小晶片立大功:多功能555計時器簡介

一月 18, 2018
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背景中的標尺每刻度為1/16英寸。

1970年代,當時僅有不到六家公司在矽谷這片科技的溫壤紮根,一間名為Signetics的公司已向工程師Hans Camenzind買下他的構想。這個構想並非突破性概念,僅只是使用23個電晶體和一堆電阻,達到類似可編程計時器的功能,這是個多功能、穩定又簡單的計時器,Signetics公司應用新興的積體電路科技,在晶片上重現這個構想,相較於這個大賣點,前面幾項優點反而顯得相形失色。
不過這個構想要花點功夫實現,Camenzind花了好幾個星期的時間,用繪圖桌和特製的X-Acto筆刀,把他的電路製成一大片塑膠板,Signetics公司拍下這個電路圖,刻製成許多小晶圓,再把這些晶圓嵌入印有產品編號的半英寸長方形黑色塑膠片裡,555計時器就這樣誕生了。

結果證明,無論從銷售量(已達數百億,數字持續增加中)或長壽的設計(近40年未曾變更)來看,它都是史上最成功的晶片。555的應用範圍相當廣泛,從玩具到太空船隨處可見,它可以使燈光閃爍、觸發警報系統、讓嗶聲間歇作響,還可以自創嗶嗶聲,現在,只要花25分美元(編註:約新臺幣1.3元),就能在網路上買到一個555晶片。

接下來的基礎專題介紹,你可以使用555CN、快捷半導體(Fairchild)的LM555CN或KA555、德州儀器(Texas Instruments)的NE555P或者是意法半導體(STMicroelectronics)的NE555N,各品牌間大同小異,除了有8個腳距為1/10英寸金屬引腳的舊式晶片,各製造商還應用互補金屬氧化物半導體(CMOS)技術、雙列直插封裝(DIP)以及表面黏著技術(SMT)推出不同版本的晶片,基於各種考量,建議你使用舊式晶片。

首先,我要介紹的是如何應用555讓LED閃爍,接著我會加以改造,讓它發出音頻,最後再串接三個555計時器做成一個小裝置,可以當作跳棋或拼字比賽中限制時間用的計時器,每到預設時間終了,計時器便會發出聲音,告訴遲遲未出手的參賽者時間已用罄,這輪結束了。


555晶片變成噪音產生器

圖1(下圖左上)為555晶片俯視圖,各引腳標示如圖所示,鄰近晶片上圓形記號的為引腳1。圖2(下圖左中)為555計時器於非穩態模式下的基本閃燈電路,只要接通電源,引腳3的輸出電壓就會在正、負極間來回翻轉,其週期則取決於電容及兩個電阻,電容有儲存電荷的能力(因此得名),電阻則會阻礙電流流通,若把一個電阻與一個電容串聯在一起,電阻會減緩電容充、放電的時間,如此可得到用電量換算週期的簡易測量法。
電路中的開關S1閉合後,電流流經R1及R2,逐漸開始充電至電容C1,而IC1(555計時器)會監控此過程,當C1充電至該電路電源電壓的2/3時,555計時器便翻轉引腳3的輸出電壓,從正變負,迫使C1經過R2放電,當C1由2/3電源電壓放電至1/3電源電壓,該計時晶片輸出電壓再次翻轉回原狀態,從負變正,週而復始地循環。

其中,C1用的是0.1微法(μF)的電容,R1為120千歐姆(kΩ)的電阻,R2用的則是1兆歐(MΩ)的電阻,此時LED閃爍頻率約為每秒5次。(電路中的其他元件並不會影響時間,R3的作用是保護LED,避免過大的電流流經,C2則用來保護555計時器,防止其受隨機電子雜訊之干擾。)
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上圖為圖2的LED閃燈電路各零件組裝於麵包板上之情形。

假設你現在用1μF的電容取代0.1μF的電容作為C1,每次循環週期的時間將增長10倍,反之,如果用0.01μF的電容當作C1,循環週期則變為原本的1/10,此外,透過調整電阻值也能改變週期時間,R1 + R2的數值會影響輸出「高電平」的時間,輸出「低電平」時間則單獨取決於R2。

搭配高電阻值電阻及小電容,555的週期會快速交替,快速到脈衝可輕易形成音調,透過揚聲器發出聲音。圖3(上上圖左下)為該電路改造後的版本,原本的LED及串聯電阻被另一個不同的電阻、電容C3及1英寸RadioShack微型揚聲器L1取代。(提醒:555計時器無法驅動原尺寸的揚聲器,除非加裝放大器),請確認R1、R2和C1皆已更換為此電路版本所需之規格,以加速555循環運作,此時只要連接電源,你應該可以聽到一個低沉的嗡嗡聲。

加入第二個555讓噪音產生器觸發一段持續聲響

我們已經有會產生噪音的裝置了,現在要讓它在一定時間區間內持續發聲,方法是將第二個555配線為單穩態模式,也就是說只會有單次脈衝,圖4(上大段首張圖右上)為加入第二個555的電路圖,S2是一個按壓按鈕,但你也可以採用臨時性的做法,單純將兩條線接在一起,接通後,IC2發出持續1秒左右的單次脈衝,讓D2的LED亮起提供視覺確認,同時脈衝通過信號二極體D1,啟動IC1讓它發出像前面提到的聲音,不過C4會延長聲音,導致頻率下降,呈現又低又長的聲音效果。

請確保此版本的電路可正常運作再繼續下一步。

加入第三個555設定等待時間

現在我們有個可觸發一段持續聲響的噪音產生器了,接下來要測定一段聲響前的時間,透過第三個555計時器,再搭配高電阻值的電阻及更大的電容做調整,便能塞進這段等待時間。

圖5(上上大段首張圖右下)中C7透過電位計P1(可變電阻)充電,你可以藉由「調節」P1改變等待時間,還可以加大C7的數值,讓這段時間更長,時間一到,引腳3上的輸出電壓就會轉成負值,通知相連的IC2,使其觸發引腳發出脈衝,進而通知IC1發出聲音。
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上圖為圖5中電路的實際組裝樣貌,最上面的晶片作用為設定一段時間間隔(以電位計P1替代固定電阻)。紅色LED閃爍的同時,1英寸揚聲器(晶片左側)會發出聲響。

請注意S2的位置已經移動過了,它現在控制的是IC3,比賽中若使用此電路來限制時間,請在每回合一開始按下S2。

這個電路還加了「取消-重置」按鈕S3,也就是說,假如參賽者在規定時間內出手,並於出手後按下這個按鈕,電路就不會發出無禮的提示聲響,按鈕旁的「NC」表示這是個常閉(Normally Closed)按壓按鈕,裝置不用時,還是得用電源開關S1來切斷電源。

接下來呢?

你可以用其他零件來替換定時電阻,讓555更好玩,圖3中的R2若以熱敏電阻或光敏電阻替代,輸出音頻便可由熱或光來控制,此外,用一個光敏電阻搭配單穩態模式下的555,就可以感應動作。在MAKE》網站搜尋「555或查閱Doctronics,可獲得更多相關的專題及創意訊息。

Hans Camenzind 從未想過他的計時器會有如此廣泛的應用,現在,他覺得555的內部設計不夠精美,幾十年前就該改造了,但儘管精美的設計對工程師來說是一件大事,對使用者來說,功能通常更為重要,555的設計簡單、精確又耐用,不僅可與各種電源相容,還能驅動LED和揚聲器、繼電器甚至小型馬達。

以一個25分美元的小東西來說,它絕對是物超所值!


(譯:曾筱涵)
【原文】
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