NE555は、タイマ回路や発振回路に使われるとてもポピュラーな ICです。が、じつは俺、まだ使ったことがない。なので、タイマIC NE555について調べてみました。
NE555 の中ってどうなっているの？
ググってみると、いろんな応用回路が (あ〜よくみると似たような？) でてきます。でも、なんでそーするとこーなるのか、そこんところがよくわからない。
内部回路
出典：https://www.ti.com/lit/ds/symlink/ne555.pdf
データシートから内部回路をみてみましょう。
内部の回路は図1 のようになっています。
主な回路は、2つのコンパレータとRSラッチで構成されています。入力として TRIGと THRESがあり、出力は OUTと DISCHです。
制御端子として CONTと RESETがあります。
動作の概要
データシートから読み取った動作の概要は、つぎのとおりです。
Vccは 3つの抵抗で分圧され、1/3Vcc、2/3Vccが取り出されている。
1/3Vccは TRIG側のコンパレータの ＋端子に入力されている。TRIGが 1/3Vccを下回ると、TRIG側のコンパレータが HIGHになり、RSラッチがセットされる。
2/3Vccは THRES側のコンパレータの ー端子に入力されている。THRESが 2/3Vccを上回ると、THRES側コンパレータが HIGHになり、RSラッチがリセットされる。
RSラッチがセットされると OUTは HIGHになる。リセットされると LOWになる。
DISCHはオープンコレクタで、RSラッチがリセットされたときにオン (LOW) になる。
RESETはアクティブローであり、LOWを入力すると、強制的に RSラッチがリセットされ、OUTが LOW、DISCHがオンになる。
CONTはコンパレータのしきい値を制御することができ、出力電圧は 2/3Vcc。
うん、むずかしい回路ではないようです。
ようするに、TRIGの電圧を 1/3Vcc以下にすると OUTが HIGHになり、THRESの電圧が 2/3Vcc以上になると OUTは LOWになる。同時に DISCHがオンになるので、こいつでコンデンサを放電させるなどすれば CR回路をリセットできる。
基本はそんなところでしょうか。
NE555 をテストする回路
では、じっさいに NE555を動かしてみて、動作を確認してみましょう。
動作確認してみたのは、図2 のような回路です。
VR1、VR2は、それぞれ THRES、TRIGに与える電圧の調整用です。ボリュームを操作することで、各入力へ 0~5Vの電圧を与えることができます。
ボリュームに流れる電流は、
IVR = 5 / 10 = 0.5 [mA]
です。ICに流れ込む電流は 2μA以下なので、充分な大きさです。
OUTが HIGHになると、LED1が点灯します。
OUTから 1mA取りだすときの出力電圧は Vcc-1.4V なので、Vccを 5.0Vとすると 3.6Vになります。LEDの順方向電圧を 2.0Vとすると、抵抗 R4は、
R4 = (3.6 - 2.0) / 1 = 1.4 [KΩ]
ですので、R4は 1.5KΩとしました。使っているのは高輝度LEDですので、これで充分に光ります。
DISCHはオープンコレクタですので、オンのときに LED2が点灯します。このとき OUTは LOWですので、2つの LEDは交互に点灯することになります。
DISCHがオンのときのコレクタ飽和電圧は最大 0.4Vですので、LEDに 1mA流すとすると、
R5 = (5.0 - 0.4 - 2.0) / 1 = 2.6 [KΩ]
なので、R5は 3.3KΩにしました。
押しボタンスイッチ S1はリセットボタンです。押すと OUTが LOWになります。
RESETに流れ込む電流は最大 0.4mAです。プルアップ抵抗 R3を 2.2KΩとしたとき、R3による電圧降下は、
VR3 = 0.4 × 2.2 = 0.88 [V]
なので、RESET端子には約 4.1Vかかることになります。リセットされる電圧は 1V以下なので、問題ありません。
なお、俺の計算はまいど「だいたいこのぐらい」ですので、テキトーにみてやってくださいませ。
NE555 を動かしてみた
ボリュームをいろいろ動かして、LED1がどこで明滅するか、確認してみました。
- THRES = 0V で、TRIG を 5V→0V に変化させたとき、約1.6V で点灯。
点灯後、TRIGを変化させても、点灯を保持。 - THRES = 5V で、TRIG を 5V→0V に変化させたとき、約1.6V で点灯。
点灯後、TRIGを上昇させると、約1.6Vで消灯。 - TRIG = 0V では、THRESに無関係に点灯。
- TRIG = 5V で消灯しているとき、THRES を変化させても、消灯を保持。
- TRIG = 5V で点灯しているとき、THRES を 0V→5V に変化させると、約3.3Vで消灯。
消灯後は、THRESを変化させても、消灯を保持。
動作の概要と、一致した動作をしているようです。
なお、2 の場合、ヒステリシス特性がないようなので、TRIGが 1.6V (1/3Vcc) 付近では OUTが不安定になります。注意しておいたほうがよさそうです。
| RESET | TRIG | THRES | OUT | DISCH |
| 0 | x | x | 0 | オン |
| 1 | 0 | x | 1 | オフ |
| 1 | 1 | 0 | 保持 | 保持 |
| 1 | 1 | 1 | 0 | オン |
ところで、一般に、RSラッチでは入力 Rと Sとが同時に 1 になることを禁止しています。NE555では、TRIGが LOWのときに THRESが HIGHになると、Rと Sが同時に 1 になってしまいます。これは禁止されないのでしょうか？
このことについて、データシートに特段の記述はないようですが、ファンクションテーブルで TRIGが優先であることがわかります。じっさいの動作確認 3 の場合でも、そうでした。
ということで、NE555の真理値表は、図3 のようになります。ちなみに、0 は LOW、1 は HIGH です。
気になったことなど
出力 OUT の電流値について
OUTの出力電流ですが、最大値は ±225mAです。大きいですねぇ。が、ちょっと気をつけたほうがよさそうです。
OUTはシンクでもソースでも使えます。
シンクは吸い込み型、OUTへ電流が流れ込むような使い方。ソースは吐き出し型、OUTから電流が流れ出す使い方です。
電源電圧 Vcc = 5V のとき、シンク電流が 10mAでは OUT電圧 (LOW時) は 0.2Vほどです。ところが 10mAを超えると電圧が急上昇し、20mAで1.5V、100mAでは 2Vになってしまいます。つまり、10mA流すとき負荷電圧は 4.8Vですが、100mA流すと 3Vになる。負荷電流が変動すると、負荷電圧も大きく変動してしまいます。
なので、Vccが 5Vのとき、シンク電流は 10mA以下で使うべきじゃないかなと、思います。大きなシンク電流を流すときは、Vccを高くしたほうがよさそうです。
ソース電流のばあい、OUT電圧は 10mAで 3.5V、100mAでは 3.3Vで、この電圧が負荷電圧になります。5Vが出力されるわけではありません。
制御入力の CONT について
動作確認ではふれませんでしたが、CONTには THRES側コンパレータのしきい値 2/3Vccが出力されています。ここに電圧を加えると、しきい値を変化させることが可能です。また、回路によっては、ここにコンデンサをつなぐことで安定する場合がある、とデータシートには書かれています。
使い方が、ちょっとむずかしい端子かもしれません。
後記
今回は、タイマIC NE555の仕組みと動作の概要を確認しました。仕組みはそんなにむずかしいものではないようです。逆に、どう使うか、さまざま応用ができそうで、むずかしいかもしれません。
次回は、データシートに機能説明として書かれている「単安定動作 (Mono-stable Operation)」について確認してみましょう。これは、いわゆるタイマ回路としての使用方法のようです。
