Микросхема 555 появилась сорок лет назад и стала фактически первым таймером на широком рынке. С тех пор из-за бешеной популярности микросхемы ее начали выпускать почти все производители электронных компонентов, и несмотря на почтенный возраст, 555 до сих пор выходит многомиллионными тиражами.
В этом году прошел конкурс проектов (555contest.com), использующих ее для решения самых разных задач. Заявки принимались в нескольких категориях: искусство, сложные проекты, минималистичные и полезные гаджеты. Призовой фонд составлял около $1500.
Среди нескольких сотен проектов была видеоигра, собранная на целой горсти 555; контроллер для пинбола; электрогитара; устройство, не дающее спать соседям; замок, отпирающий дверь по секретному стуку и еще куча интересного.
Если ты хоть раз в жизни держал паяльник и даже отличишь резистор от транзистора, а со старушкой 555 еще не знаком, то нужно срочно исправить ситуацию. Что это за зверь? Внутри пластикового корпуса с восемью выводами скрывается пара десятков транзисторов, диодов и резисторов, но в доскональное изучение работы таймера вдаваться не будем, пусть он останется для нас черным ящиком, из которого торчат ножки. А вот ножки обсудим.
- Земля. Здесь все просто, во всех схемах ее нужно подключать к минусу питания.
- Триггер, он же пуск. Если напряжение на пуске падает ниже одной трети напряжения питания (Vcc) — например, нажимается кнопка, притянутая к земле, — то схема стартует.
- Выход. Задача таймера простая — генерировать прямоугольные импульсы заданной длины (длительность задается парой сопротивлений и конденсатором). Напряжение выхода примерно на 2 В ниже напряжения питания, когда он включен, и почти ноль (меньше 0,5 В), когда выключен. Максимальная нагрузка, которую способен выдержать выход — около 200 мА. Этого достаточно для небольшого динамика, парочки светодиодов или маленького реле.
- Сброс. Если подать на него низкий уровень (меньше 0,7 В), то схема переходит в исходное состояние, и выход становится низким. Если в схеме сброс не нужен, то лучше притянуть его к плюсу, чтобы он не скидывал случайно (например, от прикосновения пальцем).
- Контроль. Напряжение, приложенное к этой ноге, может изменять длительность выходов таймера. Но используется он редко, а висящий в воздухе — может сбивать работу, поэтому в схемах лучше присоединить к земле через небольшой керамический конденсатор на 10 нФ.
- Порог, он же стоп. Если напряжение на нем выше 2/3 Vcc, то таймер останавливается и выход переводится в выключенное состояние. Работает, только если вход при этом выключен.
- Разряд. Этот выход соединяется с землей внутри микросхемы, когда на выходе низкий уровень, и используется, чтобы разрядить конденсатор временной цепочки. Может пропускать до 200 мА и иногда используется как дополнительный выход.
- Питание. Нужно подключить к плюсу питания. Микросхема поддерживает напряжения от 4,5 В до 16 В. Можно запитать от обычной 9В-батарейки, можно от блока питания детских игрушек или от проводка USB.
Заводим лошадку. Режимы
1. Моностабильный.
При подаче сигнала на вход микросхема включается, генерирует выходной импульс заданной длины и выключается, ожидая нового входного импульса. Важно, что после включения микросхема не будет реагировать на новые сигналы, сколько бы их не посылали. Длину импульса можно посчитать по простой формуле t=1,1R1C4. Чтобы получить время в секундах, сопротивление нужно подставлять в мегаомах, а емкость — в микрофарадах.
Например, при C4=100 мкФ и R1=2,2 МОм период будет примерно 4 минуты. Эту цифру можно менять в очень широких пределах: от 0,000001 секунды до 15 минут. В теории можно и еще больше, но на практике возникнут проблемы.
2. Нестабильный мультивибратор.
В этом режиме таймером и управлять-то не надо, он сам себе хозяин — сперва включится, подождет время t1, потом выключится, подождет время t2, и все заново. На выходе получается забор из высоких и низких состояний, что в лучших традиция ASCII-арта можно представить так: ППППП. Частота, с которой будет колебаться вся система, зависит от параметров RC-цепочки (точнее — от величин R2, R3 и С1) и ее можно посчитать по формуле f = 1,44/((R3 + 2R2 )C1). В течение времени t1 = 0,693 (R3 + R2)C1 на выходе будет высокий уровень, а в течение t2=0,693(R2)C1 — низкий.
3. Бистабильный.
В этом режиме микросхема используется как выключатель. Нажал одну кнопку — выход включился, нажал другую — выключился. Довольно теоретического экскурса, наверняка ты уже захотел приступить к практике.
Собирать простые железки удобно на макетной плате без пайки — ее, как и все детали, можно прикупить в любой радиолавке, за пару сотен рублей. Но у меня почта ближе, чем магазин, и я заказывал все детали из Гонконга на sureelectronics.net, хотя этот вариант на любителя — нужно много терпения: посылка будет идти почти месяц.
Здравствуй, свет!
Задача №1: собрать «хэллоу ворлд» — моргалку светодиодиком. Все просто, как и в мире софта, но в железе даже для такой безделушки можно придумать полезное применение.
От каких деталей уж совсем никак не отвертеться? Во-первых, сам таймер 555 (на схеме IC1). Подойдет таймер любого производителя, но чтобы экспериментировать на макетке — бери в корпусе DIP с длинными ножками. Его названия у разных производителей незначительно отличаются, но три пятерочки в них есть всегда. Например, та, что я использую в примерах этой статьи, называется NE555N. Существуют и другие версии схемы, 556 и 558, у которых в одном корпусе стоит 2 и 4 таймера соответственно.
Они тоже подойдут для всех примеров, просто у них больше ног и расположены они иначе. Во-вторых, потребуются конденсаторы: электролитический C1 емкостью от 5 до 10 мкФ и керамический C3 на 10 нФ. Еще будут нужны: светодиод (LED1) любого цвета и к нему токоограничительный резистор (R5) на 300-600 Ом (у меня 470 Ом), а также резисторы, задающие частоту R1 на 1 кОм и R2 на 10 кОм. Последнее из обязательной программы — маленькая кнопка (типа той, что ставят в мыши и на всяческие приборные панели).
Еще на схеме есть конденсатор C2 на 100 мкФ, который перекинут от плюса к минусу. Если у тебя с питанием все хорошо (например, ты используешь батарейку), то необходимости в нем нет, а с дешевым сетевым адаптером без такого конденсатора никуда. В примерах я использовал пятивольтовый блок питания от детской китайской игрушки, на выпрямителе которого производитель сэкономил — в результате без этой сглаживающей емкости схема не работала вовсе. Поэтому на всех схемах в статье этот конденсатор есть, а ставить его или нет — решать тебе.
Также при желании можно опустить и конденсатор C3, который притягивает пятую ногу к земле, но в этом случае стабильность гарантировать не стану.
Схема работает в нестабильном режиме и собрана таким образом, что пока подключена к питанию, то постоянно генерирует выходные импульсы, а как только мы нажимаем кнопку, то замыкаем ее выход на светодиод и ее работа становится видна. Теперь можешь собрать все по схеме.
При нажатии кнопки светодиод должен бодро начать моргать. Если не заработало, то проверяй контакты и полярности. На микросхеме 555 у одного из краев есть выемка: поставь схему так, чтобы выемка была слева, тогда ножки в нижнем ряду будут нумероваться слева направо от 1 до 4, а в верхнем — справа налево от 5 до 8. У светодиода более длинный выход должен подключаться к плюсу, а более короткий — к минусу. Если у диода ножки одной длины, то на помощь придет плоская литиевая батарейка, вроде той, что стоят на материнских платах. Подключи светодиод и так и эдак, когда он засветится — плюс и минус у него будут расположены, как на батарейке.
Если не заработал в обоих положениях, то либо диод горелый, либо это не диод — фототранзисторы могут выглядеть точно так же, как светодиоды. У электролитических конденсаторов минус, как правило, помечен светлой полосой на корпусе. Для остальных деталей полярность не важна.
Теперь о практической пользе. В некоторых играх бывает необходимо щелкать по левой кнопке беспрестанно, натирая мозоли на пальце, но это не наш метод. Можно собрать эту схему покомпактнее, припаяв детали напрямую к выходам микросхемы, и запихнуть в корпус любой USB-мыши — места там, как правило, хватает. Из схемы нужно только выкинуть светодиод с его резистором, а третью ножку микросхемы подпаять напрямую к плюсу левой кнопки мыши.
Определить, где в мышиной кнопке плюс (зеленая точка на фото), а где — минус, обычно несложно: контакт с нулем более толстый и идет к черному проводу от USB, а другой — это плюс, к нему и подпаивайся. Для питания подключайся к красному и черному проводам, уходящим в сторону компьютера, их контакты также помечены на фото. Просверли слева в корпусе мышки отверстие (так, чтобы было удобно дотягиваться до него большим пальцем) и установи туда кнопку при помощи термоклеевого пистолета. Все, теперь можешь нещадно валить врагов.
Создаем электронную музыку
Еще одна схемка, в которой таймер также работает в режиме мультивибратора, но задача у нее другая. Она перенесет тебя в прошлое, в прокуренные студии отцов андеграундной электронной музыки, которым приходилось самим ваять устройства, при помощи которых они создавали бессмертные хиты.
Изменения в предыдущей схеме придется сделать совсем небольшие. Вместо светодиода с его резистором здесь установлен динамик, подключенный к земле через конденсатор C4 — он нужен, чтобы отфильтровать постоянную составляющую выхода и прогонять через динамик только переменный ток. Для максимальной громкости этот конденсатор должен быть электролитическим, емкостью порядка 10 мкФ, но подобный звук будет резать ухо, и если такой задачи не стоит, поставь керамический на 100 нФ, будет потише. Можешь взять динамик из сломанных больших наушников или бипер из старого системного блока. Пьезодинамик (в виде круглой металлической пластинки) также подойдет, плюс ему не нужен конденсатор С4.
Поскольку звуковые частоты несколько выше, чем частота моргания диода, то RC-цепочку тоже придется чутка переделать. Конденсатор C1 заменить на керамический 100 нФ, резистор R2 заменить на 1 кОм и последовательно с ним поставить переменный резистор R3 на 10 кОм. У переменных резисторов обычно 3 ножки, расположенные в ряд, но тебе нужно подключить только две — любую из крайних и центральную. Такие параметры не позволят частоте убежать за слышимый диапазон на всем диапазоне R3. Резистором выставляй частоту, нажимай кнопку и слушай, что звучит. При некоторой сноровке получится музыка.
Сервомашинка как удлинитель пальца
Еще одна схема в режиме мультивибратора. Здесь при помощи таймера 555 ты будешь управлять сервомашинкой. Крути переменный резистор, а машинка будет крутить все, что угодно. Сервоприводы (или просто сервы) используются обычно в радиоуправляемых модельках машин/вертолетов/самолетов, но это не значит, что ты не найдешь им другого применения.
Для начала тебе нужно эту машинку где-нибудь достать. Неплохой выбор недорогих серв есть в популярном китайском онлайнмагазинчике DealExtreme (s.dealextreme.com/search/servo), все свои я заказывал именно там. В наших магазинах они тоже есть, но заметно дороже.
Типичная хобби-серво имеет три провода: черный или коричневый минус питания, который нужно подключить к контакту SERVO-3 на схеме, красный плюс — к SERVO-1, желтый или белый для управляющих команд — к SERVO-2.
Серво ждет, что по сигнальному проводу 50 раз в секунду будут приходить короткие импульсы длиной от 0,9 до 2,1 мс, и длительность сигнала подскажет, на какой угол нужно отклониться. Параметры RC-цепочки в схеме подобраны таким образом, чтобы обеспечить именно такие сигналы. Поскольку время импульса должно быть меньше, чем время между ними, то в схему нужно добавить диод D1. В схеме указан 1n4148, так как он один из самых распространенных, но можно заменить его на другой. Определить полярность диода просто — перпендикулярная полоска на корпусе соответствует черте на схеме.
Таймер 555 — штука простая, хоть 15 вольт на вход подавай, ей все нипочем. А сервомашинка требует более бережного отношения и работает только в диапазоне напряжений от 4,8 В до 6 В. Так что если для питания ты использовал батарейку на 9 В, то придется напряжение понижать. С этой задачей отлично справляется стабилизатор 7805, который срезает все лишнее и оставляет на выходе чистые 5 В. Правда, все лишние вольты он попросту преобразует в тепло и может сильно нагреваться. Хотя, нагреваясь, стабилизатор поддерживает приятный теплый микроклимат в комнате, его не стоит применять в проектах, питающихся от батареек — прожорливый он. Включить его в схему просто: если ты возьмешь его за выходы и будешь читать надписи на корпусе, то первая нога окажется слева — ее нужно подсоединить к плюсу батареи, вторую — к общей земле, а третья — выход +5 В.
Собрав эту штуку, ты сможешь не просто тестировать сервы на работоспособность, а еще удаленно управлять выключателями и открывать замки.
Постоянная кнопка
Порой необходимо, чтобы твоя схемка работала, как телевизор: нажал кнопочку, она включилась, нажал еще раз — выключилась. И эту задачу тоже можно решить на 555. Внутри микросхемы запрятан триггер, который для этой цели можно использовать.
Основная часть схемы уже не должна вызывать у тебя особых вопросов, остановлюсь лишь на выходе третьей ножки, а именно — резисторе R4 и транзисторе T1. Ведь мы делаем кнопку, а значит — она должна уметь пропускать ток, и не факт, что 200 мА, на которые способен 555, будет достаточно. Здесь в качестве ключа используется небольшой NPN-транзистор 2N3904, который способен пропускать те же 200 мА, что и сам таймер, и смысла в нем немного, но его всегда можно заменить на более мощный МОП-транзистор — например, IRF630, который позволит подключить нагрузку до 9А. Правда, для такого транса напряжение придется увеличить на схеме до 12 вольт, иначе затвор не откроется.
Еще не очень круто применять такой выключатель в мобильных устройствах, так как даже в выключенном состоянии он потребляет ток в 3-6 мА, что заметно подсаживает батарею.
Гаджет для приготовления чая
Когда я только начал знакомиться с linux’ом, мне попалась небольшая, но очень важная программа для приготовления чая. В ней можно выбрать сорт чая, и по прошествии времени, необходимого для заварки, она начинала помаргивать иконкой в трее и пищать. Из какого дистрибутива была программа, я уже не помню, но она пару раз помогла мне выпить не остывший чай. С программами всегда так: снес операционку — и нет ее, а железка на столе куда надежнее!
Для реализации этой штуковины понадобится целых два таймера 555. Один (тот, что на схеме слева) будет отсчитывать 4 минуты, за которые заварка превращается в благоуханный напиток, а другой — генерировать импульсы для пищалки.
Генератор на IC2 трудолюбиво и непрерывно генерирует импульсы. Рассмотрим подробнее первый таймер. Он подсоединен в моностабильном режиме. В нормальном состоянии сразу после включения питания на выходе 3 низкий уровень — он притянут к земле, а значит — пищит динамик и горит светодиод LED2 (на самом деле светодиод моргает, но очень быстро, и это незаметно). Как только нажимается кнопка S1, таймер включается, на выходе 3 становится высокий уровень, зажигается светодиод LED1, а динамик выключается, ведь LED2 хоть и «свето-», но все-таки диод, и в обратную сторону ток пропускать не будет. Так продолжается, пока конденсатор C4 заряжается через резистор R1. Когда напряжение на ножке 6 станет больше 2/3 Vcc, то таймер выключится и вновь запищит бипер.
Схему можно чутка модифицировать, добавив последовательно R1 — переменный резистор на 500 кОм, тогда можно будет регулировать время заварки для разных сортов чая.
Уверен, этих схем тебе хватит для вдохновения. Если нет — попробуй поискать чтонибудь на сайте instructables.com. Также со схемами может помочь программа 555 Timer Pro schematica.com/555_Timer_design/555_Timer_PRO_EX.htm, которая позволяет в пару кликов рассчитать детали для любого режима (правда, стоит она «всего» $29, но если постараться, то можно найти в сети более старую бесплатную версию).
