NE555 - Der Herr der Zeiten

 

Materialbedarf

 

Anz. Bezeichnung Datenblatt
1 Batterie/Spannungsquelle 9V  
3 Widerstand 470 Ohm  
3 Widerstand 47 kOhm  
1 Elektrolytkondensator 10 µF/16V  
1 Elektrolytkondensator 100 µF/16V  
1 Kondensator 10 nF  
1 Diode 1N4001
1 NE555
3 Mikrotaster
3 Standard-Leuchtdiode 3mm oder 5mm 3mm, 5mm
1 Multimeter  

 

 

Grundlagen

 

In sehr vielen Schaltungen, wo es sich um die Erzeugung von zeitgesteuerte Vorgänge handelt, findet man diesen integrierten Schaltkreis. Den NE555 kann man wohl zu Recht als das Standard-IC für Timer-Anwendungen bezeichnen. Die Vorteile dieses Schaltkreises sind z.B. die einfache Beschaltung. Nur sehr wenige externe Elemente und der NE555 nimmt seine Arbeit auf.

 

Wenn jemand mehrere NE555 in einer Schaltung verwenden möchte, kann man auch auf den NE556 zurück greifen. Dieser enthält 2 Timer des Typs NE555.

 

Der NE555 besitzt ein 8-poliges DIL-Gehäuse und ist somit auch ziemlich Platz sparend.

 

Jeder Pin des Schaltkreises hat natürlich eine entsprechende Funktion. Dies sind:

 

Pin 1: Auf diesem Pin liegt der Masseanschluss des Schaltkreises.
Pin 2: Der Trigger Eingang setzt die interne Kippstufe, wenn dort eine Spannung angelegt wird, die kleiner ist als 1/3 der Betriebsspannung.
Pin 3: Der Ausgang des Timers. Dieser besitzt einen Gegentaktausgang und kann somit nach GND und nach Vcc schalten. Bis zu 200 mA kann man den Ausgang belasten. Dies reicht aus um sogar Kleinleistungsrelais anzuschließen.
Pin 4: Soll der Timer zurückgesetzt werden, ist dies hier möglich. Wird dieser Pin nach GND gelegt, erfolgt der Reset. Man kann diesen Anschluß auch verwenden um den Timer vorübergehend zu stoppen (Mute-Funktion).
Pin 5: Hier lässt sich die interne Referenzspannung, die hier auf 2/3 der Betriebsspannung liegt, kontrollieren und evtl zusätzlich noch stabilisieren. Im Multivibratorbetrieb sollte hier ein kleiner Kondensator nach Masse zugeschaltet werden um Spannungsspitzen heraus zu filtern.
Pin 6: Mit dem Threshold-Eingang wird die Kippstufe zurückgesetzt. Dazu muss aber min. 2/3 der Betriebsspannung erreicht werden.
Pin 7: Discharge wird immer nach GND durchgeschaltet wenn der Ausgang auf GND liegt. Dies ermöglich das Laden und Entladen eines Kondensators und somit das 'zurückkippen' der Kippstufe.
Pin 8: Hier wird die Betriebsspannung angeschlossen. Der NE555 verträgt einen Spannungsbereich von 4 bis 16 V.

 

 

Die Anschlüsse des NE555

 

 

Um nun die diversen Anschlüsse des NE555 zu verstehen, bauen wir erst einmal die nebenstehende Schaltung auf. Wie schon im Blockschaltbild oben zu sehen ist, enthält der Timer eine bistabile Kippstufe. Der S bzw. R-Eingang wird von 2 Operationsverstärker versorgt. Die Eingänge der OPs vergleichen die Spannung des Trigger und Threshold-Eingangs (Pin 2 und Pin 6)  mit einem Teil der Betriebsspannung. Intern gibt es einen Spannungsteiler der die Betriebsspannung in 3 gleiche Teile aufteilt.

Wird die Schaltung nun in Betrieb genommen, leuchtet die LED D1 auf. Dies kommt daher, dass der Ausgang, da dieser nicht aktiv ist, nach Null durchschaltet und den Strom für D1 frei gibt. D2 und R5 werden hingegen kurzgeschlossen und bleiben dunkel. Schaltet der Timer durch, ist es genau umgekehrt.

Soll die interne Kippstufe gesetzt werden, muss der Trigger-Eingang (Pin 2) eine Spannung von weniger als 1/3 der Betriebsspannung erhalten. Dies erreichen wir durch S1 in Kombination von R1. Der Widerstand sorgt dafür, dass Trigger, bei unbetätigten Taster, auf Betriebsspannungshöhe gehalten wird. Bei Betätigung von S1 senkt sich die Spannung am Eingang auf 0V, also unterhalb von 1/3 Betriebsspannung und die Kippstufe wird gesetzt. Der Ausgang schaltet durch und D2 leuchtet auf während D1 erlischt.

Wenn nun die interne Kippstufe wieder zurückgesetzt werden soll, muss man nur dafür sorgen, dass der Threshold-Eingang (Pin 6) eine Spannung größer als 2/3 Betriebsspannung erhält. Dies erreichen wir auch mit einer Kombination von einem Taster (S2) und einem Widerstand (R2). Hier wird nur der Eingang auf Nahe 0V gehalten und bei Betätigung von S2 die Betriebsspannung durchgeschaltet. Man könnte hier auch sagen, der Ausgang wird gehalten bis die Schwelle an diesem Eingang erreicht ist. Dies bewirkt das der Ausgang wieder abgeschaltet wird und die beiden Leuchtdioden sich wieder abwechseln.

Mit dem dritten Taster/Widerstand kann der Timer insgesamt zurückgesetzt werden. Dieser Eingang erwartet aber eine Spannung auf Betriebsspannungshöhe, wenn der NE555 nicht zurückgesetzt werden soll. In den meisten Schaltungen wird dieser Eingang einfach mit einem Widerstand nach + versehen.

 

Ein sehr wichtiger Anschluss des NE555 ist der Discharge-Anschluss (Pin 7). Dieser regelt den Ladezustand eines Elkos. Intern besteht der Anschluss aus einem einfachen Transistor, der immer dann durchgeschaltet ist, wenn der Ausgang 'aus' ist. Wenn wir an dem Ausgang mit einem Multimeter eine Spannung messen wollen, werden wir hier enttäuscht. Da dieser Pin keine Spannung führt, sondern nur nach Null durchschaltet, können wir die Funktion nur durch eine Widerstandsmessung feststellen. Ist die interne Kippstufe nicht gesetzt, also der Ausgang auf Null, so messen wir einen sehr geringen Widerstand. Wenn wir die Kippstufe, mit Hilfe von S1, setzen. Geht der Widerstand in Richtung unendlich. Wozu dies dient, sehen wir später.

 

 

Um die Funktion des Discharge-Anschlusses ein wenig zu überwachen, wurde hier noch eine dritte Leuchtdiode hinzugefügt. Es ist gut zu beobachten, dass diese immer dann mit aufleuchtet, wenn D1 ebenso aktiv ist.

Könnte man da nicht einfach den Ausgang nehmen?

Teilweise ja. Da der Ausgang unterschiedlich belastet sein kann, kann dies in späteren Schaltungen zu Beeinflussungen der Kondensatorladung kommen. Da der Timer aber Lastunabhängig arbeiten soll, ist dieser Anschluss notwendig.

 

Den letzten Pin, den wir jetzt noch übrig haben ist der Pin Control Voltage. Für die Grundfunktion ist dieser Anschluss nicht sehr bedeutend, hilft aber bei späteren Schaltungen dabei, dass der Timer sauber und störungsfrei arbeitet.

An diesem Pin wurde die 2/3 Betriebsspannung vom internen Spannungsteiler angelegt. Wir können dies, wie in der Schaltung abgebildet, nachmessen. Diese liegt bei 9V Betriebsspannung, bei 6V.

In der Praxis wird an diesem Anschluss ein kleiner Kondensator nach Null angebracht. Dieser verhindert Spannungsspitzen in der internen Beschaltung und somit, dass der Timer umschaltet ohne dass er es soll.

 

 

Der NE555 wird zur monostabilen Kippstufe

 

 

Nehmen wir diese Schaltung in Betrieb, bleibt die Leuchtdiode zunächst dunkel. Erst bei Betätigung von S1 leuchtet diese auf, verlischt aber wieder nach einigen Sekunden. Nun wird wieder gewartet bis der Taster betätigt wird. Dieses Spiel lässt sich unendlich oft wiederholen. Was passiert hier nun?

Wie weiter oben bereits erklärt ist der Discharge-Anschluss (Pin 7) bei Ruhestellung, niederohmig. Somit wird hier der Kondensator C1 kurzgeschlossen und es wird verhindert, das dieser sich aufladen kann.

Wird jetzt der Taster S1 betätigt, sinkt die Spannung am Trigger-Eingang unter 1/3 der Betriebsspannung und die Kippstufe wird gesetzt. Zeitgleich sperrt der interne Transistor am Discharge-Ausgang. Ebenso wird der Ausgang geschaltet so dass die LED D1 aufleuchtet.

Jetzt kann sich der Elko C1 allmählich über R2 aufladen. Hat er 2/3 Betriebsspannung erreicht, reagiert der Threshold-Eingang (Pin 6) und sorgt dafür, dass die Kippstufe wieder zurückgesetzt wird. In diesem Moment verlischt die Leuchtdiode und der Transistor an Discharge schaltet wieder durch. Dadurch wird der Elko schlagartig entladen und bleibt es, bis wiederum der Taster betätigt wird und der Vorgang von neuem beginnt.

 

 

Ein astabiler Multivibrator entsteht

 

 

Um die Leuchtdiode D1 zum Blinken zu bringen, kann man diese Schaltung verwenden. Die Blinkfrequenz wird maßgeblich von R1, R2 und C1 bestimmt. Wie wird dies hier erreicht?

Im Einschaltmoment ist der Elko C1 entladen. Es liegt also keine Spannung an ihm an. Dadurch wird die Schaltschwelle vom Trigger-Eingang erreicht und dieser setzt die Kippstufe. Der Discharge-Transistor sperrt und die Leuchtdiode leuchtet auf.

Nun kann sich der Elko über R1 und R2 aufladen bis die Schaltschwelle von Threshold erreicht ist. In diesem Moment wird die Kippstufe wieder abgeschaltet. Die LED verlischt und Discharge wird wieder durchgeschaltet.

Jetzt entlädt sich der Elko über R2 und Discharge wieder. Dies tut er so lange bis die Schaltschwelle von Trigger wiederum erreicht ist. Ab diesem Moment beginnt das Ganze wieder von vorne. Die Leuchtdiode blinkt also.

 

 

Verschaltet man den Ausgang dieser Schaltung, wie bei den ersten Schaltungen, mit 2 Leuchtdioden, hat man mit einfachen Mitteln einen Wechselblinker erschaffen.

Der Nachteil ist nur, das man hier beide Pole der Betriebsspannung benötigt, welches dann von Nachteil ist, wenn die LEDs von der eigentlichen Schaltung weiter entfernt angebracht werden sollen.

 

 

Symmetrischer Taktgeber

 

 

Immer wieder kommt es vor, dass man einen Taktgeber haben möchte, dessen Einschaltzeit genau so lang ist wie dessen Ausschaltzeit.

Dies lässt sich ganz einfach durch das zuschalten einer Diode erreichen und durch den Austausch des Widerstandes R1 durch einen, der den gleichen Wert besitzt wie R2.

Nimmt man diese Schaltung in Betrieb, blinkt D2 gleichmäßig.

Wie wir bereits wissen, wird in der letzten Schaltung der Kondensator über R1 und R2 geladen. Aber entladen wird C1 nur über R2 über Pin 7 des NE555. Mit Hilfe der Diode D1 erreichen wir, dass C1 nur über R1 geladen wird, da die Diode in dem Moment R2 kurzschließt und den Strom 'vorbei' leitet.

Wird der Kondensator jedoch entladen, sperrt die Diode und der Strom kann über R2 zum Anschluss 7 des IC1 fließen. Somit sind beim Laden und Entladen des Elkos immer der gleiche Widerstandswert vorhanden.

 

 

Der Timer wird gestoppt

 

 

Es gibt in einigen Schaltungen immer wieder Situationen, in denen der Timer gestoppt werden muss. Dies kann man unter anderem dadurch erreichen, dass man eine weitere Treiberstufe am Ausgang zuschaltet die sich dann deaktivieren lässt.

Dies ist aber mit zusätzlichem Aufwand verbunden und beim NE555 auch nicht notwendig. Der Timer besitzt einen Anschluss, der es uns möglich macht, diesen einfach anzuhalten. Dies ist der Reset-Eingang. Wird dieser auf 0V gelegt, wird die interne Kippstufe zurückgesetzt und bleibt so lange in diesem Ruhezustand, bis wieder die positive Spannung anliegt.

Mit einer kleinen Ergänzung unserer letzten Schaltung können wir dies testen. Wird hier jetzt der Taster S1 betätigt, bleibt der Multivibrator stehen und geht in den Ruhezustand. Der Ausgang wird entsprechend geschaltet was durch Aufleuchten von D1 zu erkennen ist. Lässt man den Taster wieder los, blinken die Leuchtdioden normal weiter.

 

 

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