Maîtriser le Timer 555 : Principes, Diagrammes de Blocs et Schémas de Circuits

Dans ce tutoriel, nous allons apprendre comment fonctionne le Timer 555, l'un des circuits intégrés les plus populaires et les plus utilisés de tous les temps. Vous pouvez regarder la vidéo suivante ou lire le tutoriel écrit ci-dessous.

Vue d'Ensemble

Le Timer 555, conçu par Hans Camenzind en 1971, se trouve dans de nombreux appareils électroniques, des jouets et appareils de cuisine jusqu'aux engins spatiaux. C'est un circuit intégré hautement stable qui peut produire des délais temporels précis et des oscillations. Le Timer 555 a trois modes de fonctionnement : bistable, monostable et astable.

Comment Cela Fonctionne, Schéma Interne et Diagramme de Blocs

Regardons de plus près ce qu'il y a à l'intérieur du Timer 555 et expliquons comment il fonctionne dans chacun des trois modes. Voici le schéma interne du Timer 555 qui se compose de 25 transistors, 2 diodes et 15 résistances.

Représenté par un diagramme de blocs, il se compose de 2 comparateurs, un bascule (flip-flop), un diviseur de tension, un transistor de décharge et un étage de sortie.

Le diviseur de tension se compose de trois résistances identiques de 5kΩ qui créent deux tensions de référence à 1/3 et 2/3 de la tension d'alimentation, qui peut varier de 5 à 15V.

Viennent ensuite les deux comparateurs. Un comparateur est un élément de circuit qui compare deux tensions d'entrée analogiques à ses bornes d'entrée positive (non-inversante) et négative (inversante). Si la tension d'entrée à la borne positive est plus élevée que celle à la borne négative, le comparateur sortira 1. Inversement, si la tension à l'entrée négative est plus élevée que celle à l'entrée positive, le comparateur sortira 0.

L'entrée négative du premier comparateur est connectée à la tension de référence de 2/3 au diviseur de tension et à la broche externe "Control", tandis que l'entrée positive est connectée à la broche externe "Threshold".

D'autre part, l'entrée négative du second comparateur est connectée à la broche "Trigger", tandis que l'entrée positive est connectée à la tension de référence de 1/3 au diviseur de tension.

Donc, en utilisant les trois broches Trigger, Threshold et Control, on peut contrôler la sortie des deux comparateurs qui sont ensuite alimentées aux entrées R et S du flip-flop. Le flip-flop sortira 1 quand R est 0 et S est 1, et inversement, il sortira 0 quand R est 1 et S est 0. De plus, le flip-flop peut être réinitialisé via la broche externe "Reset" qui peut outrepasser les deux entrées, réinitialisant ainsi tout le timer à tout moment.

La sortie Q-bar du flip-flop va vers l'étage de sortie ou les drivers de sortie qui peuvent soit fournir, soit absorber un courant de 200mA vers la charge. La sortie du flip-flop est aussi connectée à un transistor qui connecte la broche "Discharge" à la masse.

Timer 555 - Mode Bistable

Maintenant, faisons un exemple du Timer 555 fonctionnant en mode bistable. Pour cela, nous avons besoin de deux résistances externes et de deux boutons-poussoirs.

Les broches Trigger et Reset du CI sont connectées à VCC à travers les deux résistances, et ainsi elles sont toujours à l'état haut. Les deux boutons-poussoirs sont connectés entre ces broches et la masse, donc si on les maintient appuyés, l'état d'entrée sera bas.

Initialement, les sorties des deux comparateurs sont à 0, donc la sortie du flip-flop ainsi que la sortie du Timer 555 sont à 0.

Si on appuie sur le bouton-poussoir Trigger, l'état à l'entrée Trigger devient Bas, donc le comparateur sortira Haut et fera passer la sortie Q-bar du flip-flop à Bas. L'étage de sortie inversera ceci et la sortie finale du Timer 555 sera Haute.

La sortie restera haute même quand le bouton Trigger n'est plus appuyé car dans ce cas, les entrées R et S du flip-flop seront à 0, ce qui signifie que le flip-flop ne changera pas l'état précédent. Pour rendre la sortie Basse, il faut appuyer sur le bouton Reset, qui réinitialise le flip-flop et tout le CI.

Tutoriel connexe : Qu'est-ce qu'un Trigger de Schmitt | Comment Il Fonctionne

Timer 555 - Mode Monostable

Ensuite, voyons comment le Timer 555 fonctionne en mode monostable. Voici un circuit d'exemple.

L'entrée Trigger est maintenue Haute en la connectant à VCC à travers une résistance. Cela signifie que le comparateur Trigger sortira 0 vers l'entrée S du flip-flop. D'autre part, la broche Threshold est Basse et cela fait que le comparateur Threshold sort 0 aussi. La broche Threshold est en fait Basse car la sortie Q-bar du flip-flop est Haute, ce qui maintient le transistor de décharge actif, donc la tension provenant de la source va à la masse à travers ce transistor.

Pour changer l'état de sortie du Timer 555 à Haut, il faut appuyer sur le bouton-poussoir de la broche Trigger. Cela mettra la broche Trigger à la masse, l'état d'entrée sera 0, donc le comparateur sortira 1 vers l'entrée S du flip-flop. Cela fera passer la sortie Q-bar à Bas et la sortie du Timer 555 à Haute. En même temps, on remarque que le transistor de décharge est désactivé, donc maintenant le condensateur C1 commencera à se charger à travers la résistance R1.

Le Timer 555 restera dans cet état jusqu'à ce que la tension aux bornes du condensateur atteigne 2/3 de la tension d'alimentation. Dans ce cas, la tension d'entrée Threshold sera plus haute et le comparateur sortira 1 vers l'entrée R du flip-flop. Cela ramènera le circuit à l'état initial. La sortie Q-bar deviendra Haute, ce qui activera le transistor de décharge et remettra la sortie du CI à Basse.

On remarque donc que la durée pendant laquelle la sortie du Timer 555 est Haute dépend du temps nécessaire au condensateur pour se charger à 2/3 de la tension d'alimentation, et cela dépend des valeurs du condensateur C1 et de la résistance R1. On peut calculer ce temps avec la formule suivante : T = 1,1 * C1 * R1.

Timer 555 - Mode Astable

Ensuite, voyons comment le Timer 555 fonctionne en mode astable. Dans ce mode, le CI devient un oscillateur, aussi appelé Multivibrateur Libre. Il n'a pas d'état stable et commute continuellement entre Haut et Bas sans application d'aucun déclencheur externe. Voici un circuit d'exemple du Timer 555 fonctionnant en mode astable.

Nous n'avons besoin que de deux résistances et d'un condensateur. Les broches Trigger et Threshold sont connectées l'une à l'autre, donc il n'y a pas besoin d'impulsion de déclenchement externe. Initialement, la source de tension commencera à charger le condensateur à travers les résistances R1 et R2. Pendant la charge, le comparateur Trigger sortira 1 car la tension d'entrée à la broche Trigger est encore plus basse que 1/3 de la tension d'alimentation. Cela signifie que la sortie Q-bar est 0 et le transistor de décharge est fermé. À ce moment, la sortie du Timer 555 est Haute.

Une fois que la tension aux bornes du condensateur atteint 1/3 de la tension d'alimentation, le comparateur Trigger sortira 0, mais à ce stade, cela ne fera aucun changement car les entrées R et S du flip-flop sont toutes les deux à 0. La tension aux bornes du condensateur continuera de monter, et une fois qu'elle atteint 2/3 de la tension d'alimentation, le comparateur Threshold sortira 1 vers l'entrée R du flip-flop. Cela activera le transistor de décharge et maintenant le condensateur commencera à se décharger à travers la résistance R2 et le transistor de décharge. À ce moment, la sortie du Timer 555 est Basse.

Pendant la décharge, la tension aux bornes du condensateur commence à baisser, et le comparateur Threshold sort immédiatement 0, ce qui ne fait en fait aucun changement car maintenant les entrées R et S du flip-flop sont toutes les deux à 0. Mais une fois que la tension aux bornes du condensateur descend à 1/3 de la tension d'alimentation, le comparateur Trigger sortira 1. Cela désactivera le transistor de décharge et le condensateur recommencera à se charger. Ce processus de charge et décharge entre 2/3 et 1/3 de la tension d'alimentation continuera de tourner tout seul, produisant ainsi une onde carrée sur la sortie du Timer 555.

On peut calculer le temps où la sortie est Haute et Basse en utilisant les formules montrées. Le temps Haut dépend de la résistance de R1 et R2, ainsi que de la capacité du condensateur. D'autre part, le temps Bas dépend seulement de la résistance de R2 et de la capacité du condensateur. Si on additionne les temps Haut et Bas, on obtient la Période d'un cycle. D'autre part, la fréquence est le nombre de fois que cela se produit en une seconde, donc l'inverse de la Période donnera la fréquence de l'onde carrée de sortie.

Si on fait quelques modifications à ce circuit, par exemple, changer la résistance R2 par une résistance variable ou un potentiomètre, on peut contrôler instantanément la fréquence et les cycles de service de l'onde carrée. Cependant, plus sur ce sujet dans ma prochaine vidéo où nous ferons un contrôleur de vitesse moteur DC PWM en utilisant le Timer 555.

J'espère que vous avez apprécié ce tutoriel et appris quelque chose de nouveau. N'hésitez pas à poser vos questions dans la section commentaires ci-dessous.