Obvod 555

Z blokového schéma na obrázku je vidět, že v integrovaném obvodě 555 se uplatnila jak analogová tak i digitální technika. Ústřední část tvoří r-S klopný obvod, k jehož vstupům jsou připojeny výstupy dvou komparátorů. Vstup R (reset) dodává signál z tzv. vypínacího neboli prahového komparátoru K1, ke vstupu S (set) přichází signál ze spínacího neboli spouštěcího komparátoru K2. Výrazy v závorce pocházejí z digitální techniky, kde „set“ znamená nastavení, zatímco „reset“ opak nastavení, neboli zrušení nastavení. Ker klopnému obvodu R-S se ještě vrátíme. Dále následuje vstupní zesilovač VZ malého výkonu s kompletárnímy tranzistory. Je to invertující zesilovač, tzn. Že z jeho výstupu odchází signál v opačné fázi než s jakou přichází na vstup.

Kromě hlavních částí si vyžadují pozornosti i dva samostatné tranzistory, kterým je přidělena důležitá funkce. Především je to vybíjecí tranzistor T_vyb, který postrádá pracovní odpor a samotný kolektor se nachází na pinu 7. Na bázi vstupuje signál z výstupu klopného obvodu, připojeného ke vstupu zesilovače. Jak později uvidíme, tento tranzistor dokáže velmi rychle „vybít“ kondenzátor připojený k pinu 7. Stane se tak vždy, když se R-S KO překlopí do logické úrovně H. Tou se rozumí kladné napětí (alespoň 2,5 V), které se objeví na výstupu klopného obvodu. Připojená báze T_vyb (NPN) rychle reaguje a obvod kolektor-emitor se stane vodivým. Tím se vývod dostane na stejnou napěťovou úroveň jako editor, uzemní se. Samozřejmě uzemní i obvod, který je k němu zvenku připojen.

Další tranzistor T_res má samozřejmě vyvedenou bázi na pin, přičemž kolektor je uvnitř spojen s výstupem klopného obvodu neboli s buzením výkonového zesilovače. Protože se jedná o vodivost PNP, otevírá se úrovní L. V našem případě to odpovídá např. prostému připojení báze k zemi, tj. k nulovému potenciálu. V čem spočívá jeho význam? Když „časuje“, na výstupu R-S klopného obvodu je vždy úroveň L. Uzemněním pinu se otevře T_res a jeho obvodem emitor-kolektor projde kladné napětí k emitoru jiného vnitřního tranzistoru, který budí koncový stupeň. Tím se budící tranzistor uzavře, na kolektoru je kladné napětí a k němu připojený vstup zesilovače je proto na úrovni H. Samozřejmě se změní i výstupní úroveň výkonového zesilovače VZ, který se tak vrátí do klidového stavu. Činnost je přerušena do té doby, dokud úroveň L na bázi T_res trvá. Tímto tranzistorem je tedy možné zvenčí zablokovat řídicí signál koncového stupně. Ve vnitřním zapojení má přidělenou prioritu, což v praxi znamená, že svou činnost může uskutečnit kdykoliv. Za normálního stavu, když nespíná, má mít na bázi kladné napětí. Proto se připojuje přímo nebo přes rezistor ke kladnému napájecímu napětí, čímž se zabrání hazardním stavům.

Dosud jsme se nezajímali o vstupy komparátorů. Na jejich vstupech můžeme zjistit napětí jednak předem nastavené (referenční), jednak přivedené z venku. Vnitřní nastavené napětí se odvozuje z odporového děliče, složeného ze tří rezistorů R1 = R1 = R3 = 5 kΩ. Na každém z nich se rozloží třetina napájecího napětí U_CC. Z blokového schéma je patrné, že odporový dělič je svými kraji připojen k napájecímu napětí. Nejmenší díl napětí (třetinu) dostává neinventující vstup komparátoru K2, ke kterému nemáme přístup. Invertující vstup je na pinu 2 a podle napětí, které se k němu dostane, lze předem určit chování komparátoru. V klidové poloze, tj. bez vstupního impulzu, je obvykle invertující vstup připojen ke kladnému napětí, vyššímu než se nachází na neinvertujcím vstupu. Rozhoduje tedy invertující vstupů, takže výstup spínacího komparátoru K2 je na úrovni „. Je o úroveň blízká nulovému napětí. Výstupní úroveň se však ihned změní, jestliže napětí na neinvertujícím vstupu klesne pod úroveň referenčního napětí, tedy pod jednu třetinu napájecího napětí. Často k tomu dojde prostým zkratováním pinu 2, tzn. Jeho uzemněním. Pak se výstupní úroveň komparátoru K2 změní na H neboli na napětí blízké kladnému napájecímu napětí.

Podobně i vypínací komparátor K1 mění svou výstupní úroveň, v tomto případě podle napětí přivedeného na neinvertující vstup (6). Na invertujícím vstupu (5) je trvale referenční napětí, odpovídající dvěma třetinám napájecího napětí. V některých případech bývá neinvertující vstup na nízké úrovni nebo přímo na nulové úrovni. Pak rozhoduje invertující vstup a na výstupu je opačná úroveň L. Jindy napětí na vstupu stoupne, třeba tím, že k pinu 6 se připojí kondenzátor, který se postupně nabíjí. Potom rozhoduje neinvertující vstup a na výstupu se objevý úroveň H. Vstupy obou komparátorů bývají různě zapojené a různé jsou i jejich výstupní úrovně, které se často mění.

Z blokového schéma je vidět, že výstupy komparátorů směřují ke vstupům R-S klopného obvodu. Čím se tento klopný obvod vyznačuje? Jedná se o běžné zapojení distabilního klopného obvodu, který podle kombinace vstupních úrovní mění svůj stav na výstupu. Klopnými obvody se nebudeme zabývat. Stručně si řekněme, že v tomto integrovaném obvodu se používá klopný obvod R-S s negovanými vstupy a negovaným výstupem. V praxi to znamená, že přiváděné výstupní úrovně z komparátorů se na c¨vstupech mění v opačné a s nimy teprve klopný obvod pracuje. Výstupy R-S KO jsou vždy dva, první označovaný jako Q a druhý rovněž Q, ale s pruhem nad písmenem, tedy Q. Integrovaný obvod 555 využívá druhý, tj. negovaný výstup Q. Od normálního výstupu se liší tím, že má vždy opačnou úroveň.

Dohromady to funguje asi takto. Často s připojením napájecího napětí zjistíme na obou výstupech komparátorů úroveň L. U spouštěcího komparátoru K2 proto, že převládá vyšší kladné napětí na invertujícím vstupu (2). Není se čemu divit, pin 2 bývá připojen prostřednictvím rezistoru ke kladnému pólu zdroje. Vypínací komparátor K1 má na neinvertujícím vstupu (6) nižší nebo nulové napětí, a tak opět rozhoduje invertující vstup (5) s kladným referenčním napětím. Přijde-li za této situace spouštěcí impuls na vstup 2, např. zkratováním pinu k zemi, pak spouštěcí komparátor změní výstupní úroveň na H. Klopný obvod na to reaguje překlopením, tzn. Místo úrovně H na výstupu Q okamžitě naskočí úroveň L. protože výkonový zesilovač invertuje, objeví se na jeho výstupech úroveň H. K výstupu je pochopitelně připojen nějaký další obvod, v nejjednodušším případě LED dioda. Je-li zapojená proti nulovému potenciálu zemně, pak napětí na výstupu ji rozsvítí. Tento stav trvá tak dlouho, dokud se R-S KO nepřeklopí. K tomu dojde tím, že na prahovém vstupu (6) vypínacího komparátoru stoupne z nějakého důvodu napětí a převýší tak referenční napětí invertujícího vstupu. To jak víme, odpovídá dvěma třetinám napájecího napětí. Komparátor změní výstupní úroveň z L na H. Následuje překlopení R-S KO a na výstup Q se vrátí původní úroveň H. Na výstupu zesilovače (3) se také změní úroveň, vrátí se L, jako byla na začátku a LED zhasne.

Klopná obvod R-S má ještě jeden úkol. Komparátory sice fungují tak jak jsme si popsali, avšak obecně se vyznačují jistou nectností. Při změněně úrovně dochází k mžikovému střídání úrovní na výstupu, jinak řečeno komparátor zakmitává. Samozřejmě by to nezpůsobilo hazardní stavy, kdyby za nimy nepracoval R-S KO. Ten, stejně jako jiné klopné obvody, se vyznačuje jednoduchou pamětí. Spočívá v tom, že nepřijímá další změny na vstupu do té doby, dokud se předem nezmění úroveň na druhém vstupu. Proto opakované změny úrovně na stejném vstupu nezpůsobí změnu výstupu. Klopný obvod si celou ti dobu původní signál pamatuje.