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Grund–, Speicher– und Zeitschaltungen

Das TimerIC NE555 (LM555)

Im Bereich elektronischer Schaltungen für die Modellbahn dürften der Zeitschaltkreis NE555 und sein Zwillings–Pendant NE556 die wichtigsten IC sein (Abkürzung für englisch „Integrated Circuit”, integrierter Schaltkreis).

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Beide kommen in verschiedenen Bauformen und mit unterschiedlichen Bezeichnungen auf den Markt (jedoch immer mit der „555” beziehungsweise „556” im Namen). Der 556 besteht aus zwei 555, jedoch mit gemeinsamen Masse– und Versorgungseingängen, also 14 statt 16 Anschlüssen.

Wegen seiner großen Bedeutung soll hier gesondert auf den NE555 eingegangen werden, der mit wenigen zusätzlichen Bauteilen zum Beispiel als astabiler Multivibrator (Taktgeber), Zeitschalter (Monoflop, Ein– oder Ausschaltverzögerung), Schmitt–Trigger (Schalter) oder bistabile Kippstufe (Flipflop, Speicherschaltung) verwendet werden kann.

Der NE555 ist so billig, dass es sich lohnt, ihn wo immer möglich einzusetzen. Er hat aber einen Nachteil, der hier nicht verschwiegen werden soll: Seine Umgebungs–Temperatur darf eigentlich nicht unter 0° C fallen. Beim Einsatz draußen auf der Gartenbahn sollte as Ersatz der Typ SA555 zum Einsatz kommen (Betriebstemperatur ab -40° C).

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Das Innenleben des NE555

Im Bild ist das Blockschaltbild der integrierten Schaltung zu sehen. Funktionelle Gruppen sind wiederum als Block gezeichnet. In Wirklichkeit enthält der kleine „Käfer” 23 Transistoren, 15 Widerstände und 2 Dioden.

Flipflop: Blockschaltbild.
[ ± ].  [ b ].

Zunächst muss erklärt werden, was ein Flipflop ist (eine bistabile Kippstufe). Wird an Eingang A im Bild links eine logische 1 gelegt, wird Ausgang Q positiv (logische 1), wenn er nicht schon vorher war. Wird an Eingang B ein Impuls gegeben, kippt die Schaltung um. Q wird logisch 0. Der jeweils letzte Zustand bleibt erhalten, die Schaltung ist also bistabil. Es gibt verschiedene Flipflop–Arten, so auch welche, die einen invertierenden Ausgang Q' haben, und solche, bei denen Impulse auf nur einem Eingang den jeweils anderen Zustand herbei führen. Später werden noch Doppel–Flipflops mit zwei Eingängen und drei Zuständen vorgestellt.

Ein Flipflop ist das Herzstück des NE555. Außerdem enthält er zwei Komparatoren („Vergleicher”). Diese können zwei Spannungen vergleichen. Sind beide Eingänge gleich, ist der Ausgang positiv, ansonsten 0. Am Ausgang bringt ein Verstärker „OP” die Flipflop–Signale auf ein verwertbares Niveau. Der NE555 darf am Ausgang maximal 150 mA liefern oder aufnehmen, die Betriebsspannung sollte zwischen 5 und 15 V liegen.

Durch den Spannungsteiler oben wird die Versorgungsspannung (Uv) an Pin 8 gedrittelt, an A liegen 2/3 der Versorgungsspannung. Dieser Punkt ist mit dem ersten Eingang von Komparator 1 verbunden. B führt 1/3 Uv und ist mit dem ersten Eingang von Komparator 2 verbunden.

Nach dem Einschalten von Uv ist die Schaltung im Ruhezustand, der Ausgang 3 führt GND (Masse, Anschluss 1). Der zweite Eingang von Komparator 1 (Pin 6) ist ein Schwelleneingang (Treshold), der von Komparator 2 (Pin 2) ein Auslöse–Eingang (Trigger). Pin 7 ist der Entlade–Anschluss (Discharge).

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Die grundsätzliche Funktion

Bei der im Bild gezeigten Beschaltung mit einem Widerstand R und einem Kondensator C wird der NE555 zu einem monostabilen Multivibrator oder kurz Monoflop. Ein Monoflop gibt einen Impuls von definierter Länge ab und ist während dieser Zeit nicht für weitere Startimpulse empfänglich.

Der Schwelleneingang (Treshold) an Pin 6 und der Entlade–Eingang (Discharge) an Pin 7 sind nun an die Verbindung von R und C angeschlossen. Der Entladungs–Ts 1 an Pin 7 ist im Ruhezustand leitend. Der Strom von Widerstand R wird also zur Masse hin abgeführt. Der Kondensator C kann sich nicht aufladen, Pin 7 führt GND (vgl. hierzu Bild oben).

Wird nun an den Starteingang (Trigger) an Pin 2 kurz ein negativer Impuls angelegt, schaltet Komparator 2 um, da sein anderer Eingang ja 1/3 Uv führt. Dies löst ein Umschalten des Flipflop am Ausgang von Komparator 2 aus. Dadurch wird der Ausgang (out) an Pin 3 positiv. Der Kondensator C kann sich aufladen, weil Transistor 1 sperrt (der ja in Ruhelage leitend war, eigentlich müsste an seiner Stelle ein Inverter eingezeichnet sein).

Sobald Kondensator C sich auf 2/3 Uv aufgeladen hat, wird über den Schwelleneingang an Pin 6 (Treshold) und Komparator 1 das Flipflop in den Ruhezustand zurück versetzt. Der Ausgang an Pin 3 wird wieder 0, der Kondensator entlädt sich über Transistor 1 - der Ursprungszustand ist wieder her gestellt.

Die Zeit, während der der Ausgang hoch ist, kann mit der Formel t = 1,1 × R () × C (pF) berechnet werden. Wenn Sie für C µF (mikroFarad) einsetzen, müssen Sie das Ergebnis noch durch 1.000.000 teilen. Bei 33 k und 47 µF zum Beispiel beträgt die Zyklusdauer 1,55 s.

Der bisher noch nicht angesprochene Rücksetz–Eingang an Pin 4 (Reset) sorgt bei einem negativen Impuls dafür, dass ein laufender Zyklus sofort unterbrochen wird und die Schaltung in Ruhelage zurück kehrt. Wird er nicht hierfür benutzt, sollte er grundsätzlich mit Uv verbunden werden.

 

Die Nutzung des Ausgangs

Ausgangs–Treiber mit NPN–Transistor.
[ ± ].  [ b ].

Es ist eine sehr praktische Eigenschaft des NE555, dass sein Ausgang an Pin 3 entweder GND oder Uv führt. Dadurch können nämlich beide Zustände genutzt werden.

Die erste Abbildung dieses Abschnitts zeigt, wie - bei Nutzung eines positiven Ausgangs - ein NPN–Transistor zum Schalten größerer Lasten an den NE555 angeschlossen werden kann. Für die später besprochenen Aufgaben ist es sehr praktisch, dass der NE555 sowohl gegen GND „getriggert” wird als damit auch ein Signal gegen GND bereit stellt.

Im zweiten Bild sind Beispiele für die Nutzung beider Ausgangs–Zustände zu sehen. Bei 12 Volt Uv und „normalen” Leuchtdioden sollte der Vorwiderstand 680 bis 820  haben. Bei 1 k wird eine LED immer noch hell genug leuchten.

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Die Anschluss–Belegung des NE556

Wie oben schon erwähnt, besteht der NE556 aus zwei NE555 mit gemeinsamen Masse– und Versorgungsspannungs–Eingängen. Dadurch ergibt sich zwangsläufig eine andere Belegung der Anschlüsse (englisch „pinout”). Diese stellt sich in der Praxis jedoch als wohl durchdacht heraus, wie sich noch zeigen wird.

Im zweiten Bild dieses Abschnitts wird gezeigt, wie die Pins nun liegen. Dabei bezeichnet A die Anschlüsse des einen und B die des anderen NE555, die jeweils auf der einen beziehungsweise anderen Seite angeordnet sind.

NE556 werden ebenfalls häufig benötigt, so zum Beispiel bei einer Link zum Glossar Impulsbreiten–Modulation (englisch Link zum Glossar PWM), zum Aufbau von Flipflops mit drei Ein– und zwei Ausgängen (unter anderem zum Betrieb von Duo–LED), oder einfach, um dort, wo sowieso mehr als ein NE555 gebraucht würde, Platz zu sparen.

Bedenken Sie bei der Entwicklung von Vorlagen für gedruckte Schaltungen, dass die Anschlüsse dann wie gleich abgebildet gespiegelt werden müssen.

Anschluss–Belegung einfacher und doppelter Zeitschaltkreise von unten. [ ± ].

 
 
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