555定时器在电路中应用的研究

555定时器在电路中应用的研究

汤浩，电子信息工程

摘 要：555定时器是一种多用途的数字--模拟混合型集成电路，通过对555定时器的

电路结构与工作原理的充分了解，利用它能够方便地构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器，555应用电路采用这三种方式中的一种或多种组合可以构成各种实用的电子电路，比如相片曝光定时器、电热毯温控器、多用途延迟开光电源插座、555触摸开关、风扇周波调速电路等。因为555定时器在使用上非常灵活、方便，所以555定时器在生活中的诸多领域都具有广泛的应用。

关键词：555定时器；单稳态触发器；多谐振荡器 目录：

摘要、关键词

绪论...................................................1 1 555定时器............................................1 1.1 555定时器的简介.................................1 1.2 555定时器的应用.................................1 2 555定时器的电路结构与工作过程........................2 2.1 555定时器的电路结构.............................2 2.2 555定时器的工作过程.............................3 3 555定时器构成三大触发器..............................4 3.1 555定时器构成施密特触发器.......................4 3.2 555定时器构成单稳态触发器.......................5 3.3 555定时器构成多谐振荡器.........................6 4 555定时器的应用实例..................................7 4.1 相片曝光定时器..................................7 4.1.1 相片曝光定时器电路图.....................7 4.1.2 相片曝光定时器电路工作原理分析...........8 4.2 电热毯温控器....................................8 4.2.1 电热毯温控器电路图.......................8 4.2.2 电热毯温控器电路工作原理分析.............9 4.3多用途延迟开关电源插座..........................9

4.3.1 多用途延迟开关电源插座电路图.............9

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4.3.2 多用途延迟开关电源插座电路工作原理分析...9 4.4 555触摸开关....................................10 4.4.1 555触摸开关电路图.......................10 4.4.2 555触摸开关电路工作原理分析.............10 4.5 风扇周波调速电路................................11 4.5.1风扇周波调速电路图.......................11 4.5.2风扇周波调速电路工作原理分析.............11 结论...................................................12 致谢...................................................12 参考文献...............................................12

绪论：生活在这个信息时代，随着电子技术的发展，特别是消费类电子产品的普及，

555定时器的应用领域也不断拓宽。555定时器是美国signctics公司1972年研制用于代替机械式定时器的中规模集成电路，因其在输入端的设计上有三个5KΩ的电阻而得名。该电路后来竟风靡世界。555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成电路。一般采用双极型工艺制作的称为555，用互补金属氧化物（CMOS）工艺制作的称为7555，除了单定时器外，还有对应的双定时器556/7556。555定时器的电压范围比较宽，可以在4.5V~16V范围内工作，7556可在3V~18V范围内工作，输出的驱动电流约为200mA,因而其输出可与TTL、CMOS或者模拟电路电平兼容。555定时器制作成本低、性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器等脉冲产生与交换电路。555定时器也经常作为定时器广泛应用于仪器仪表、电子测量、自动控制及家用电器等方面，实用性非常强。

1 555定时器

1.1 555定时器的简介

555定时器是由美国signetics公司1972年研制的用于代替机械式定时器的中规模集成电路，因其在输入端的设计上有三个5kΩ的电阻而得名。该电路后来竟风靡全世界。目前，流行的产品主要有4个：BJT两个：555，556（双极型）；CMOS两个：7555，7556（CMOS型）。国际上主要的电子器件公司也都相继的生产了各自的555定时器产品。尽管产品型号繁多，然而所有双极型产品型号最后3位数码都是555，所有CMOS产品型号最后4位数码都是7555。还有它们的外部引脚排列和功能完全相同。

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1.2 555定时器的应用

（1）构成施密特触发器，用于TTL系统的接口，整形电路或脉冲鉴幅等。 （2）构成单稳态触发器，用于定时延时整形及一些定时开关中。 （3）构成多谐振荡器，用于组成信号产生电路。

555定时器制作成本低、性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器等脉冲产生与交换电路。555应用电路采用这3种方式中的1种或多种组合可以构成各种实用的电子电路，如定时器、分频器、玩具游戏机电路、元件参数和电路检测电路、频率变换电路、电源交换电路、自动控制电路、音响告警电路等。

2 555定时器的电路结构与工作原理

2.1 555定时器电路结构

555定时器的简化原理图见图（2.1）

图 2.1

555定时器的电路结构图，它主要由五个部分组成:

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（1）比较器：电压比较器C1和C2是两个结构相同的理想运算放大器。比较器有两个输入端，分别用 U+、U- 表示相应输入端上所加的电压，用u c表示比较器的比较结果。当U+>U-时,u c= u h; 而U+

（2）分压器：由三个阻值均为5kΩ的电阻串联起来构成分压器，为比较器C1和C2提供参考电压。工作中不用CO 端时，一般都通过一个0.01μF的电容接地，以防干扰。 （3）基本RS 触发器：由两个与非门组成，可从外部进行置0的直接复位端。当R= 0 时，使Q=0；当S=1时，Q=1。

（4）晶体管开关（即放电管）:晶体管TD构成开关，其状态受端控制。当Q＝ 1 时，晶体管截止; 而当Q＝ 0时，晶体管导通。

（5）输出缓冲器：输出缓冲器即接在输出端的反相器G3，它的作用就是提高定时器的带负载能力以及隔离负载对定时器的影响。

555 定时器的功能主要取决于两个比较器。两个比较器的输出电压控制RS触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 C1 的同相输入端的电压为 2/3（VCC)，

比较器C2 的反相输入端的电压为1 VCC ，若触发

输入端 TR 的电压小于1/3（VCC)，则比较器 C2 的输出为 0，可使 RS 触发器置 1，使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于 2/3（VCC)，同时 TR 端的电压大于1/3（VCC)，则 比较器C1 的输出为 0，比较器C2 的输出为 1，可将 RS 触发器置 0，使输出为 0 电平。

它的各个引脚功能如下：

1脚：外接电源负端VSS或者接地，一般情况下接地。 2脚：低触发端 3脚：输出端Vo

4脚：是直接清零端，当此端接低电平时，则时基电路不工作，此时不论TR、TH处于那种电平，时基电路输出都为“0”，该端不使用时应该接高电平。

5脚：VC为控制电压端，若此端外接电压时，则可以改变内部两个电压比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01μF电容接地，以防干扰。

6脚：TH高触发端

7脚：放电端，该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。

8脚：外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5V ~ 16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3V~ 18V，一般用5V。

2.2 555定时器的工作过程

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当RD =0 时, Q=0, 输出电压Uo=UoL为低电平,TD 饱和导通;

当RD =1,UTH> 2/3Vcc, UTR> 1/3Vcc时, 电压比较器C1输出有效低电平, C2输出高电平, 基本RS 触发器的R 端输入有效电平, 所以Q=0, Uo=UOL,TD饱 和导通;

当RD =1, UTH< 2/3Vcc,UTR> 1/3Vcc时, C1 和C2 均输出高电平( 均为无效电平) , 基本RS 触发器保持原来状态不变, 因此U o和TD也保持原来状态不变;

当RD =1, UTH< 2/3Vcc, UTR < 1/3Vcc时, C1输出高电平, C2输出有效低电平, 基本RS 触发器的S 端输入有效电平, 所以Q =1, U o=UoL,TD 截止;

当RD =1,U TH> 2/3 Vcc, UTR < 1/3Vcc 时, C1 和C2都输出低电平, 对基本RS 触发器而言其输入是约束要避免出现的情况. 此时Q =1, Uo=Uoh, TD截止,但UTH、UTR同时变为无效时, 其状态不能确定.

555定时器的功能表状态如下：

输入 UTH × >2/3Vcc < 2/3Vcc < 2/3Vcc UTR × > 1/3Vcc <1/3Vcc > 1/3Vcc RD 0 1 1 1 U0 0 0 1 不变 输出 TD状态 导通 导通 截止 不变 若取：UTH> 2/3Vcc为TH =1 UTH< 2/3Vcc为TH =0 UTR> 1/3Vcc为TR =1 UTR< 1/3Vcc为TR =0 得555定时器功能表：

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3 555定时器构成三大触发器

3.1 555定时器构成施密特触发器

施密特触发器可将输入缓慢变化的波形整形成符合数字电路要求的矩形脉冲。因为其具有滞回特性，所以具有较强的干扰能力，所以它在脉冲的产生和整形方面有着广泛的应用。将555定时器的UI1和UI2输入端连在一起作为信号的输入端，即可组成施密特触发器，如图（3.1.1）所示。为了防止高频干扰，提高比较器参考电压的稳定性，通常将5管脚通过0.01uF电容接地。

如果输入电压是一个正弦波，当UI从0逐渐增大时，若uI<1/3Vcc时，比较器C1输出高电平，C2输出低电平，基本RS触发器置1，则输出u0=1；若UI增加到uI>2/3Vcc时，比较器C1输出低电平，C2输出高电平，基本RS触发器置0，则输出u0=0.

当uI从高电平逐渐下降到1/3Vcc

RD 0 1 1 1 1 TH × 1 0 0 1 TR × 1 0 1 0 U0 0 0 1 不变 × TD 导通 导通 截止 不变 × （1） （2） 图（3.1）

从工作波形可以看出：上限阈值电压等于2/3Vcc，下限阈值电压 等于1/3Vcc,回差电压等于1/3Vcc。

如果在5脚UIc加上控制电压，就可以改变回差电压的值，回差电压越大，电路的抗干扰能力就越强。

3.2 555定时器构成单稳态触发器

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图（3.2.1）

上图为由555定时器和外接定时元件R、C构成的单稳态触发器。D为钳位二极管，稳态时555电路输入端处于电源电平，内部放电开关管T导通，输出端Vo输出低电平，当有一个外部负脉冲触发信号加到Vi端。并使2端电位瞬间低于1/3VCC，低电平比较器动作，单稳态电路即开始一个稳态过程，电容C开始充电，Vc按指数规律增长。当Vc充电到2/3VCC时，高电平比较器动作，比较器A1翻转，输出Vo从高电平返回低电平，放电开关管T重新导通，电容C上的电荷很快经放电开关管放电，暂态结束，恢复稳定，为下一个触发脉冲的到来做好准备。波形图见图(3.2.2)

图（3.2.2）

暂稳态的持续时间Tw（即为延时时间）由外接元件R、C的大小决定。Tw=1.1RC 通过改变R、C的大小，可使延时时间在几个微秒到几十分钟之间变化。当应用这种单稳态电路作为计时器时，可直接驱动小型继电器，并且可采用复位端接地的方法来终止暂态，重新开始计时。此外需要用一个续流二极管与继电器线圈并接，以防继电器线圈反电动势损坏内部功率管。

3.3 555定时器构成的多谐振荡器电路

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图（3.3.1）

如图（3.3.1）所示：用555定时器构成的多谐振荡器电路，图中电阻R1、R2和电容C作为振荡器的定时元件，决定输出矩形波正、负脉冲的宽度。定时器的触发输入端（2管脚）和阀值输入端（6管脚）与电容相连。集电极开路输出端（7管脚）接R1、R2相连处，用来控制电容C的充电、放电。外界控制输入端（5管脚）通过0.01uF电容接地。

图（3.3.2）

工作原理：多谐振荡器的工作波形如图（3.3.2）所示:电路接通电源的瞬间，由于电容C来不及充电，Vc=0v，此时，555定时器状态为1，输出Vo为高电平。同时，集电极输出端（7管脚）对地断开，电源Vcc对电容C充电，电路进入暂稳态I。此后，电路周而复始地产生周期性的输出脉冲。多谐振荡器两个暂稳态的维持时间主要取决于RC充电、放电回路的参数。暂稳态Ⅰ的维持时间，即输出Vo的正向脉冲的宽度T1≈0.7(R1+R2)C，暂稳态Ⅱ的维持时间，即输出Vo的负向脉冲的宽度T2≈0.7R2C。 因此，振荡周期T=T1+T2=0.7(R1+2R2)C，振荡频率f=1/T。正向脉冲宽度T1与振荡周期T之比称为矩形波的占空比Ｄ，由以上条件可得D=（R1+R2）/（R1+2R2），如果使R2>>R1，则D≈1/2，即输出信号的正、负向脉冲宽度相等的矩形波（方波）。

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4 555定时器的应用实例

4.1相片曝光定时器

4.1.1相片曝光定时器电路如图（4.1）

电路是用555单稳态电路制作而成的相片曝光定时器，由人工启动式单稳态电路。

图（4.1）

4.1.2相片曝光定时器电路工作原理分析

工作原理：电源接通后，定时器进入稳态。此时定时电容CT的电压为：VCT=VCC=6V，

对555这个等效触发器来说，两个输入都是高电平，即VS=1，继电器KA不吸合，常开点是打开的，曝光照明灯HL不亮。按一下按钮开关SB后，定时电容CT立即放到电压为零，此时555电路等效触发的输入为：R=0、S=0，它的输出就成高电平：V0=1。继电器KA吸动，常开接点闭合，曝光照明灯被点亮，按钮开关按下后立即放开，此时电源电压就通过RT向电容CT充电，暂稳态开始。当电容CT上的电压升到2/3VCC，既4V时，定时时间已到，555等效电路触发器的输入为：R=1、S=1，于是输出又翻转成低电平：V0=0。继电器KA释放，曝光灯HL熄灭，暂稳态结束，又恢复到稳态。 曝光时间计算公式为：T=1.1RT*CT。本电路提供参数的延时时间约为1秒~120秒，可由电位器RP调整和设置。电路中的继电器必需选用吸合电流小于或等于30mA的产品，并应根据负载（HL）的容量大小选择继电器触点容量。

4.2电热毯温控器

4.2.1电热毯温控器电路图如图（4.2）

一般电热毯有高温和低温两档。使用时，置于高温档，入睡后总被热醒；置于低温档，有时醒来会觉得温度不够。下面介绍一种电热毯温控器，用它可以把电热毯的温度控制在一个合适的范围。

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图（4.2）

4.2.2电热毯温控器电路图工作原理分析

图（4.2）中IC为NE555时基电路。RP3为温控调节电位器，其滑动臂电位决定IC的触发电位V2和阀电位Vf，且V5=Vf=2Vz。220V交流电压经C1、R1限流降压，D1、D2整流、C2滤波，DW稳压后，获得9V左右的电压供IC用。室温下接通电源，因已调V2、Vz，V6≥Vf时，IC翻转，3脚变为低电平，BCR截止，电热丝停止发热，温度开始逐渐下降，BG1的ICEO随之慢慢减小，V2、V6降低。 制作要点：

热敏传感器BG1可以用耐温的细软线引出，并将其连同管脚接头装入一电容器铝壳内，注入导热硅脂，制成温度探头。使用时把温度探头放在适当部位即可。

4.3多用途延迟开关电源插座

4.3.1多用途延迟开关电源插座电路图如图（4.3）

家用电器、照明灯等电源的开或关，常常需要在不同的时间延迟后进行，本电源插座即可满足这种需要。

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图（4.3）

4.3.2多用途延迟开关电源插座电路工作原理分析

电路如上图所示，它由降压、滤波、整流、及延时控制电路等部分组成。按下AN，12V工作电压加到延迟器上，这时NE555的②管脚和⑥管脚为高电平，则NE555的③管脚输出为低电平，因此，继电器K得电工作，触点K1-1向上吸合，这时“延关”插座得电，而“延开”插座无电。这时电源通过电容器C3 、电位器RP、电阻器R3至“地”，对C3进行充电，伴随着C3上的电压逐渐升高，NE555的②、⑥管脚的电压越来越低，当此电压下降至2/3Vcc 时，NE555的③管脚输出由低电平跳变为高电平，这时继电器将失电而不工作，则其控制触点恢复原位，则“延关”插座失电，而“延开”插座得电。就这样满足了不同的需求，LED1、LED2作相应的指示。 本电路只要元器件是好的，装配无误，装好即可正常工作。时间由PR+R3及C3的值决定，T≈1.1C3(PR+R3)。RP指有效部分。C3可以用数十pF至1000μF的电容器，(PR+R3)的值可以取2K～10MΩ，C1的耐压值应大于等于400V，R1的功率应大于等于2W，AN按钮开关可选用K-18型的，继电器的型号为JQX-13F-12V。其它元器件没有特殊要求。

4.4 555触摸开关

4.4.1 555触摸开关电路如图（4.4）

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图（4.4）

4.4..2 555触摸开关电路工作原理分析

集成电路IC1是一片555定时电路，在这里接成单稳态电路。平时由于触摸片P端无感应电压，电容C1通过555第7管脚放电完毕，第3管脚输出为低电平，继电器KS释放，电灯不亮。当需要开灯时，用手触碰一下金属片P，人体感应的杂波信号电压由C2加至555的触发端，使555的输出由低电平变成高电平，继电器KS吸合，电灯点亮。与此同时，555第7管脚内部截止，电源便通过R1给C1充电，这就是定时的开始。当电容C1上的电压上升至电源电压的2/3时，555第7管脚导通使C1放电，使第3管脚输出由高电平变回到低电平，继电器释放，电灯熄灭，定时结束。定时长短由R1和C1决定：T1=1.1R1*C1。按图中所标数值，定时时间约为4分钟。D1可选用1N4148或1N4001。

4.5 风扇周波调速电路

4.5.1风扇周波调速电路如图（4.5）

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图（4.5）

4.5.2风扇周波调速电路工作原理分析

一个电风扇模拟阵风周波调速电路，可将我们家里的老式风扇增加一个实用功能，下面介绍其工作原理。电路见图（4.5.1）。电路中NE555接成占空比可调节的方波发生器，调节RW可改变占空比。在NE555的管脚输出高电平期间，过零通断型光电耦合器MOC3061初级得到大约10m的正向工作电流，使内部硅化镓红外线发射二极管发射红外光，将过零检测器中光敏双向开关于市电过零时导通，接通电风扇电机电源，风扇运转送风。在NE555的3管脚输出低电平期间，双向开关断开，风扇停转。

MOC3061本身具有一定驱动能力，可不加功率驱动元件而直接利用MOC3061的内部双向开关来控制电风扇电机的运转。RW为占空比调节电位器，亦即电风扇单位时间内（本电路数据约为20秒）送风时间的调节，改变C2的取值或RW的取值可以改变控制周期。

图（4.5.2）电路为MOC3061的典型功率扩展电路，在控制功率较大的电机时，应考虑使用功率扩展电路。制作时，可参考图示参数选择器件。由于电源采用电容压降方式，自制时需要注意安全，人体不能直接接触电路板。

结论：555应用电路采用施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器这三种方式中的

一种或者多种组合可以构成各种实用的电路，比如定时器、脉冲信号发生器、分频器、元件参数和电路检测电路、音响告警电路电源交换电路、玩具游戏机电路、自动控制电路、频率变换电路等。555 定时器把模拟电子中的放大功能和数字的逻辑功能融合起来 ,定时精确 ,电源范围宽直接推动负载.因此 ,作为一种性能优、价格低廉、使用方便的中规模集成电路 ,555定时器成为数字电路中最常用的时基电路之一 ,必将在控制领域

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得到更加广泛的应用。

参考文献:

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8 潘松，黄继业，潘明.EDA技术实用教程——Verilog HDL版（第四版）.科学出版社.2010.135-146

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/rhua.html