由555組件組成的多諧振蕩器電路，R1、R2和C系外接元件。其工作原理如下：

接通電源后，VCC經(jīng)R1R2給電容C充電。由于電容上電壓不能突變，電源剛接通時(shí)υC《VCC/3，所以555內(nèi)部比較器A1輸出高電平，A2輸出低電平，即RD=1，SD=0，基本RS觸發(fā)器置1，輸出端Q為高電平。此時(shí)Q=O，使內(nèi)部放電管截止。

當(dāng)υC上升到大于Vcc/3時(shí)，RD=1，SD=1，基本RS觸發(fā)器狀態(tài)不變，即輸出端Q仍為高電平，當(dāng)VC上升到略大于2VCC/3時(shí)，Rn=0，SD=1，基本RS觸發(fā)器置0，輸出端Q為低電平。這時(shí)Q=1，使內(nèi)部放電管飽合導(dǎo)通。于是電容C經(jīng)R2和內(nèi)部放電管放電，υc按指數(shù)規(guī)律減小。

當(dāng)υC下降略小于Vcc/3時(shí)，內(nèi)部比較器A1輸出高電平，A2輸出低電平，基本RS觸發(fā)器置1，輸出高電平。這時(shí)，Q=0，內(nèi)部放電管截止。于是C結(jié)束放電并重新開始充電。如此循環(huán)不止，輸出端就得到一系列矩形脈沖，如圖2-66b所示。

五、應(yīng)用電路

1、悅耳門鈴電路

這里推薦一款悅耳的門鈴電路。電路中555定時(shí)器芯片(IC1)連接成多諧振蕩器。其輸出為低時(shí)持續(xù)7ms，輸出為高時(shí)持續(xù)235ms。當(dāng)IC1輸出變低時(shí)。晶體管T2導(dǎo)通，使蜂鳴器激活，蜂鳴器放聲，并對(duì)電容C3充電。當(dāng)輸出變高時(shí)，鈴聲的聲音強(qiáng)度逐漸消退。此過(guò)程反復(fù)進(jìn)行。直至定時(shí)電路停止工作為止。

定時(shí)電路工作過(guò)程如下：短促按壓開關(guān)S1使電容C1經(jīng)R1迅速充電。當(dāng)C1兩端的電壓超過(guò)場(chǎng)效應(yīng)晶體管T1的柵極門限電壓時(shí)，T1開始導(dǎo)通，而且只要 C1上的電荷使電壓大于此門限電壓。這種導(dǎo)通狀態(tài)就會(huì)一直維持下去。如采用電路中所用的元件值，蜂鳴器大約鳴叫15秒，且其鳴叫聲十分悅耳。這一時(shí)間足以讓主人聽到。

2、基于555的眼睛疲勞消除器原理圖

該儀器上的發(fā)光二極管將會(huì)不停的閃亮，按照?qǐng)D中設(shè)計(jì)，在一個(gè)周期內(nèi)二極管將會(huì)亮2秒然后滅6秒。此時(shí)如果你把此儀器拿在手里，離眼睛一個(gè)明視距離，兩眼先盡量遠(yuǎn)眺，當(dāng)二極管突然閃亮?xí)r，你的眼睛會(huì)自然而然的注視這個(gè)閃光點(diǎn)，兩秒以后閃光消失，你又注視遠(yuǎn)方，如此反復(fù)進(jìn)行，就會(huì)很快消除疲勞，對(duì)于假近視和剛老化者，使用它也有一定的作用?；?55的眼睛疲勞消除器原理圖：

3、555組成的電子鎮(zhèn)流器電路

555組成的電子鎮(zhèn)流器電路如圖所示，電子鎮(zhèn)流器由降壓整流電路、多諧振蕩器信源、施密特觸發(fā)器及推動(dòng)級(jí)組成。

橋式整流后的電壓約300V，作為推動(dòng)級(jí)的供電電壓。IC(556)的供電電壓Vdd=6V，IC的左半部與R6、R1、C9等組成無(wú)穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，f=1.44/(R6+R1)C9，圖示參數(shù)的振蕩頻率約在45kHz左右，由于R1=R6，故占空比為50%，即為對(duì)稱的方波。IC的右半部構(gòu)成施密特觸發(fā)器。它們的輸出分別通過(guò)C7、C8耦合至VT1、VT2的基極，推動(dòng)功放級(jí)VT1、VT2.R2、C6用于預(yù)熱燈絲。

4、采用555設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易溫度控制器

本電路中各點(diǎn)電壓都來(lái)自同一直流電源，所以不需要性能很好的穩(wěn)壓電源，用電容降壓法便能可靠地工作。電路元件價(jià)格低、體積小、便于在業(yè)余條件下自制。本電路是采用555 時(shí)基集成電路和很少的外圍元件組成的一個(gè)溫度自動(dòng)控制器，該電路制作的溫度自動(dòng)控制器可用于工業(yè)生產(chǎn)和家用的電加熱控制，效果良好。

當(dāng)溫度較低時(shí)，負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻Rt 阻值較大，555 時(shí)基集成電路(IC)的2 腳電位低于Ec 電壓的1/3(約4V)， IC 的3 腳輸出高電平，觸發(fā)雙向晶閘管V 導(dǎo)通，接通電加熱器RL 進(jìn)行加熱，從而開始計(jì)時(shí)循環(huán)。當(dāng)置于測(cè)溫點(diǎn)的熱敏電阻Rt 溫度高于設(shè)定值而計(jì)時(shí)循環(huán)還未完成時(shí)，加熱器RL 在定時(shí)周期結(jié)束后就被切斷。當(dāng)熱敏電阻Rt 溫度降低至設(shè)定值以下時(shí)，會(huì)再次觸發(fā)雙向晶閘管V 導(dǎo)通，接通電加熱器RL 進(jìn)行加熱。這樣就可達(dá)到溫度自動(dòng)控制的目的。

電路中，熱敏電阻Rt 可采用負(fù)溫度系數(shù)的MF12 型或MF53 型，也可以選擇不同阻值和其他型號(hào)的負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，只要在所需控制的溫度條件下滿足Rt+VR1=2R4 這一關(guān)系式即可。電位器VR1 取得大一些能獲得較大的調(diào)節(jié)范圍，但靈敏度會(huì)下降。雙向晶閘管V 也可根據(jù)負(fù)載電流的大小進(jìn)行選擇。其他元件沒(méi)有特殊要求，根據(jù)電路圖給出參數(shù)來(lái)選擇。

整個(gè)電路可安裝在一塊線路板上，一般不需要調(diào)試，時(shí)間間隔為1.1R2×C3，應(yīng)該比加熱系統(tǒng)的熱時(shí)間常數(shù)選得小一些，但也不能太小，否則會(huì)因?yàn)殡p向晶閘管V 急速導(dǎo)通或關(guān)閉而造成過(guò)分的射頻干擾。安裝調(diào)試完后可裝入一個(gè)小塑料盒內(nèi)，并將熱敏電阻Rt 引出至測(cè)溫點(diǎn)即可。