Книга Электроника для начинающих (2-е издание) - Чарльз Платт

работали как программируемый таймер. Схема должна была быть универсальной, стабильной и простой, но эти достоинства уступали место главной цели – выгоде от продаж. С помощью инновационной технологии интегральных схем компании Signetics удалось реализовать все на кремниевой подложке.

Рис. 4.20. Ганс Камензинд, изобретатель, проектировщик и разработчик микросхемы таймера 555 для компании Signetics

Успеху предшествовал ряд проб и ошибок. Камензинд работал в одиночку, собрав сначала схему с помощью обычных транзисторов, резисторов и диодов на макетной плате. Она заработала, и поэтому он стал слегка изменять номиналы различных компонентов, чтобы узнать, будет ли устройство допускать изменения в процессе производства, а также в результате действия других факторов, таких как температура микросхемы в рабочем состоянии. Он протестировал, по меньшей мере, 10 различных вариантов схемы. На это ушло несколько месяцев.

Затем начался процесс создания микросхемы. Камензинд сел за чертежный стол и с помощью специального ножа X-Acto начертил схему на большом листе пластика. Далее в компании Signetics фотографическим способом уменьшили это изображение в 300 раз. После этого методами травления получили кремниевые подложки микросхем и заключили каждую из них в прямоугольник из черного пластика размером около 1 см, а на верхней стороне нанесли номер. Так появился таймер 555.

Таймер 555 оказался самым успешным за всю историю микросхем, как по количеству проданных экземпляров (десятки миллиардов и это количество непрерывно растет), так и по долговечности схемотехники (никаких существенных изменений схемы почти за 40 лет). Таймер 555 можно встретить повсеместно, начиная от игрушек и заканчивая космическими кораблями. Он способен сделать мигающим сигнал светофора, включить сигнализацию, сформировать паузы между звуковыми сигналами или же создать сами сигналы.

Сегодня для разработки микросхем создают большие группы инженеров и тестируют прототипы с помощью имитации их поведения компьютерными программами. Таким образом, микросхемы внутри компьютера разрабатывают новые микросхемы. Золотая эра проектировщиков-одиночек, таких как Ганс Камензинд, прошла, но его гений живет внутри каждого выпускаемого таймера 555. Если вы желаете узнать больше об истории микросхем, посетите Музей транзисторов (http://semiconductormuseum.com/Museumlndex.htm).

В 2010 году, когда я писал книгу Make: Electronics, я искал Ганса Камензинда онлайн и обнаружил, что он ведет персональный сайт, на котором указан номер его телефона. Спонтанно я решил ему позвонить. Было удивительно разговаривать с человеком, создавшим микросхему, которую я использую уже более 30 лет. Он был дружелюбно настроен (хотя и не словоохотлив) и с готовностью согласился просмотреть текст моей книги. Даже более того, после того как он прочел ее, он оказал поддержку этому начинанию.

Впоследствии я купил книгу Ганса Камензинда о краткой истории электроники, Much Ado About Almost Nothing («Много шума почти из ничего»), которую до сих пор можно найти в Интернете и которую я очень рекомендую прочитать. Я гордился тем, что мне представилась возможность поговорить с одним из первых проектировщиков интегральных схем. И я очень огорчился, когда узнал, что он умер в 2012 году.

Характеристики таймера 555

Таймер 555 может работать от источника постоянного напряжения в диапазоне от 5 до 16 В. Абсолютный максимум составляет 18 В. Во многих технических паспортах указывают максимально допустимое напряжение 15 В. На микросхему можно подавать нестабилизированное напряжение питания.

Большинство производителей рекомендует, чтобы резистор, подключаемый к выводу 7, имел номинал от 1 кОм до 1 МОм. Однако при номинале ниже 10 кОм энергопотребление таймера возрастает. Поэтому лучше уменьшить номинал конденсатора, а не резистора.

Емкость конденсатора может быть настолько большой, насколько пожелаете, если вы хотите отмерять достаточно долгие интервалы, но точность таймера с ростом емкости будет уменьшаться, потому что величина утечки в конденсаторе становится сопоставимой со скоростью его заряда.

Падение напряжения на таймере больше, чем на транзисторе или диоде. Разность между подаваемым напряжением и напряжением на выходе составляет 1 В и больше.

Выходной так микросхемы достигает 200 мА, однако при токе выше 100 мА напряжение будет снижаться, что может повлиять на точность синхронизации.

Не все таймеры одинаковы

Все, о чем я говорил до сих пор, относится к старой, исходной ТТЛ-версии таймера 555. ТТЛ – это аббревиатура термина транзисторнотранзисторная логика, которая была предшественницей современных КМОП-микросхем, потребляющих намного меньше энергии. ТТЛ-версия таймера называется также биполярной версией, поскольку она содержит биполярные транзисторы.

Преимущества оригинального таймера 555 заключаются в его малой стоимости и надежности. Вам будет сложно вывести его из строя, а его выходной сигнал достаточно мощный, чтобы подключать напрямую катушку реле или небольшой динамик. Тем не менее, таймер 555 потребляет значительную мощность и способен создавать выбросы напряжения, которые иногда влияют на работу других микросхем.

Чтобы устранить эти недостатки, был разработан новый вариант таймера 555 на основе КМОП-транзисторов, которые потребляют меньшую мощность. Усовершенствованная микросхема не создает выбросов напряжения, однако, ее выходной сигнал ограничен. Насколько? Это зависит от конкретного производителя.

К сожалению, для КМОП-версий таймера 555 отсутствует стандартизация. Некоторые производители утверждают, что на выходе обеспечивается ток в 100 мА, в то время как другие ограничивают его величиной 10 мА.

По непонятной причине, КМОП-версии имеют разную маркировку. Микросхема 7555 четко идентифицируется как КМОП-таймер, а у других компонентов перед числом 555 могут быть указаны различные сочетания букв, и только от вас зависит, сможете ли вы разобраться, что они означают.

В этой книге, чтобы избежать путаницы и упростить нашу задачу, я использовал только ТТЛ-версию таймера 555 (биполярную). Если вы покупаете компоненты самостоятельно, загляните в раздел «Другие компоненты» главы 6 и перейдите к подразделу «Компоненты для четвертой главы», где вы найдете рекомендации по приобретению таймера.

Эксперимент 17. Генерируем звук

Теперь, когда вы знакомы с моностабильным и бистабильным режимами работы таймера 555, хочу познакомить вас с автоколебательным режимом (режим мультивибратора). Он называется так потому, что выходной сигнал постоянно колеблется между высоким и низким состояниями и не остается стабильным ни в одном из них.

Выходной сигнал таймера похож на сигнал от транзисторного генератора, который вы собрали в эксперименте 11, однако он более универсален и его параметры легче регулировать. Вместо двух транзисторов, четырех резисторов и двух конденсаторов для создания колебаний вам понадобится только одна микросхема, два резистора и один конденсатор.

Что вам понадобится

• Макетная плата, монтажный провод, кусачки, инструмент для зачистки проводов, мультиметр

• Источник питания на 9 В (батарея или сетевой адаптер)

• Микросхемы таймера 555 (4 шт.)

• Миниатюрный динамик (1 шт.)

• Резисторы с номиналами 47 Ом (1 шт.), 470 Ом (4 шт.), 1 кОм (2 шт.),