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NE555 Schaltungen » Aufbau & Funktionsweise des Timers erklärt

Es gibt wohl keine integrierte Schaltung, die sich so lange auf dem Markt behauptet hat und die weltweit so oft verkauft wurde, wie der Timer NE555. Der Timer bzw. das Timer IC NE555 (Integrated Circuit/Integrierter Schaltkreis) wurde von dem Schweizer Ingenieur Hans R. Camenzind bei der US-amerikanischen Firma Signetics entwickelt und kam 1972 auf den Markt. Wir zeigen Ihnen wie der Timer NE555 funktioniert und sagen, warum er bei Ingenieuren, Schaltungs-Entwicklern und auch Hobby-Elektronikern so beliebt ist.

Was ist der Timer NE555?

Im Prinzip ist der integrierte Schaltkreis NE555 ein elektronisches Bauteil, bei dem der Ausgang unter bestimmten Bedingungen ein- und ausgeschaltet werden kann. Dadurch eignet sich das Bauteil ideal für Zeitsteuerungen oder auch als Taktgeber.

Bereits wenige Monate nach der Markteinführung haben die erreichten Verkaufszahlen die Erwartungen mehr als übertroffen. Deshalb wurde der 555, wie manche Techniker ihn oft nur nannten, auch von anderen Firmen nachgebaut. Die Kopien erhielten dann je nach Hersteller Namen wie: MC1455, LM555, KA555 oder auch SN72555.

In Abhängigkeit der äußeren Beschaltung erfüllt der Timer die unterschiedlichsten und komplexesten Aufgaben. Deshalb reichen seine Einsatzgebiete vom einfachen Kinderspielzeug bis hin zur HighEnd-Anwendung in der Raumfahrt.

Integrierter Schaltkreis NE555 mit 8poligen DIP-Gehäuse.


Wie ist der Timer NE555 aufgebaut?


Der Timer NE555 wird entweder in einem 8poligen DIP-Gehäuse (DIP-8) oder als SMD-Bauteil (Surface Mounted Device) mit einem SO8-Gehäuse angeboten. Die acht Anschlüsse sind wie folgt belegt:

PIN-Belegung des NE555

1 (GND) = Masse bzw. Minuspotential der Versorgungsspannung (Vcc).
2 (TRIG) = Trigger-Eingang: Das Ausgangssignal steigt auf Höhe der Betriebsspannung (Vcc) an, wenn der Wert 1/3 der Betriebsspannung unterschreitet.
3 (OUT) = Der Ausgang wird vom IC entweder auf Höhe der Betriebsspannung (Vcc) oder an Masse (GND) geschaltet.
4 (RESET) = Wenn der Anschluss auf Masse (GND) geschaltet wird, unterbricht der der NE555 den Zeitintervall.
5 (CTL) = Control: Beeinflussung des internen Spannungsteilers.
6 (THR) = Threshold: Wenn der Wert größer als 2/3 Vcc ist, wird der Zeitintervall beendet.
7 (DIS) = Discharge: Open-Collector-Ausgang für Schaltaufgaben.
8 (Vcc) = Versorgungsspannung (im Regelfall 4,5 - 15 V). In der CMOS-Version arbeitet der Timer bereits ab 1,2 V.

Der innere Aufbau entspricht einer Anordnung von 24 Transistoren, 2 Dioden und 15 Widerständen. Diese Bauteile bilden 6 Funktionsblöcke, die in unterschiedlichen Farben dargestellt sind:

Spannungsteiler (Gelb):

Der Spannungsteiler besteht aus drei identischen Widerständen. Demzufolge kann zwischen den Widerständen die Spannung 1/3 Vcc und 2/3 Vcc abgegriffen werden.

Komparatoren (Rot und Grün):

Ein Komparator vergleicht zwei Eingangsspannungen. Das Ausgangssignal zeigt dann an, welche der beiden Spannungen höher ist. Jeweils ein Eingang der beiden Komparatoren ist mit dem Spannungsteiler verbunden. Die beiden anderen Eingänge entsprechen den Anschlüssen THR und TRIG. Diese dienen über eine externe Beschaltung zur Steuerung des Timer-ICs.

Flip-Flop (Blau):

Ein Flip-Flop ist eine bistabile Schaltstufe, die in Abhängigkeit der beiden Eingangssignale zwei stabile Zustände des Ausgangssignales einnehmen kann.

Die Zustände werden solange beibehalten, wie Betriebsspannung anliegt. Zusätzlich sorgt ein RESET-Eingang, dass das Flip-Flop unabhängig von den Eingangssignalen  zurückgesetzt werden kann.

Ausgangsstufe (Rosa):

Die Ausgangsstufe verstärkt das Signal des Flip-Flops, wodurch bis zu 200 mA Strom möglich sind. Das Spannungspotential am Ausgang beträgt entweder Vcc oder GND (Masse).

Transistorstufe (Hellblau):

Parallel zur Ausgangsstufe ist ein interner Schalttransistor angeordnet. Dieser Transistor schaltet den Anschluss DIS gegen Masse bzw. Ground (GND), wenn der Ausgang einen LOW-Pegel hat.


Wie funktioniert der Timer NE555?

Der Timerbaustein NE555 kann je nach Außenbeschaltung für unterschiedliche elektronische Schaltungen und Funktionen genutzt werden:

Monostabile Kippstufe:

Eine monostabile Kippstufe (Monoflop) hat nur einen stabilen Zustand. Um den Zustand zu ändern, ist ein Ansteuerimpuls von außen erforderlich.
Nach Ablauf einer bestimmten Zeit, die von der Außenbeschaltung abhängig ist, fällt die monostabile Kippstufe wieder selbsttätig in ihren Ausgangszustand zurück. Dadurch wird ein einmaliger Impuls am Ausgang erzeugt. Diese Funktion wird bei Timern, bei Frequenzteilern, zur Kapazitätsmessung oder auch für die Pulsweitenmodulation benötigt.

Aufbau einer monostabilen Kippstufe.

Nach dem Einschalten ist die Spannung am Trigger-Eingang (2) höher als 1/3 Vcc. Dadurch ist der Ausgang des NE555 (3) auf GND-Potential geschaltet. Die Leuchtdiode LED1 am Ausgang (3) leuchtet nicht. Gleichzeitig schaltet die inmterne Transistorstufe im NE555 den PIN „DIS“ (7) gegen Masse (GND). Der externe Kondensator C1 ist somit kurzgeschlossen und kann nicht geladen werden. Die Schaltung befindet sich in diesem Moment in einem stabilen Zustand.

Wenn der Taster T1 betätigt wird, fällt die Spannung am Trigger-Eingang (2) auf 0 V und somit unter 1/3 Vcc.  Die Spannung am Ausgang (3) steigt auf die Höhe der Betriebsspannung (Vcc-Niveau). Die LED1  leuchtet. Der Schalttransistor innerhalb des NE555 wird dadurch gesperrt und der Kondensator C1 kann jetzt über den Widerstand R2 geladen werden. Dieser Schalt-Zustand bleibt erhalten, auch wenn der Taster T1 losgelassen wird und die Spannung am Trigger-Eingang wieder ansteigt.

Erst wenn der Kondensator sich soweit aufgeladen hat, dass die Spannung am THR-Eingang (6) größer als 2/3 Vcc ist, wird der Ausgang (3) wieder auf Masse geschaltet. Die LED1 erlischt. Jetzt ist auch die Transistorstufe im NE555 wieder leitend, wodurch der Kondensator C1 entladen wird.

Die Schaltung ist in ihren stabilen Zustand zurückgekehrt und wartet auf den nächsten negativen Ansteuerimpuls am Trigger-Eingang (2). Da der Impuls negativ sein muss, ist im Schaltbild der Eingang-Trigger mit einem Überstrich versehen.

Hinweis:

Die Impulslänge am Ausgang kann durch Verändern der Bauteile R2 und  C1 individuell eingestellt werden.

Der Kondensator C2 dient in dieser Schaltung lediglich als Siebkondensator für die interne Referenzspannung. Wenn keine hohe Schaltgenauigkeit gefordert ist, kann der Kondensator auch ersatzlos entfallen.


Bistabile Kippstufe:

Eine bistabile Kippstufe hat zwei stabile Zustände, die mit Hilfe von Ansteuerimpulsen umgeschaltet werden. Für diese Funktion wird lediglich das im NE555 eingebaute Flip-Flop genutzt. 

Aufbau einer bistabilen Kippstufe.

Wenn die Betriebsspannung Vcc eingeschaltet wird, ist die Spannung am Trigger-Eingang (2) höher als 1/3 Vcc. Der Ausgang des NE555 wird dadurch auf GND-Potential geschaltet und die LED2 leuchtet. Der Widerstand R2 sorgt dafür, dass die Spannung am THR-Eingang (6) nicht über 2/3 Vcc ansteigen kann. Der NE555 kann deshalb nicht umschalten und bleibt dauerhaft in diesem Schaltzustand.

Wie bei der monostabilen Kippstufe dient auch bei der bistabilen Kippstufe der Trigger-Eingang (2) zur Ansteuerung. Wenn der Taster T1 betätigt wird, fällt die Spannung an Trigger-Eingang (2) auf 0 V und somit unter 1/3 Vcc.  Das Spannungsniveau am Ausgang wechselt auf Höhe der Betriebsspannung (Vcc). Die LED2 erlischt und die LED1 leuchtet. 

Der Schaltzustand bleibt auch dann erhalten, wenn der Taster T1 losgelassen wird und die Spannung am Trigger-Eingang wieder ansteigt.

Um die Kippstufe wieder zurück zu setzen, wird ein kurzer Spannungsrückgang am RESET-Eingang (4) benötigt. Dies wird erreicht, indem der Taster T2 betätigt wird. Der Ausgang (3) wird daraufhin auf Massepotential geschaltet. Die LED 1 erlischt und die LED 2 leuchtet wieder. Dieser Zustand bleibt solange erhalten, bis der Taster T1 am Trigger-Eingang (2) erneut betätigt wird.


Astabile Kippstufe

Wenn der Timerbaustein NE555 als astabile Kippstufe bzw. astabiler Multivibrator betrieben wird, schaltet er selbsttätig zwischen zwei Schaltzuständen um. Er arbeitet somit als Oszillator und erzeugt am Ausgang eine rechteckförmige Spannung.

Aufbau einer astabilen Kippstufe.

Im Einschaltmoment ist der Kondensator C1 noch ungeladen. Demzufolge ist die Spannung am Trigger-Eingang (2) kleiner als 1/3 Vcc. Dadurch liegt die Betriebsspannung Vcc am Ausgang (3) an. Die LED1 leuchtet. Der interne Schalttransistor sperrt und der Kondensator C1 wird über die Widerstände R1 und R2 aufgeladen. Wenn die Spannung am Kondensator, und somit auch am THR-Eingang (6), 2/3 der Betriebsspannung Vcc erreicht hat, wird der Ausgang (3) auf Massepotential geschaltet. Die LED1 erlischt und die LED2 leuchtet nun.

Gleichzeitig wird nun auch der der interne Schalttransistor leitend. Der DIS-Eingang (7) hat jetzt Massepotential und der Kondensator C1 wird über den Widerstand R2 entladen. Wenn die Spannung am Kondensator unter 1/3 der Betriebsspannung Vcc fällt, schaltet der NE555 wieder selbsttätig um und es beginnt ein neuer Zyklus.

Bei Bedarf kann mit dem Taster T1 der Timer gestoppt werden. Wenn der Taster losgelassen wird, beginnen die LEDs wieder wechselseitig zu blinken.

Die Frequenz in der umgeschaltet wird und das Verhältnis zwischen Ein- und Ausschaltimpuls sind einstellbar. Es kann mit den Bauteilen R1, R2 und C1 frei definiert werden.

Hinweis:

Astabilen Kippstufe mit identischen Schaltzeiten.

Der Kondensator C1 wird zwar über die Widerstände R1 und R2 geladen, aber nur über den Widerstand R2 entladen.

Dadurch kann mit dieser Schaltung kein Ausgangssignal erzeugt werden, bei dem die Einschaltzeit und die Ausschaltzeit identisch sind.

Wenn jedoch beide Widerstände gleich groß sind und über R2 noch eine Diode D1 geschaltet wird, erreicht man gleichlange Schaltzeiten. Denn jetzt wird der Kondensator C über den Widerstand R1 und die Diode D1 geladen. Die Diode weist in Durchlassrichtung einen geringen Widerstand auf, der in diesem Moment vernachlässigt werden kann. 

Beim Entladen sperrt die Diode, sodass der Entladestrom nur über den Widerstand R2 fließt.


Technische Daten des Timers NE555

Betriebsspannung: 4,5 – 16 Vcc
Betriebsstrom: 3 – 6 mA (bei 5 Vcc)
  10 – 15 mA (bei 15 Vcc)
Max. Ausgangsstrom: 200 mA
Max. Verlustleistung: 600 mW
Min. Leistungsaufnahme: 30 mW (bei 5 Vcc)
  225 mW (bei 15 Vcc)
Betriebstemperatur: 0 – 70 °C

Der NE555 im Bereich Schule und Ausbildung

Aufgrund seiner fast schon genialen Funktionalität und einer überschaubaren Außenbeschaltung, lässt sich der Timer NE555 ideal im Bereich Education einsetzen. Hinzu kommt die Tatsache, dass der Timer sehr robust aufgebaut ist und auch den einen oder anderen Fehler beim Anschließen problemlos verkraftet.

Für den Aufbau der unterschiedlichen Schaltungen sind der NE555 mit DIP-Gehäuse und eine Steckplatine perfekt geeignet. Ohne großen Aufwand lässt sich so die Außenbeschaltung aufbauen und je nach Aufgabe individuell modifizieren. Zudem lassen sich Messungen an den Bauteilen leicht durchführen.

Für Elektronik-Einsteiger bietet sich der Nachbau von vorgegebenen Schaltungen an. Im Zusammenhang mit LEDs kann der Erfolg eines korrekten Nachbaus leicht geprüft werden.

Fortgeschrittene Elektronikanwender können die Außenbeschaltungen mit Widerständen, Kondensatoren und Dioden modifizieren und weiterentwickeln. Aber auch das Zusammenschalten von mehreren Timern ist möglich, um für komplexe Aufgabenstellung einfache Lösungen zu finden.  

Steckplatinen eignen sich ideal zum Basteln und Experimentieren.

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