Tutoriel sur le minuterie 555

Nous avons vu que les Multivibrateurs et les Oscillateurs CMOS peuvent être facilement construits à partir de composants discrets pour produire des oscillateurs de relaxation générant des formes d’onde carrées de base. Mais il existe également des circuits intégrés dédiés comme le timer 555, spécialement conçu pour produire avec précision la forme d’onde de sortie requise avec l’ajout de seulement quelques composants de temporisation supplémentaires.

Un tel dispositif, qui existe depuis les débuts des circuits intégrés et qui est devenu quelque peu un “standard” de l’industrie, est l’Oscillateur Timer 555, plus communément appelé “Timer 555”.

Le timer 555 de base tire son nom du fait qu’il comporte trois résistances de 5kΩ connexes en interne, qu’il utilise pour générer les deux tensions de référence des comparateurs. Le circuit intégré Timer 555 est un appareil de temporisation de précision très bon marché, populaire et utile, qui peut agir soit comme un simple temporisateur générant des impulsions uniques ou de longs délais, soit comme un oscillateur de relaxation produisant une série de formes d’onde stabilisées de cycles de service variant de 50 à 100%.

Le chip Timer 555 est un dispositif robuste et stable à 8 broches qui peut fonctionner soit comme un Monostable, Bistable ou Oscillateur Astable très précis, pour produire une variété d’applications telles que des temporisateurs à impulsion unique ou à délai, génération d’impulsions, clignotants LED et lampes, alarmes et génération de tonalités, horloges logiques, division de fréquence, alimentations et convertisseurs, etc. En fait, tout circuit nécessitant une sorte de contrôle de temps, la liste est sans fin.

Le chip Timer 555 dans sa forme de base est un dispositif Bipolaire mini de 8 broches en paquet Dual-in-line (DIP) comprenant environ 25 transistors, 2 diodes et environ 16 résistances disposées pour former deux comparateurs, un flip-flop et un étage de sortie à courant élevé comme montré ci-dessous.

En plus du Timer 555, il existe aussi le Timer Oscillateur NE556 qui combine DEUX timers 555 individuels dans un seul paquet DIP de 14 broches et des versions CMOS à faible consommation du timer 555 unique comme le 7555 et le LMC555 qui utilisent des transistors MOSFET à la place.

Un diagramme de bloc simplifié représentant le circuit interne du timer 555 est donné ci-dessous avec une brève explication de chacun de ses broches de connexion pour aider à mieux comprendre son fonctionnement.

Diagramme de Bloc du Timer 555

• • Pin 1. – Masse, La broche de masse connecte le timer 555 à la rail d’alimentation négatif (0v).
• • Pin 2. – Déclenchement, L’entrée négative au comparateur n ° 1. Une impulsion négative sur cette broche “déclenche” le flip-flop interne lorsque la tension tombe en dessous de 1/3Vcc, ce qui fait que la sortie passe d’un état “LOW” à un état “HIGH”.
• • Pin 3. – Sortie, La broche de sortie peut piloter n’importe quel circuit TTL et peut fournir ou absorber jusqu’à 200mA de courant à une tension de sortie d’environ Vcc – 1,5V, de sorte que de petits haut-parleurs, LEDs ou moteurs peuvent être connectés directement à la sortie.
• • Pin 4. – Réinitialiser, Cette broche est utilisée pour “réinitialiser” le flip-flop interne contrôlant l’état de la sortie, broche 3. C’est une entrée active à faible niveau et est généralement connectée à un niveau logique “1” lorsqu’elle n’est pas utilisée pour éviter toute réinitialisation indésirable de la sortie.
• • Pin 5. – Tension de Contrôle, Cette broche contrôle le chronométrage du 555 en remplaçant le niveau de 2/3Vcc du réseau de diviseur de tension. En appliquant une tension à cette broche, la largeur du signal de sortie peut varier de manière indépendante du réseau de temporisation RC. Lorsqu’elle n’est pas utilisée, elle est connectée à la masse via un condensateur de 10nF pour éliminer tout bruit.
• • Pin 6. – Seuil, L’entrée positive au comparateur n ° 2. Cette broche est utilisée pour réinitialiser le flip-flop lorsque la tension qui y est appliquée dépasse 2/3Vcc, ce qui fait que la sortie passe de l’état “HIGH” à “LOW”. Cette broche est directement connectée au circuit de temporisation RC.
• • Pin 7. – Décharge, La broche de décharge est connectée directement au collecteur d’un transistor NPN interne qui est utilisé pour “décharger” le condensateur de temporisation vers la masse lorsque la sortie à la broche 3 passe à “LOW”.
• • Pin 8. – Alimentation +Vcc, C’est la broche d’alimentation et pour les timers TTL 555 à usage général, elle est comprise entre 4,5V et 15V.

Le nom des Timers 555 provient du fait qu’il y a trois résistances de 5kΩ connectées ensemble en interne, produisant un réseau de diviseur de tension entre la tension d’alimentation à la broche 8 et la masse à la broche 1. La tension à travers ce réseau résistif en série maintient l’entrée négative inversante du comparateur deux à 2/3Vcc et l’entrée positive non-inversante du comparateur un à 1/3Vcc.

Les deux comparateurs produisent une tension de sortie dépendante de la différence de tension à leurs entrées, qui est déterminée par l’action de charge et de décharge du réseau RC connecté externément. Les sorties des deux comparateurs sont connectées aux deux entrées du flip-flop qui, à son tour, produit soit un niveau de sortie “HIGH” soit “LOW” en fonction des états de ses entrées. La sortie du flip-flop est utilisée pour contrôler un étage de commutation de sortie à courant élevé pour piloter la charge connectée, produisant soit un niveau de tension “HIGH” soit “LOW” à la broche de sortie.

La utilisation la plus courante de l’oscillateur timer 555 est en tant qu’oscillateur astable simple en connectant deux résistances et un condensateur à ses bornes afin de générer un train d’impulsions fixe dont la période est déterminée par la constante de temps du réseau RC. Mais le chip oscilloscope timer 555 peut également être connecté de différentes manières pour produire des multivibrateurs monostables ou bistables ainsi que le multivibrateur astable plus commun.

Le Timer 555 Monostable

Le fonctionnement et la sortie du timer monostable 555 sont exactement les mêmes que ceux du circuit transistorisé que nous avons examiné précédemment dans le tutoriel sur les multivibrateurs monostables. La différence cette fois-ci est que les deux transistors ont été remplacés par le dispositif timer 555. Considérons le circuit monostable timer 555 ci-dessous.

Timer Monostable 555

Lorsqu’une impulsion négative (0V) est appliquée à l’entrée de déclenchement (broche 2) de l’oscillateur timer 555 configuré en monostable, le comparateur interne (comparateur n°1) détecte cette entrée et “déclenche” l’état du flip-flop, changeant la sortie d’un état “LOW” à un état “HIGH”. Cette action désactive alors le transistor de décharge connecté à la broche 7, supprimant ainsi le court-circuit à travers le condensateur de temporisation externe, C1.

Cette action permet au condensateur de temporisation de commencer à se charger à travers la résistance, R1 jusqu’à ce que la tension du condensateur atteigne le seuil (broche 6) de 2/3Vcc établi par le réseau de diviseur de tension interne.

À ce moment, la sortie du comparateur passe à “HIGH” et “réinitialise” le flip-flop à son état initial, ce qui fait “ALLUMER” le transistor et décharger le condensateur à la masse par la broche 7. Cela provoque le changement de l’état de la sortie, revenant à la valeur stable “LOW” en attendant une autre impulsion de déclenchement pour recommencer le processus de temporisation. Comme précédemment, le multivibrateur monostable n’a qu’« UN » état stable.

Le circuit Timer Monostable 555 se déclenche par une impulsion à la baisse appliquée à la broche 2 et cette impulsion de déclenchement doit être beaucoup plus courte que la largeur d’impulsion de sortie, permettant un temps de charge et de décharge complet du condensateur de temporisation.

Une fois déclenché, le 555 Monostable restera dans cet état “HIGH” instable jusqu’à ce que la période de temps définie par le réseau R₁ x C₁ se soit écoulée. La durée pendant laquelle la sortie reste à “HIGH” ou à un niveau logique “1” est donnée par l’équation de constante de temps suivante.

Où t est en secondes, R est en Ω et C en Farads.

Exemple de Timer 555 No1

Un Timer Monostable 555 est nécessaire pour produire un délai dans un circuit. Si un condensateur de temporisation de 10µF est utilisé, calculez la valeur de la résistance requise pour produire un délai de sortie minimum de 500ms.

500ms équivaut à dire 0,5s, donc en réarrangeant la formule ci-dessus, nous obtenons la valeur calculée pour la résistance, R comme suit :

La valeur calculée pour la résistance de temporisation requise pour produire la constante de temps nécessaire de 500ms est donc de 45,5KΩ. Cependant, la valeur de résistance de 45,5KΩ n’existe pas comme valeur standard, donc nous devrions sélectionner la valeur préférée la plus proche de 47kΩ qui est disponible dans toutes les plages standard de tolérance, de E12 (10%) à E96 (1%), ce qui nous donne un nouveau délai de temporisation recalculé de 517ms.

Si cette différence de temps de 17ms (500 – 517ms) est inacceptable, au lieu d’une seule résistance de temporisation, deux résistances de valeur différente pourraient être connectées ensemble en série afin d’ajuster la largeur d’impulsion à la valeur exacte souhaitée, ou une valeur de condensateur de temporisation différente choisie.

Nous savons désormais que le délai de temps ou la largeur d’impulsion de sortie d’un timer 555 monostable est déterminé par la constante de temps du réseau RC connecté. Si de longs délais de temporisation sont nécessaires, dans les dizaines de secondes, il n’est pas toujours conseillé d’utiliser de petits condensateurs de temporisation car ils peuvent être physiquement encombrants, coûteux et avoir de grandes tolérances, par exemple ±20%.

Une solution alternative consiste à utiliser un petit condensateur de temporisation et une résistance de valeur beaucoup plus grande allant jusqu’à environ 20MΩ pour produire le délai de temps requis. De plus, en utilisant un condensateur de temporisation de plus petite valeur et différentes valeurs de résistances connectées à celui-ci via un commutateur rotatif à plusieurs positions, nous pouvons produire un circuit oscillateur timer monostable 555 qui peut générer différentes largeurs d’impulsion à chaque rotation du commutateur, comme le circuit de timer monostable 555 commutable illustré ci-dessous.

Circuit Monostable Commutable

Nous pouvons manuellement calculer les valeurs de R et C pour les composants individuels requis comme nous l’avons fait dans l’exemple ci-dessus. Cependant, le choix des composants nécessaires pour obtenir le délai de temps souhaité exige que nous calculions avec des kilohms (KΩ), des mégaohms (MΩ), des microfarads (μF) ou des picofarads (pF), et il est très facile de se retrouver avec un délai de temps décalé d’un facteur de dix ou même cent.

Nous pouvons rendre notre vie un peu plus facile en utilisant un type de graphique appelé “Nomographe” qui nous aidera à trouver la fréquence de sortie attendue des multivibrateurs monostables pour différentes combinaisons ou valeurs de R et C. Par exemple :

Nomographe Monostable

Donc, en sélectionnant des valeurs appropriées de C et R dans les plages de 0,001µF à 100µF et de 1kΩ à 10MΩ respectivement, nous pouvons lire la fréquence de sortie attendue directement à partir du graphique nomographe, éliminant ainsi toute erreur de calcul.

Dans la pratique, la valeur de la résistance de temporisation pour un timer monostable 555 ne doit pas être inférieure à 1kΩ ni supérieure à 20MΩ.

Timer 555 Bistable

En plus de la configuration d’une seule impulsion Timer Monostable 555 mentionnée ci-dessus, nous pouvons également fabriquer un dispositif Bistable (deux états stables) avec le fonctionnement et la sortie du Bistable 555 similaires à ceux de l’appareil transistorisé que nous avons examiné précédemment dans le tutoriel sur les multivibrateurs bistables.

Le Bistable 555 est l’un des circuits les plus simples que nous puissions construire en utilisant le chip oscillateur timer 555. Cette configuration bistable n’utilise aucun réseau de temporisation RC pour produire une forme d’onde de sortie, donc aucune équation n’est nécessaire pour calculer la période du circuit. Considérez le circuit Timer Bistable 555 ci-dessous.

Circuit de Flip-flop Bistable

La commutation de la forme d’onde de sortie est obtenue en contrôlant les entrées de déclenchement et de réinitialisation du timer 555, qui sont maintenues à “HIGH” par les deux résistances de tirage, R1 et R2. En faisant passer l’entrée de déclenchement (broche 2) à “LOW”, le commutateur en position de réglage modifie l’état de sortie en “HIGH” et en faisant passer l’entrée de réinitialisation (broche 4) à “LOW”, le commutateur en position de réinitialisation change l’état de sortie en “LOW”.

Ce circuit timer 555 restera dans l’un ou l’autre état indéfiniment, il est donc bistable. Le timer 555 bistable est stable dans les deux états, “HIGH” et “LOW”. L’entrée de seuil (broche 6) est connectée à la masse pour s’assurer qu’elle ne puisse pas réinitialiser le circuit bistable comme elle le ferait dans une application de temporisation normale.

Sortie du Timer 555

Nous ne pourrions pas conclure ce tutoriel sur le Timer 555 sans aborder quelque chose concernant les capacités de commutation et de pilotage du timer 555 ou même du double IC Timer 556.

La sortie (broche 3) du timer 555 standard ou du timer 556 a la capacité d’« absorber » ou de « fournir » un courant de charge allant jusqu’à un maximum de 200mA, ce qui est suffisant pour piloter directement des transducteurs de sortie tels que des relais, des lampes à filament, LEDs, moteurs ou haut-parleurs, etc., avec l’aide de résistances en série ou de protection par diode.

Cette capacité du timer 555 à à la fois « absorber » (traiter) et « fournir » (offrir) du courant signifie que le dispositif de sortie peut être connecté entre la sortie du timer 555 et l’alimentation pour absorber le courant de charge, ou entre la sortie et la masse pour fournir le courant de charge. Par exemple :

Absorption et Fourniture de la Sortie du Timer 555

Dans le premier circuit ci-dessus, la LED est connectée entre la rail d’alimentation positive ( +Vcc ) et la broche de sortie 3. Cela signifie que le courant va « absorber » (absorber) ou circuler dans le terminal de sortie du timer 555 et la LED sera « ALLUMÉE » lorsque la sortie est « LOW ».

Le second circuit ci-dessus montre que la LED est connectée entre la broche de sortie 3 et la masse ( 0v ). Cela signifie que le courant va « fournir » (offrir) ou circuler à partir du terminal de sortie du timer 555 et la LED sera « ALLUMÉE » lorsque la sortie est « HIGH ».

La capacité du timer 555 à également absorber et fournir le courant de charge à sa sortie signifie que les deux LEDs peuvent être connectées au terminal de sortie en même temps, mais une seule sera « ALLUMÉE » en fonction de l’état de sortie « HIGH » ou « LOW ». Le circuit à gauche montre un exemple de ceci. Les deux LEDs seront alternativement “ALLUMÉES” et “ÉTEINTES” selon la sortie. La résistance, R est utilisée pour limiter le courant de la LED à moins de 20mA.

Nous avons dit plus tôt que le courant de sortie maximal que l’on peut absorber ou fournir via la broche 3 est d’environ 200mA à la tension d’alimentation maximale, et cette valeur est plus que suffisante pour piloter ou commuter d’autres circuits logiques, LEDs ou petites lampes, etc.

Mais que faire si nous voulons commuté ou contrôler des appareils de plus grande puissance tels que des moteurs, électroaimants, relais ou haut-parleurs. Dans ce cas, nous devrions utiliser un Transistor pour amplifier la sortie du timer 555 afin de fournir une puissance suffisamment élevée pour alimenter la charge.

Driver de Sortie du Timer 555

Le transistor dans les deux exemples ci-dessus peut être remplacé par un dispositif MOSFET de puissance ou un transistor Darlington si le courant de charge est élevé. Lors de l’utilisation d’une charge inductive comme un moteur, un relais ou un électroaimant, il est conseillé de connecter une diode de roue libre (ou de protection) directement à travers les bornes de charge pour absorber toute tension induite inverse générée par le dispositif inductif lors de son changement d’état.

Jusqu’à présent, nous avons examiné l’utilisation du Timer 555 pour générer des impulsions de sortie monostables et bistables. Dans le prochain tutoriel sur la Génération d’Ondes, nous examinerons la connexion du 555 en configuration de multivibrateur astable. Lorsqu’il est utilisé en mode astable, à la fois la fréquence et le cycle de service de la forme d’onde de sortie peuvent être contrôlés avec précision pour produire un générateur de formes d’onde très polyvalent.