Une collection de 555 circuits utilisant le Timer 555 comme oscillateur astable avec différents cycles de travail
Nous avons vu dans les derniers tutoriels que le timer 555 peut être configuré avec des composants externes comme des multivibrateurs, oscillateurs et temporisateurs, avec des intervalles de temps allant de quelques microsecondes à plusieurs heures. Étant donné que le timer 555 est l’un de nos circuits intégrés préférés, les moins chers et facilement configurables, examinons son utilisation pour créer différents circuits 555, partie 1.
Comme nous l’avons vu précédemment, le timer 555 se présente comme un appareil unique dans un boîtier à double rangée de 8 broches (DIP) ou comme le dispositif 556 qui contient deux puces 555 dans un seul boîtier à double rangée de 14 broches. Les deux timers 555 à l’intérieur du 556 fonctionnent indépendamment l’un de l’autre mais partagent une alimentation VCC et une connexion à la terre (0V) communes.
Le 555 TTL standard peut fonctionner avec une tension d’alimentation comprise entre 4,5 volts et 18 volts, avec une tension de sortie d’environ 2 volts inférieure à sa tension d’alimentation VCC. Le 555 peut fournir ou aspirer un courant de sortie maximal de 200 mA (mais il peut chauffer à ce niveau), donc les variations de circuit sont illimitées. Notez que les versions CMOS du 555, le 7555 et le 7556, peuvent avoir des cotes de tension et de courant différentes.
Mais tout d’abord, rappelons-nous certaines des formules de base que nous pouvons utiliser pour calculer la fréquence d’oscillation.
Où : t1 est la durée de sortie haute, t2 est la durée de sortie basse, T est la période périodique de la forme d’onde de sortie, ƒ est la fréquence de la forme d’onde de sortie, et 0.693 = ln(2).
Lorsqu’il est connecté comme oscillateur astable, le condensateur C se charge à travers RA et RB mais se décharge uniquement à travers RB.
Ainsi, le cycle de travail D est déterminé par le rapport de ces deux résistances. Avec le choix approprié des résistances RA et RB, des cycles de travail entre 50 et 100 % peuvent être facilement réglés.
La période totale T est donnée comme le temps de charge du condensateur, t1 (Sortie haute) plus le temps de décharge, t2 (Sortie basse) car le condensateur se charge et se décharge entre 1/3Vcc et 2/3Vcc respectivement.
Dans ce mode de fonctionnement, les temps de charge et de décharge et donc la fréquence, ƒ donnée par : 1/T, est indépendante de la tension d’alimentation.
Oscillateur 555 Simple
Le circuit de l’oscillateur 555 de base est très polyvalent, et dans ce tutoriel des circuits 555, partie 1, nous pouvons créer un certain nombre de variantes intéressantes à partir de celui-ci. Le circuit d’oscillateur astable 555 en fonctionnement libre le plus simple connecte la broche 3 (sortie) directement au condensateur de temporisation via une seule résistance comme indiqué.
Oscillateur 555 Simple
Lorsque la sortie à la broche 3 est HAUTE, le condensateur se charge à travers la résistance. Lorsque la tension à travers le condensateur atteint 2/3Vcc, la broche 6 (Seuil) provoque un changement d’état de la sortie à la broche 3 qui passe à BAS.
Le condensateur se décharge maintenant à travers la même résistance jusqu’à ce que la broche 2 (Déclencheur) atteigne 1/3Vcc, provoquant un changement d’état de la sortie une fois de plus. Le condensateur se charge et se décharge en continu entre 2/3Vcc et 1/3Vcc allant et venant à travers la même résistance, créant un état HAUT et BAS à la sortie, broche 3.
Alors que le condensateur se charge et se décharge à travers la même résistance, le cycle de travail de cet agencement de base est très proche de 50 % ou de 1:1. La série d’impulsions carrées de sortie produites a un temps de cycle (T) égal à environ 2(0.693)*RC ou 2ln(2)*RC. La fréquence de la forme d’onde de sortie (ƒ) est donc égale à : 0.722/RC.
Par exemple, si nous voulons générer une forme d’onde carrée de sortie à 1 kHz, alors R = 3.3kΩ et C = 220nF utilisant des valeurs de composants préférées.
Circuits 555 Partie 1 – L’oscillateur 555 le plus rapide
En faisant varier la valeur de R ou C, le circuit multivibrateur astable 555 peut être fait osciller à n’importe quelle fréquence de sortie souhaitée. Mais quelle est la fréquence maximale d’oscillations que nous pouvons produire à partir d’une seule puce timer 555 ?
Pour faire fonctionner le 555 à sa fréquence la plus haute dans ce tutoriel circuits 555, il est nécessaire de le déclencher en continu instantanément lorsque la sortie change d’état, de haut à bas, ou de bas à haut. La vitesse de commutation la plus rapide peut être obtenue en retirant les deux composants de temporisation R et C et en nourrissant le signal de sortie directement aux entrées de déclenchement.
En connectant la sortie, (broche 3) aux deux entrées de déclenchement, (broche 2) et l’entrée de seuil, (broche 6), chaque fois que la sortie change d’état, cela redéclenche le 555 pour changer d’état à nouveau. Cependant, la forme d’onde de sortie ne sera pas symétrique ou carrée mais une série d’impulsions négatives.
La fréquence d’oscillation la plus élevée obtenue à l’aide de cet arrangement dépendra de la tension d’alimentation, du type de puce 555 utilisée, TTL ou CMOS, et du fabricant, car le circuit interne diffère d’un fabricant à l’autre. Mais il est possible de produire une fréquence de sortie aussi élevée que 350 kHz à 5 volts.
Circuits 555 Partie 1 – L’oscillateur 555 le plus lent
Si nous revenons au circuit d’oscillateur 555 précédent dans ce tutoriel circuits 555 partie 1 et remplaçons le condensateur de temporisation par un électrolytique de grande valeur, tel qu’un condensateur de 220uF ou de 470uF, en sélectionnant la résistance de temporisation appropriée, la fréquence d’oscillation peut être réduite à bien moins de 1Hz. Si tel est le cas, alors le circuit 555 cesse de devenir un oscillateur et devient un circuit de minuterie ou de retard dont la largeur d’impulsion pourrait être de plusieurs dizaines de secondes.
Circuit Temporisateur 555
Dans ce circuit de délai, le seuil, (broche 6) et la décharge, (broche 7) sont reliés ensemble au point de jonction des composants de temporisation RC et la sortie reste BAS et stable jusqu’à ce que le 555 soit déclenché par l’application d’une impulsion négative sur l’entrée de déclenchement, (broche 2).
Le terminal de déclenchement du 555 est maintenu HAUT via la résistance R1 jusqu’à ce que le bouton-poussoir, S1 soit fermé. L’activation de S1 court-circuite momentanément la broche 2 à la terre et donc en dessous de 1/3Vcc, lançant le cycle de délai.
Une fois déclenché, la sortie de la broche 3 passe à HAUT pendant une certaine durée pré-calculée déterminée par la constante de temps RC des circuits et ne répondra à aucun déclenchement supplémentaire du commutateur S1 tant que la période de délai chronométrée n’a pas été atteinte, à quel moment la sortie à la broche 3 revient BAS.
Cela rend ce circuit monostable déclenché manuellement utile dans les applications de suppression de rebond de l’interrupteur, car une seule impulsion est créée quelle que soit la fréquence à laquelle l’interrupteur est enfoncé. La largeur de la période d’impulsion de sortie monostable pendant laquelle la sortie est à l’état HAUT est donnée par : 1.1RC en secondes, où R est en Ohms et C est en Farads.
Circuits 555 Partie 1 – Un cycle de travail modifié
Nous avons précédemment dit que le cycle de travail, c’est-à-dire le rapport de temps ON au temps total de cycle, est limité entre 50 % et 100 % pour le circuit oscillateur 555 standard. Mais certaines applications peuvent nécessiter un cycle de travail spécifique à régler en dessous de 50 %, c’est-à-dire que le temps t1 (HAUT) est inférieur ou plus court que le temps t2 (BAS) qui sont réglés par les rapports de RA et RB.
À mesure que la résistance de RA devient beaucoup plus grande que RB, le cycle de travail augmente vers l’unité (100 %) à mesure que RB s’approche de zéro.
De même, lorsque la résistance de RB augmente par rapport à RA, le cycle de travail s’approche de 50 % (ou 1:1), donnant à la forme d’onde de sortie une apparence plus carrée. Cependant, pour obtenir un cycle de travail complet de 50 %, RA devrait être égal à zéro Ohm, ce qui n’est pas permis car cela court-circuiterait VCC à la terre à travers la broche de décharge 7.
Une façon d’atteindre un cycle de travail inférieur à 50 % est d’inclure une diode dans le circuit de temporisation RC comme indiqué.
Cycle de travail 50%
L’ajout de la diode, D1 à travers les broches 6 et 7 du circuit oscillateur 555 de base, court-circuite la résistance RB pendant le cycle de charge.
La diode, qui peut être n’importe quelle diode en silicium à usage général, permet au condensateur de se charger directement à partir de RA, car RA et D1 sont effectivement en série, retirant la résistance RB du cycle de charge, bien qu’un très petit courant de fuite continue à circuler à travers RB.
Pendant le cycle de décharge lorsque la sortie à la broche 3 est BAS, la diode D1 est polarisée inverse et le circuit fonctionne donc comme avant, se déchargeant à travers la résistance RB et dans la broche 7 du 555.
Ainsi, pendant le cycle de charge lorsque la sortie est HAUTE, RA et C contrôlent la période de temporisation t1, tandis que pendant le cycle de décharge lorsque la sortie est BAS, RB et C contrôlent la période de temporisation t2.
Notez qu’en raison de la présence de la diode, D1 à travers RB, la chute de tension directe de 0,7 volt de la diode rend le circuit plus sensible aux variations de la tension d’alimentation, Vcc. Ainsi, l’expression de temporisation t1 est modifiée pour être approximativement 0.8RC pour tenir compte de cette chute de diode.
Circuits 555 Partie 1 – Un cycle de travail amélioré
Nous pouvons améliorer le circuit précédent en ajoutant une seconde diode, D2 en série avec la résistance de décharge, RB comme il se doit.
Avec l’ajout de D2, tout courant de fuite parallèle circulant à travers RB pendant le cycle de charge est complètement bloqué alors que la diode, D2 est polarisée inverse pendant cette période de temporisation.
Pendant la période de décharge, le condensateur se décharge à travers la connexion en série de D2 et RB alors que la diode D1 est polarisée inverse pendant ce cycle.
Ainsi, les chemins de charge et de décharge pour le condensateur de temporisation deviennent identiques alors que le condensateur de temporisation se charge à travers RA et D1 et se décharge à travers RB et D2 permettant d’ajuster chaque période de temporisation sans affecter l’autre.
Dans le cadre de ce tutoriel circuits 555 partie 1, nous pouvons réaliser une version intéressante du circuit de cycle de travail amélioré utilisant des diodes, car si vous rendez les deux résistances de temporisation, RA et RB identiques, c’est-à-dire RA = RB, le cycle de travail sera exactement de 50 % produisant une forme d’onde de sortie carrée.
Encore une fois, les équations d’oscillateur astable 555 standard sont légèrement modifiées pour tenir compte de l’inclusion des diodes, et comme auparavant, en raison des chutes de tension directe de la diode, les périodes de temporisation sont sensibles aux variations de la tension d’alimentation.
Périodes de temporisation entièrement indépendantes
Nous pouvons encore améliorer le circuit ci-dessus en remplaçant la résistance de valeur fixe, RB par un ou deux potentiomètres en série avec les deux diodes. L’inclusion de résistances variables permettrait des variations entièrement indépendantes dans les périodes de temporisation RC de charge et de décharge comme montré.
Oscillateur 555 entièrement indépendant
Le circuit de temporisation à gauche montre l’utilisation de deux potentiomètres dans le design de l’oscillateur. En utilisant deux potentiomètres, VR1 et VR2, un chacun en série avec les diodes.
La période de temporisation pour le cycle de charge (sortie haute) et le cycle de décharge (sortie basse) peuvent maintenant être ajustées indépendamment, permettant un contrôle total sur le cycle de travail sans affecter la fréquence de sortie. Une alternative simplifiée à la variation précédente est d’utiliser un seul potentiomètre pour contrôler les deux périodes de temporisation de sortie en même temps comme indiqué dans le circuit de droite.
Avec le bras du potentiomètre à sa position centrale, la valeur résistive entre le point A et le curseur est égale à la valeur résistive entre le point B et le curseur. Ainsi, la valeur de RB devient maintenant la valeur de VR1 et le cycle de travail de la forme d’onde de sortie sera égal à 50 %. Produisant ainsi une forme d’onde de sortie en forme de carré modulée par impulsion.
Au fur et à mesure que le bras du potentiomètre est varié du centre au point A, le cycle de travail diminue. De même, à mesure que le bras du potentiomètre est varié dans la direction inverse du centre au point B, le cycle de travail augmente. Ainsi, le cycle de travail de la forme d’onde de sortie peut être varié de bas à haut, sans changements majeurs à la fréquence de sortie.
Nous pouvons aller un peu plus loin en convertissant un circuit astable 555 à 50 % de cycle de travail en un qui nous permet de faire varier les temps tON et tOFF similaires au circuit précédent. Ce rapport ON/OFF (Marquer/Espace) peut être modifié en ajoutant une seule diode et un potentiomètre (ou une diode et deux résistances fixes) comme montré.
Varier le cycle de travail du 555
Lorsque l’alimentation est d’abord appliquée, le condensateur de temporisation C1 est non chargé et la sortie (broche 3) devient HAUTE, donc C1 se charge rapidement via la diode polarizada directe, D1 et une moitié du potentiomètre, VR1.
Lorsque la broche 6 (Seuil) du 555 détecte 2/3 Vcc, la sortie de la broche 3 passe à BAS et le condensateur C1 se décharge lentement à travers l’autre moitié du potentiomètre, car maintenant la diode est polarisée inverse, jusqu’à ce que la broche 2 (Déclencheur) détecte 1/3 Vcc, provoquant un retour de la sortie, broche 3 à HAUTE à nouveau, répétant ainsi le cycle.
Le temps pendant lequel la sortie du 555 est HAUTE est appelé le “MARQUE”, et le temps lorsque la sortie du 555 est BAS est appelé l’”ESPACE”. En faisant varier le potentiomètre entre le point “A” (le plus bas) et le point “B” (le plus haut), nous pouvons modifier le rapport marque à espace (son cycle de travail) de la forme d’onde de sortie entre environ 5 % (position A) et un maximum de 50 % (position B). Rappelez-vous que si les longueurs de Marque et d’Espace sont les mêmes, alors la sortie sera de 1:1.
L’avantage de ce circuit est que nous pouvons produire de courtes longueurs de Marque (HAUT) ou des impulsions de temps avec de très longues longueurs de périodes d’Espace (BAS) pour toutes sortes d’applications d’impulsions et de temporisation. Si nous inversions la direction de la diode, D1, nous pouvons créer un circuit de temporisation avec un court Espace mais une longue période de Marque, c’est-à-dire une impulsion OFF courte mais une longue durée ON.
L’inconvénient de ce circuit de cycle de travail variable de base est que la durée de la période de temporisation change à mesure que le potentiomètre est ajusté en raison de l’interaction des deux moitiés du potentiomètre. Pour compenser cela, si une période de temporisation fixe T est requise, alors la valeur du condensateur de temporisation, C1 doit être ajustée ou changée.
Une très bonne utilisation de n’importe quel circuit de temporisation variable est dans le contrôle de la vitesse des moteurs à courant continu en utilisant la modulation de largeur d’impulsion.
Contrôle de moteur par Modulation de Largeur d’Impulsion
La modulation de largeur d’impulsion ou PWM, est un moyen de contrôler la valeur moyenne de tension appliquée à une charge en la commutant constamment EN et ÉTEINT à différents cycles de travail. Au lieu de contrôler la vitesse de rotation d’un moteur en appliquant progressivement moins de tension, nous pouvons contrôler sa vitesse en commutant alternativement la tension pleinement EN et ÉTEINT de manière à ce que le temps moyen EN produise le même effet qu’une variation de la tension d’alimentation.
En effet, la tension de contrôle appliquée à travers les bornes du moteur est contrôlée par le cycle de travail de la forme d’onde de sortie du 555 qui à son tour contrôle la vitesse de rotation. Nous pourrions également utiliser cette méthode de modulation de largeur d’impulsion pour contrôler la luminosité d’une lampe ou d’une LED.
Contrôle de Modulation de Largeur d’Impulsion
La vitesse de rotation du moteur à courant continu est contrôlée à l’aide du potentiomètre qui à son tour varie le cycle de travail de la forme d’onde de sortie d’environ 5 % à 95 %. La résistance R1 limite le flux de courant dans la base du transistor de commutation, et la diode D3 est utilisée en parallèle avec le moteur pour suppression et transitoires de tension lorsque le moteur est commuté EN et ÉTEINT.
Le transistor de commutation donné dans l’exemple est un transistor de puissance NPN BD220, classé à 70 volts, 4 amps, mais tout transistor équivalent ferait l’affaire à condition qu’il puisse supporter en toute sécurité le courant de charge du moteur. Le transistor de commutation peut nécessiter un radiateur pour dissiper la chaleur.
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