Kommen wir in diesem Beitrag zu den praktischen Anwendungen für den Timer 555 und gängigen NE555-Schaltungen. Ein paar davon haben Sie schon im Hauptbeitrag zum NE555 kennengelernt. Hier sind noch einige weitere Anwendungsmöglichkeiten.
Warum sind NE555-Schaltungen so populär?
Der NE555 erfreut sich seit Jahrzehnten großer Beliebtheit, und das aus guten Gründen. Seine Vielseitigkeit, einfache Handhabung und die kostengünstige Verfügbarkeit machen ihn zu einem Allrounder in der Elektronikwelt.
Hier sind die wichtigsten Gründe dafür:
- sehr vielseitig einsetzbar
- einfache Handhabung
- kostengünstig und leicht verfügbar
- bewährt und zuverlässig
- für Anfänger und fortgeschrittene Elektroniker geeignet
Einige 555-Schaltungen für den Einstieg
Hier sind nun ein paar Schaltungen, die Ihnen einen Überblick über die Vielseitigkeit des NE555 bieten sollen. Sie können die Schaltungen gerne selbst ausprobieren.
Was Sie dafür benötigen:
- eine 9-Volt-Blockbatterie mit passendem Batterieclip
- Ein paar Widerstände: 1x 470 Ohm, 2x 1Kiloohm, 2x 10 Kiloohm
- ein Poti mit 100 Kiloohm
- eine Diode 1N4148 oder ähnlich
- zwei Kondensatoren mit 100 Nanofarad
- je einen Elektrolytkondensator mit 10 und 100 Mikrofarad (µF)
- zwei LEDs (z. B. gelb und grün)
- zwei Taster
- ein DIL-IC NE555 oder baugleich
- ein Steckboard und einige Verbindungsleitungen
Hier sind die Schaltungen:
NE555-Schaltungen als monostabile Kippstufe (Ausschaltverzögerung)
Nach dem kurzzeitigen Drücken des Tasters S1 schaltet der 555 die LED ein. Dann läuft eine gewisse Zeitspanne ab, in der die LED leuchtet, ehe sie Schließlich ausgeht.
Die Zeitspanne, wie lange die LED leuchtet, lässt sich unter anderem durch den Kapazitätswert des Elektrolytkondensators C2 variieren. Hier liegt sie bei etwa 11 Sekunden.
NE555 als bistabile Kippstufe
Die folgende Schaltung ist eine bistabile Kippstufe, mit deren Hilfe ein Verbraucher (hier wieder unsere Leuchtdiode) mit zwei Tasten ein- und ausschalten lässt.
Mit dem Taster S1 lässt sich die LED am Pin 3 einschalten, mit S2 ausschalten.
Astabile Kippstufen mit dem NE555
Jetzt folgen noch ein paar Schaltungen mit astabilen Kippstufen mit dem Timer 555. Zunächst sehen Sie einen LED-Blinker.
Die Diode in der Schaltung sorgt dafür, dass Ein- und Ausschaltsauer der LED etwa gleich lang sind. Mehr zur astabilen Kippstufe mit dem Timer 555 finden Sie auch im Beitrag über den NE555-Blinker.
Natürlich können Sie auch einen Wechselblinker aufbauen. Dazu erweitern Sie die Schaltung wie im folgenden Schaltbild zu sehen um eine zweite Leuchtdiode.
Wollen Sie die Blinkfrequenz stufenlos einstellen? Das funktioniert wie im folgenden Schaltbild zu sehen mit einem Potentiometer mit 100 Kiloohm, das in Reihe mit R1 geschaltet wird und eine variable Blinkfrequenz ermöglicht.
Das Gleiche funktioniert auch mit dem Wechselblinker.
Wollen Sie statt eines Blinkers lieber einen Ton mit dem 555 Timer erzeugen?. Das funktioniert recht einfach. Sie brauchen nur die LED(s) durch einen Signalgeber wie einen kleinen Lautsprecher mit einem geeigneten Widerstand wie im Schaltbild zu sehen zu ersetzen.
Die Tonhöhe ist mit dem Potentiometer einstellbar.
Nun kennen Sie bereits einige gängige NE555-Schaltungen. Es gibt ganze Bücher voll davon. Probieren Sie diese Schaltungen gerne aus und experimentieren Sie damit. Das ist der beste Weg, um einen Einstieg in die NE555-Schaltungen zu erhalten.
Hier sind ein paar NE555-Schaltungen in einem YouTube-Video zu sehen:
Und wenn Sie noch mehr Schaltungen mit dem NE555 sehen wollen:
NE555 Weitere Schaltungen
Für diese Schaltungen benötigen Sie noch weitere Bauteile außer den oben genannten.
Es gibt noch zahlreiche weitere NE555-Schaltungen. Darunter auch welche, die nicht unbedingt etwas mit einem Timer beziehungsweise einer Zeitschaltung zu tun haben.
Die bereits genannten Timer555-Schaltungen wie die monostabile, bistabile oder astabile Kippstufe sind Standardschaltungen. Hier kommen noch ein paar weitere Schaltungen, die mit dem Timer 555 realisierbar sind.
NE555 als Spannungswächter
Die folgende Schaltung zeigt optisch mit einer LED an, wenn eine bestimmte Spannung unterschritten wird. Sie ist zum Beispiel als Warnanzeige für eine Unterspannung einsetzbar.
Mit dem Poti lässt sich die Spannung, bei der die LED aktiviert wird, ein gewissen Grenzen einstellen. So wäre es bei der im Schaltbild und der Beispielschaltung möglich, die LED bei einer Akkuspannung von weniger als 10 Volt aufleuchten zu lassen.
Wenn eine bestimmte Spannung wieder überschritten wird (zum Beispiel 13 oder 14 Volt), erlischt sie wieder.
Zur Funktion:
Die Z-Diode dient als Spannungsreferenz für den internen Spannungsteiler des NE555. Mit dieser Z-Diode wird sichergestellt, dass dort in einem sehr weiten Spannungsbereich an Pin 5 (Control) des NE555 immer eine konstante Referenzspannung anliegt.
Der Timer 555 enthält einen internen Spannungsteiler und einen Komparator (eine Schaltung, die zwei Spannungen vergleicht). An einem Eingang dieses Komparators liegt eine Spannung von der Hälfte der Z-Diodenspannung an.
Die Schaltung enthält mehrere Spannungsteiler. Einer davon besteht aus den Widerständen R1, R4 und dem Poti P1. Dieser Spannungsteiler stellt am Trigger-Eingang des NE555 eine von der Höhe der Betriebsspannung abhängige Teilspannung bereit. Und diese Spannung liegt am anderen Eingang des eben genannten Komparators an. Deren Höhe unterscheidet sich je nach Betriebsspannung von der halben Referenzspannung, die sich aus der Z-Diodenspannung und den internen Spannungsteiler im NE555 ergibt.
Wir haben also zwei Spannungen, die ständig miteinander verglichen werden.
Im „Normalbetrieb“ ist die Spannung aus dem Spannungsteiler bestehend aus den Widerständen R1, R4 und P1 höher als die halbe Z-Diodenspannung. Sinkt nun aber die Betriebsspannung der Schaltung, sinkt damit auch diese Spannung.
Ist sie aufgrund der weiter sinkenden Betriebsspannung (zum Beispiel durch einen entladenen Akku) niedriger als die halbe Referenzspannung aus der Z-Diode, schaltet der NE555 den Ausgang Pin 3 ein. Die LED an diesem Ausgang leuchtet auf. Damit wird die Unterspannung signalisiert.
Der NE555 enthält aber zwei Komparatoren, die intern über Spannungsteiler miteinander verbunden sind. An einem Eingang dieses Komparators liegt die Z-Diodenspannung, also die Referenzspannung, direkt und in voller Höhe an (Pin 5 des NE555 mit der Bezeichnung Control). Ebenso erhält dieser zweite Komparator eine Spannung über einen weiteren Spannungsteiler, bestehend aus R3 und R5, deren Höhe abhängig ist von der Höhe der aktuellen Betriebsspannung (Pin 6 mit der Bezeichnung Threshold). Threshold bedeutet soviel wie Schwelle, hier Schaltschwelle.
Steigt diese Spannung nach Aktivieren des Ausgangs an Pin 3 des NE555 wieder über die Z-Diodenspannung an, wird der NE555 resettet und schaltet wieder in den Ausgangszustand zurück. Die Spannungen zum Aktivieren des Ausgangs an Pin 3 und zum Zurücksetzen der Schaltung liegen etwas auseinander.
Statt nur die Unterspannung optisch zu signalisieren, könnte der NE555 über einen MOSFET auch einen Verbraucher abschalten, wenn eine bestimmte Spannung etwa durch das Entladen eines Akkus unterschritten wird und so den Akku vor einer Tiefentladung schützen. Wie der NE555 einen MOSFET ansteuern kann, sehen Sie in einer weiteren Beispielschaltung, die ich nun vorstellen möchte.
Elektronische Sicherung mit dem NE555
Die folgende NE555-Schaltung fungiert als eine elektronische Sicherung oder Überlastschutz, die eine Spannungsquelle vor einer Überlast schützen soll. Sie löst bei einem zu hohen Stromfluss aus und schaltet den Verbraucher am Ausgang der Schaltung ab. Gleichzeitig lässt sich eine LED ansteuern, die den Kurzschluss anzeigt.
Der Hauptstrom, also der Laststrom der Schaltung, schließt die über einen niederohmigen Widerstand (hier 0,2 Ohm). Dieser Widerstand dient dazu, bei einer bestimmten Belastung einen Spannungsabfall zu erzeugen. Es entsteht also eine Spannungsdifferenz zwischen der Eingangsspannung und der Spannung am Eingang des MOSFET.
Wenn Strom durch die Last fließt, entsteht an diesem Widerstand eine kleine Spannung, die proportional zur Stromstärke ist (Ohmsches Gesetz: U = R × I).
Und diese Spannung wird von einem Komparator im NE555 überwacht.
Vergleich der Spannung mit einer Referenz (4V-Schwelle)
Der NE555 enthält zwei Komparatoren, die Spannungen vergleichen. Ein Spannungsteiler, hier bestehend aus den Widerständen R2 und R3 sowie dem Poti P1, sorgt dafür, dass der invertierende Eingang des Komparators eine bestimmte Spannung erhält.
Solange die Spannung über dem Shunt-Widerstand einen bestimmten Wert überschreitet, bleibt der Ausgang des Komparators inaktiv und der MOSFET leitet den Strom zur Last. Da es sich beim hier verwendeten MOSFET IRF9Z34 um einen P-Channel-MOSFET handelt, schaltet dieser den Laststrom bei positiver Ansteuerung ab.
Überschreitet der Strom über den Lastwiderstand R1 also einen bestimmten Grenzwert, wird der MOSFET abgeschaltet, die elektronische Sicherung löst aus. Das geschieht folgenderemaßen:
- Falls die Last zu viel Strom zieht (zum Beispiel wegen eines Kurzschlusses am Ausgang der Schaltung), steigt der Spannungsabfall über dem Shunt-Widerstand.
- Dadurch sinkt auch die Spannung am invertierenden Eingang des Komparators.
- Der Komparator aktiviert das Flip-Flop im NE555, wodurch der MOSFET abgeschaltet wird.
- Die Stromzufuhr zur Last wird unterbrochen, und der Überstromschutz ist aktiv. Die LED zeigt den Kurzschluss optisch an, sofern sie verwendet wird.
Manuelles Zurücksetzen per Reset-Taste
- Um die Sicherung zurückzusetzen und den Stromfluss wieder zu aktivieren, gibt es eine Reset-Taste.
- Durch Drücken dieser Taste lässt sich das Flip-Flop zurücksetzen und der Ausgang des 555 auf Low setzen, sodass der MOSFET wieder durchschaltet.
- Die Schaltung arbeitet dann wieder normal, bis der Strom erneut zu hoch ansteigt.
Die Schaltung bietet einen schnellen Schutz vor Überstrom, da der NE555 mit hoher Geschwindigkeit reagiert. Es ist eine wiederverwendbare Sicherung, im Gegensatz zu klassischen Schmelzsicherungen.
Mit dem Potentiometer lässt sich die Reaktion auf einen Überstrom anpassen. Dank der MOSFET-Schaltung entstehen nur geringe Verluste, sodass auch kaum Wärme entsteht. Lediglich der Lastwiderstand kann bei entsprechender Belastung Wärme erzeugen, da hier eine gewisse Leistung in Wärme umgewandelt wird.
Der NE555 in der Pulsweitenmodulation
Einer der häufigsten Verwendungszwecke desTimer 555 ist die Pulsweitenmodulation (PWM). Mit dem Timer-Chip lassen sich Steuersignale für Motoren und andere Verbraucher erzeugen, um deren Geschwindigkeit oder Helligkeit zu regeln.
PWM ist ein Verfahren zur Steuerung der Leistung von elektrischen Verbrauchern wie Motoren, LEDs oder Heizelementen.
Statt die Spannung kontinuierlich zu ändern, erzeugt die PWM kurze Spannungsimpulse. Diese Impulse haben eine einstellbare Breite, daher der Name „Pulsweitenmodulation“. Durch die Änderung der Pulsbreite lässt sich die Leistung für den Verbraucher steuern.
Der NE555 ermöglicht diese PWM-Steuerung, indem er einen der grundlegenden Betriebsmodi, den sogenannten „Astabilbetrieb“, verwendet. In diesem Modus erzeugt der NE555 eine kontinuierliche Abfolge von rechteckigen Impulsen, bei denen die Dauer der „An“-Phase und der „Aus“-Phase unabhängig voneinander einstellbar ist.
PWM mit dem NE555
Die PWM-Schaltung mit dem NE555-Timer-IC nutzt den Baustein als astabile Kippstufe, um ein pulsweitenmoduliertes (PWM) Signal zu erzeugen. Mehr zum NE555 als astabile Kippstufe finden Sie im Beitrag über den NE555-Blinker. Doch zurück zu dieser Schaltung:
PWM (Pulsweitenmodulation) ist eine Technik zur Steuerung der Leistung oder Signalstärke, indem man ein digitales Signal mit einer festen Frequenz zwischen Ein (High) und Aus (Low) umschaltet. Der entscheidende Faktor ist das Tastverhältnis (Duty Cycle). Das ist das Verhältnis der Einschaltzeit zur gesamten Periodendauer.
- Ein hohes Tastverhältnis (zum Beispiel 80 Prozent High, 20 Prozent Low) bedeutet eine stärkere Leistungsausgabe.
- Ein geringes Tastverhältnis (zum Beispiel 20 Prozent High, 80 Prozent Low) reduziert die Leistung.
Die Veränderung dieses Tastverhältnisses erfolgt durch eine geschickte Anordnung von Dioden, Widerständen und einem Potentiometer.
In dieser Schaltung lädt und entlädt sich ein Kondensator in einem zyklischen Prozess über verschiedene Widerstände. Diese Lade- und Entladezeiten bestimmen, wie lange der Ausgang des NE555 auf High oder Low bleibt.
Normalerweise sind die Lade- und Entladewege über den gleichen Widerstand definiert, weshalb sich das Tastverhältnis nur schwer unabhängig von der Frequenz verändern lässt.
Um das zu umgehen, wird ein Potentiometer in Kombination mit zwei Dioden eingesetzt. Die Dioden trennen die Lade- und Entladepfade und ermöglichen es, unterschiedliche Widerstandswerte für beide Phasen zu wählen.
- Während der Ladephase, in welcher der Ausgang auf High ist, fließt der Strom über eine Diode und den einstellbaren Widerstand des Potentiometers zum Kondensator.
- Sobald die Kondensatorspannung zwei Drittel der Betriebsspannung erreicht, erkennt der interne Komparator des NE555 diesen Zustand und schaltet den Ausgang auf Low.
- In der Entladephase entlädt sich der Kondensator über eine zweite Diode und einen anderen Widerstandspfad des Potentiometers.
Sobald die Spannung am Kondensator auf ein Drittel der Betriebsspannung fällt, startet der Ladezyklus erneut.
Durch diese Trennung der Lade- und Entladepfade lässt sich das Tastverhältnis unabhängig von der Frequenz variieren. Und dies ermöglicht eine stufenlose Steuerung des PWM-Signals, was besonders nützlich für Anwendungen wie Motorsteuerungen oder LED-Dimmer ist.
Die beiden folgenden Bilder zeigen sehr gut, wie sich das Tastverhältnis flexibel anpassen lässt, ohne dass sich die Frequenz stark verändert. Dadurch eignet sich der NE555 zu einem einfachen, aber leistungsfähigen Baustein zur Erzeugung von PWM-Signalen für verschiedenste Anwendungen.
Suchen Sie noch mehr Infos zum NE555? Diese finden Sie auf der Webseite zum Timer NE555. Am Ende des Beitrags zum NE555-Timer finden Sie auch Links zu vielen weiteren NE555-Schaltungen.
NE555-Datenblatt für verschiedene Gehäuseformen (alldatasheet.com).
Infos zur Leuchtdiode und deren Verwendung finden Sie auf der Webseite über LED-Schaltungen.
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