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Wir beschreiben den Timer 555 mit Operationsverstärkern


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Beschreibung des Timers 555 mit Operationsverstärkern

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Astabiler Multivibrator

Wir betrachten hier den Timer 555 im astabilen Betrieb, weil damit seine Funktion am besten beschrieben wird.

In So funktioniert's: Timer 555 astabil wird beschrieben, wie der Timer 555 im astabilen Betrieb funktioniert.

Timer-555-astabil.png
Bild 1: Timer 555 im astabilen Betrieb
RC_Glied_Timer555.png
Bild 2: RC-Glied des Timers 555

Die Schaltung in Bild 2 stellt den astabilen Timer 555 in Bild 1 vereinfacht dar.

Wenn der Schalter geöffnet ist, wird der Kondensator C über die Widerstände R1 + R2 aufgeladen. Ist der Schalter geschlossen, wird der Kondensator über den Widerstand R2 entladen.

Im Timer 555 ist der Schalter ein Transistor. Er wird eingeschaltet, wenn die Spannung am Kondensator größer als (2/3)U (zwei drittel) der Versorgungsspannung ist. Wenn die Spannung am Kondensator unter U/3 sinkt, wird er wieder ausgeschaltet. Damit wird der Kondensator bis auf (2/3)U aufgeladen und dann auf U/3 entladen, wieder auf (2/3)U aufgeladen usw.

Betrachten wir die Spannung Uc am Kondensator, ergibt sich ein Verlauf wie

Ladung-Entladung-Kondensator-555.png
Bild 3: Spannung Uc am Kondensator des Timers 555

Beim Laden des Kondensators haben wir eine Zeitkonstante τ1 = C * (R1 + R2), beim Entladen τ2 = C * R2.

Die Zeiten t1 und t2 geben an, wie lange der Kondensator aufgeladen (t1) und entladen (t2) wird.

Timer mit Komparator

Das Verhalten für Bild 3 kann durch einen Schmitt-Trigger erreicht werden.

Timer-555-Schmitt-Trigger.png
Bild 4: Prinzipschaltung des Timers 555

Ein Schmitt-Trigger misst die Spannung am Kondensator C und aktiviert den Transistor Q1, wenn die Spannung (2/3)Uv ist. Wenn die Spannung am Kondensator unter (1/3)Uv fällt, wird der Transistor Q1 ausgeschaltet.

Die folgende Schaltung realisiert den Schmitt-Trigger mit zwei Operationsverstärkern.

Timer-555-Intern-U.png
Bild 5: Schaltung des Timers 555

Der Schmitt-Trigger in Bild 3 wurde in Bild 4 durch zwei Komparatoren und ein R-S-Flip-Flop ersetzt.

  • Die Pegel für (2/3)Uv und (1/3)Uv werden einfach durch einen Spannungsteiler mit drei gleichen Widerständen Ri realisiert. Widerstände hoher Genauigkeit (besser als 25%) können in integrierten Schaltungen nicht einfach realisiert werden. Widerstände mit gleichen Werten können dagegen einfach erzeugt werden.
  • Der Timer 555 hat seinen Namen von seinem Urvater dem NE555 geerbt.
    Die 555 beziehen sich auf die drei gleichen Widerstände Ri, die beim NE555 5kΩ haben.
  • Wenn die Spannung am Eingang THR, die Spannung am Kondensator über (2/3)Uv liegt, erzeugt OP1 eine hohe Spannung und setzt das R-S-Flip-Flop über R zurück. Der Ausgang Q wird aktiviert und der Transistor eingeschaltet. Dieser schaltet dann den Ausgang DIS auf 0V.
  • Wenn die Spannung am Eingang TR unter (1/3)Uv liegt, erzeugt OP2 eine hohe Spannung und setzt das R-S-Flip-Flop über S. Der Ausgang Q wird deaktiviert und der Transistor eingeschaltet aus.
  • Der Eingang R des Timers und damit R des R-S-Flip-Flop liegt auf Versorgungsspannung und ist damit ohne Wirkung.
  • Der Ausgang Q des R-S-Flip-Flop ist der Ausgang des Timers.
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Schmitt-Trigger

Die beiden Komparatoren im Timer 555 bilden nur dann einen Schmitt-Trigger, wenn die Anschlüsse TR und THR verbunden werden.

Spannungsverlauf am Timer 555

Oszillogramm_9_s.png
Bild 6: Die Spannungen am Ausgang Q und den Eingängen TR und THR

Das Oszillogramm Bild 6 entspricht dem Spannungsverlauf in Bild 3.

  • Wir können mit dieser Abweichung aber ganz gut leben.

Ganz links im Oszillogramm ist der Timer im Zustand Q. Die Spannung an TR und THR steigt, weil der Kondensator C über R1 und R2 aufgeladen wird. Dann erreicht die Spannung an THR (2/3)Uv = (2/3)*5V = 3,3V. Das R-S-Flip-Flop über R zurückgesetzt und der Zustand wird Q.

Der Transistor schaltet den Widerstand R1 auf GND und der Kondensator C wird entladen. Wenn die Spannung an TR (1/3)Uv = (1/3)*5V = 1,7V ist, wird das R-S-Flip-Flop über S gesetzt und der Zustand wird wieder Q.

Oszillogramm_8_s.png
Bild 7: Die Spannungen an den Ausgängen Q und DIS.

In Bild 7 ist deutlich zu sehen, dass der Transistor DIS auf GND=0V legt, solange der Zustand des Timers Q ist.

In der Mitte des Oszillogramms steigt die Spannung an DIS auf 3,3V nachdem der Transistor ausgeschaltet wurde. Dann ist die Spannung am Kondensator Uc = (1/3)Uv = (1/3)*5V = 1,7V.

  • Wir ersparen uns das schwingen von Formeln und betrachten die Spannung an DIS.

Zwischen TR und der Versorgung von 5V liegen offensichtlich 3,3V (5V - 1,7V). Die Widerstände R1 und R2 sind gleich groß. Also fällt an beiden die gleiche Spannung ab: 3,3V / 2 = 1,7V.

Die Spannung an DIS ist also etwa 1,7V + 1,7V. Genau sind es 3,3V, wie im Oszillogramm Bild 7.

Mit der Zeit steigt die Spannung am Kondensator und damit auch an DIS an.

Wenn die Spannung Uc = 3,3V erreicht, schaltet der Transistor wieder ein. Bei Uc = 3,3V liegen an den Widerständen nur noch 1,7V und an R1 also 0,85V. Die maximale Spannung an DIS ist dann 3,3V + 0,85V = 4,15V. Diese Spannung können wir im Oszillogramm Bild 7 ablesen.

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Alternative Schaltungen

Es gibt alternative Schaltungen von astabilen Multivibratoren.

Sie sind in der Regel mit einem Schmitt-Trigger aufgebaut.

  • Astabiler Multivibrator mit dem digitalen Schmitt-Trigger 74HC14 wird in Impulse erzeugen
  • Die Schaltung ist mit wenigen Bauelementen aufzubauen,
  • wenn noch ein Gatter des 74HC14 zur Verfügung steht.
  • Der Timer 555 ist stabiler.
  • Diese Variante lohnt sich nur, wenn noch ein Operationsverstärker zur Verfügung steht.
  • Es können nur Frequenzen unter 10kHz erzeugt werden.
  • Der Timer 555 ist stabiler.
  • Astabiler Multivibrator mit Transistoren
  • Einfache Schaltung
  • mit relativ vielen Bauelementen.
  • Der Timer 555 ist stabiler.