555振盪器搭建LED閃爍電路

RTOS iPad Pro 文章 大學 愛上半導體 2019-04-10

今天在麵包板上為大家搭建一個LED燈閃爍電路,用的主控不是單片機,而是經典的555振盪器,為什麼用555振盪器呢?

因為555振盪器原理簡單、但功能強大,內部總共就只有26個晶體管,即使把555振盪器的內部原理圖給我們,通過分析,我們也能分析出它的工作原理,不僅如此,還能在這裡面學習模電和數電的知識。

555振盪器搭建LED閃爍電路

比如說555內部的觸發器是數字電路的範疇,要想弄明白這個觸發器,我們必須去學《數字電子技術》裡面的知識,觸發器弄懂了,數電基本上也就入門了。

不僅如此555振盪器更多的是模電的知識,在555振盪器中,我們也能學習很多與模電有關的基礎知識。

由於科技的進步,現在的人們也都好高騖遠了,上來就是學STM32、RTOS,即使是會用庫函數操作單片機了,但對於單片機的底層卻一無所知,更有甚者連觸發器都不知道為何物,這樣學習是很不嚴謹的。

綜上,我們認為555振盪器不應該因為現在科技的進步而被拋棄,悄悄相反,如在真的想在某一行有更深一步的發展,我們應該去研究科技的底層。

那現在我們給大家用555振盪器搭建一個LED閃光燈電路,希望能激發大家學習底層電子電路的興趣。

什麼是555振盪器

簡單來說,555振盪器是一塊可以輸出特定頻率脈衝信號的集成電路。

下面的那個小傢伙兒就是555振盪器,像不像一隻小螃蟹呢?螃蟹在大家心中那肯定是美味,但讓你們去鑽研一個和螃蟹一樣爪數的集成電路時,可能你們就沒有耐心了。

555振盪器搭建LED閃爍電路

不用擔心,接下來我將讓大家像吃螃蟹一樣吃下這塊只有8只引腳的小黑匣子。

內部構造

想要知道一塊集成電路是怎麼工作的,首先我們需要知道它的內部原理圖,555振盪器的內部原理圖如下圖所示。

還好它的內部集成的晶體管並不多,只有26個,要知道最新版的iPad Pro所採用的A12 X芯片內部集成了100多億個晶體管,即使是iPhone XS的A12內部也集成了幾十億的晶體管。雖然他們都是芯片,體積也差不多。只能說科技進步的太快,快到讓人吃驚。

555振盪器搭建LED閃爍電路

對於上面的原理圖,如果不是學過數電或者模電,應該很難看懂,即使是學過也不一定能看懂,雖然只有區區26個晶體管,但是它所涉及到的知識面卻異常廣泛,幾乎把大學的數電模電都涉及到了。

看不懂也沒有關係,下面是555振盪器簡化之後的原理圖,上面塗顏色的部分都是模塊化的東西,對應的是比較器和觸發器,名字聽著差不多,但一個屬於模電,一個屬於數電。

我們現在只分析一下原理框圖,不講他們的構造原理,因為講底層原理的話,等於是重新學一遍模電,10篇文章可能都講不完。

原理框圖

經過簡化之後的原理框圖就很簡單了,每個原理框圖和上面圖中的塗顏色電路一一對應。

黃色的三角和下面粉色三角是兩個比較器,右邊紫色的是一個R-S觸發器。

最左面的綠色的是三個阻值為5K的電阻,這也是555振盪器名字的由來,還有一種加556的振盪器,大家能猜到和555有什麼不同嗎?這時候你可能會說除了有兩個5K電阻之外,另外一個是6K電阻。

事實是這樣嗎?並不是這樣的,556振盪器比555多了一個1,但這個1代表的並不是1K的阻值,而是556的內部封裝了兩塊555振盪器模塊。這樣的命名真實讓人大跌眼鏡。要是由我來命名的話,可能會給556命名為555D,D所代表的是double雙倍。

下圖為555內部各功能模塊的簡化圖,如果你還是看不懂,那也沒有關係,因為我們可以直接使用這個555振盪器,即使你不知道它的工作原理。

555振盪器搭建LED閃爍電路

引腳

對於剛入門的小白,可以先用555做出幾個小實驗,然後再去學習555的底層,這種自上向下的去學,你會明白自己的目標,不然學了一大推底層,你甚至不知道自己學的這個東西能幹什麼?

學習這種模塊最快的辦法是搞清楚它的各個引腳的定義,然後搭建一個最小系統,好比我們在學習程序的時候第一件事是要打印“Hello World”一樣。

555振盪器搭建LED閃爍電路

接下來我們說一下各個引腳的作用

1腳:電源負極

8腳:電源正極

4腳:復位引腳,在這裡接正極

5腳:放電引腳,通過電容接負極

不難吧,我們這就弄懂555的一半引腳了,然後我們再介紹一下其餘的四個引腳。

2腳和6腳:比較器控制引腳,這兩個引腳是接在一起的,根據電壓的不同控制比較器輸出高低電平,進而控制觸發器。

7腳:接在R1和R2之間,固定接線方式,我們暫且不用管。

3腳:脈衝信號輸出引腳,也是對我們有用的唯一引腳。

在我們知道了555的引腳定義之後,下一步就是搭建它的最小系統了,比如說讓它控制一顆LED燈閃爍。

最小系統

下面是555振盪器的經典接線圖

555振盪器搭建LED閃爍電路

最小系統如上圖所示,到目前為止就差一步了,即OUT引腳後面的負載,因為我們的555可以輸出200多毫安的電流,所以可以驅動負載,但有的只是輸出一個脈衝信號,電流在幾毫安,這種555振盪器是不能驅動負載的。

下面我給OUT引腳接上LED燈,如下圖所示,我給OUT引腳接上了LED燈,同時串聯一支1K電阻來限流。

555振盪器搭建LED閃爍電路

那麼問題又來了,我們知道555振盪器OUT引腳輸出的是矩形波(如下圖所示),但是他的頻率是怎麼確定的呢?

這個很簡單,通過上圖中的R1、R2和C1就能確定OUT引腳的輸出頻率。

矩形波的頻率為f=1.44/(R1+2R2)✖️C1

如上圖我們的R1=100K,R2=200K,C1=10uF。

所以矩形波的輸出頻率f=1.44/(1000000+4000000)✖️10UF=0.288HZ

555振盪器搭建LED閃爍電路

0.288求出來的是頻率,換算成周期:1/0.288=3.4S,也就是說LED燈每隔1.7S改變一次狀態。

對於這個電路,我用麵包板搭建了實際的電路,實驗現象和預期一致。

實驗現象

實驗現象:LED燈差不多每隔1.7秒改變一次狀態,怎麼樣,是不是已經迫不及待想自己嘗試一下了,那就不要猶豫了,快去搭建你自己的LED燈閃爍電路吧。

555振盪器搭建LED閃爍電路

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