RC веригата: часовникът
Всеки импулсен генератор мери времето с едно и също: кондензатор, който се пълни през резистор. Отначало се пълни бързо, после все по-бавно. Колко бавно казва времеконстантата τ = RC: за време τ кондензаторът изминава 63 % от пътя до захранването.
Тук R = 10 kΩ и C = 100 nF, значи τ = 1 ms. Пунктирите са 1/3 и 2/3 от захранването – праговете на 555. От единия до другия кондензаторът стига за 695 μs, т.е. 0,69·RC. Това число ще го видим във всяка формула.
uC 1/3 Ucc 2/3 Ucc
Оста на времето е 5τ, затова кривата изглежда еднакво при всяко R и C: мени се само мащабът. Гледай числото под оста.
Таймерът 555 отвътре
Таймерът 555 има вътре три резистора по 5 kΩ (оттам името), които делят захранването на трети. На тях стоят два компаратора – малки ОУ без обратна връзка от тема 8:
| Част | Какво прави |
|---|---|
| Компаратор на прага (THR, изв. 6) | щом входът стане над 2/3·Ucc → нулира тригера: изходът пада |
| Компаратор на пуска (TRIG, изв. 2) | щом входът падне под 1/3·Ucc → установява тригера: изходът скача |
| RS тригер | помни кой компаратор е бил последен – това е паметта на схемата |
| Разряден транзистор (DIS, изв. 7) | когато изходът е долу, свързва изв. 7 с масата – изпразва кондензатора |
Така 555 прави точно това, което искаме от мултивибратора: стои горе, докато кондензаторът стигне 2/3, после стои долу, докато падне до 1/3.
Астабилен режим: пищялката
Свързваме RA = 1 kΩ и RB = 16 kΩ от захранването до кондензатора, а точката между тях – с изв. 7. Кондензаторът се пълни през RA + RB (изходът е горе), стига 2/3 и 555 отпушва изв. 7. Тогава се изпразва само през RB (изходът е долу), стига 1/3 – и пак отначало. Никой не го пуска: схемата сама се люлее. Това е автогенераторен (астабилен) режим.
По формулата f = 436 Hz и D = 51,5 %. Симулацията мери f = 432 Hz и D = 50,9 %.
uC изход 1/3 Ucc 2/3 Ucc
Жълтото (кондензаторът) се люлее между двата пунктира, а изходът (зелено) е правоъгълник. Първият импулс е по-дълъг: кондензаторът тръгва от 0, не от 1/3. Пусни звука и сменяй C: 10 пъти по-голям кондензатор → 10 пъти по-нисък тон. С мигач изходът е колкото да мига светодиод веднъж в секунда.
Моностабилен режим: стълбищният автомат
Сега кондензаторът се пълни само през R = 47 kΩ, а пускът (изв. 2) е свързан с бутон. Натискането дърпа изв. 2 под 1/3 – изходът скача горе и кондензаторът почва да се пълни. При 2/3 изходът пада и кондензаторът се изпразва. Така схемата има едно устойчиво състояние (долу) и едно временно – като лампата на стълбището.
Импулсът трае t = 1,1·RC = 5,17 ms; симулацията мери 5,16 ms.
бутон (изв. 2) uC изход 1/3 Ucc 2/3 Ucc
Бутонът (синьо) пада за миг до 0 – изходът скача и стои горе, докато жълтото стигне 2/3. Второто натискане по средата не удължава импулса: тригерът вече е горе.
Формирователи: диференцираща и интегрираща верига
Едно RC може и да оформя импулси. Пускаме правоъгълни импулси по 2 ms (tи) в две вериги с една и съща τ = 0,2 ms:
- Интегрираща (R напред, C към маса) – закръгля фронтовете и закъснява; при τ ≫ tи само „пълзи“ около средното.
- Диференцираща (C напред, R към маса) – пропуска само промените: при τ ≪ tи прави иглички от всеки фронт – нагоре и надолу.
вход интегрираща диференцираща
При малка τ интегриращата почти повтаря импулса, а диференциращата дава игли ±5 V. При голяма τ е обратно: диференциращата почти повтаря импулса (само наклонен), а интегриращата едва мърда.
Мултивибратор с транзистори и кварц
Преди 555 мултивибраторът се правеше с два транзистора, всеки запушва другия през кондензатор (колекторно-базови връзки). Изходите са в противофаза, амплитудата е ≈ Ucc, а всяко състояние трае t ≈ 0,7·RB·C. Същото става и с два инвертора + RC: кондензаторът се презарежда до прага Up и схемата превключва.
Транзисторният мултивибратор в лабораториятаCircuitJS – свободен симулатор: токът тече като точки, щракаш върху елемент и сменяш стойността ↗Честотата на всички RC генератори плава с температурата, захранването и допуските на R и C – по няколко процента. Когато трябва точно (часовник, процесор), кондензаторът се заменя с кварцов резонатор: кристал, който трепти с много голям качествен фактор. Стабилността стига 10⁻⁶ (с термостат – 10⁻¹⁰). При TTL кварцът работи в последователен резонанс, кондензатор C3 ≈ 680/f pF подтиска хармониците, а трети елемент е буфер.
Самопроверка
1. 555: RA = 1 kΩ, RB = 10 kΩ, C = 100 nF. Каква е честотата?
f = 1,44/((1 + 20) kΩ · 100 nF) ≈ 686 Hz.
2. Може ли 555 в основната астабилна схема да даде D < 50 %?
Не – tH = 0,693(RA + RB)C винаги е по-дълго от tL = 0,693·RB·C. Нужен е диод успоредно на RB.
3. Моностабилен 555 с R = 100 kΩ, C = 10 μF – колко свети лампата?
t = 1,1·RC = 1,1 s.
4. Каква е разликата между астабилен и моностабилен мултивибратор?
Астабилният няма устойчиво състояние – люлее се сам. Моностабилният има едно устойчиво и едно временно – влиза във временното само при пускащ импулс.
5. Каква верига ще направи къси пускащи импулси от фронтовете на правоъгълен сигнал?
Диференцираща RC (C напред, R към маса) с τ ≪ tи.