NE555 Timer-IC

Hier geht’s um den NE555 Timer, NE555-Blinkerschaltungen, Timerschaltungen und vieles mehr.

NE555-Schaltung auf einem Breadboard — Die integrierte Schaltung NE555 im Einsatz

Der Timer NE555 (oft nur als 555 bezeichnet), ist einer der kleinen und unscheinbaren Helden in der Elektronikwelt.

In diesem Beitrag erfahren Sie mehr über dieses vielseitige Bauteil.

Erfahren Sie, wie es funktioniert und entdecken Sie Anwendungsbeispiele. Hier finden Sie einfache NE555-Schaltungen, die mit nur wenigen gängigen Bauteilen auskommen.

Wenn Sie mitmachen und den NE555 gleich in der Praxis ausprobieren wollen, sehen Sie sich die Beispielschaltungen zum Schalten, Blinken und Tönen weiter unten an.

Bereit, den NE555 näher kennenzulernen?

Und möchten Sie vielleicht sogar einige NE555-Schaltungen aufbauen?

Dann lesen Sie weiter.

Zunächst folgen aber ein paar wichtige Informationen zum Timer 555. Lesen Sie, warum dieses IC so gut wie jeder kennt, der schon einmal elektronische Schaltungen aufgebaut hat.

Inhaltsverzeichnis

Integrierte Schaltungen wie der NE555 machen das Elektronikbasteln einfacher

Im Menü finden Sie weitere Anwendungsbeispiele für das Timer-IC NE555, die ich nach und nach hier veröffentlicht habe. Das sind größtenteils einfach aufzubauende elektronische Schaltungen. Sie lassen Ihnen Freiraum für das Experimentieren und Ausprobieren. Außerdem eignen sie sich zum Entwickeln eigener Schaltungen.

Doch zunächst sollen Sie erfahren, wozu sich der NE555 verwenden lässt. Hier ist ein kleiner Auszug aus den möglichen Anwendungsgebieten des NE555:

Zeitschaltung mit optischem Ausgang
Einstellbare (Kurzzeit-) Schaltuhr
Sensortaste
Akustischer Schalter
Blinker und Lauflicht
Tonsignalgeber
Sirene
Drehzahlsteuerungen für Gleichstrommotoren

Und nun etwas zur Entstehungsgeschichte des NE555.

Wann und wie der NE555 entstanden ist

Entwickelt wurde der Timerbaustein bereits in den Jahren 1970 und 1971 vom Hersteller Signetics. Genauer gesagt von einem Schweizer Ingenieur mit dem Namen Hans R. Camenzind.

Fast wäre es aber gar nicht zur Konstruktion dieses genialen Chips gekommen.

Anfangs war man sich gar nicht so sicher, ob ein spezieller Timerbaustein wie der NE555 überhaupt benötigt würde. Bis dato hat man ähnliche Schaltungen häufig mit Operationsverstärkern aufgebaut.

Außerdem wurde bezweifelt, ob überhaupt ein Markt für spezialisierte ICs bestünde. Und man befürchtete, der NE555 würde den Verkauf der Operationsverstärker mindern.

Der NE555 wurde ein Erfolg

Glücklicherweise wurde die bekannte integrierte Schaltung letzten Endes doch realisiert und auch hergestellt.

Die Massenfertigung begann im Jahre 1972.

Trotz der anfänglichen Skepsis übertraf die Nachfrage nach dem Baustein alle Erwartungen.

Schon im ersten Quartal nach dem Startschuss wurden mehr als in halbe Million Exemplare des NE555 verkauft.

Schließlich begriffen auch die anderen Halbleiterhersteller, dass mit einem solchen Timerbaustein große Gewinne gemacht werden konnten und bauten den NE555 nach.

Etwa ein halbes Jahr nach dem Erscheinen des Originals gab es Kopien des Bausteins bereits von acht verschiedenen Herstellern; zum Teil mit anderen Typenbezeichnungen wie LM555, KA555, SN72555 und MC1455. Sogar in der ehemaligen Sowjetunion wurden Nachbauten hergestellt.

Heute ist der NE555 in zahllosen elektronischen Anwendungen zu finden. Und auch die Elektronikbastler setzen seit vielen Jahren auf den Chip, wenn es um das Steuern von anderen Bauteilen geht.

Die technischen Daten des NE555

Der NE555 ist ein integrierter Schaltkreis, der als Timer oder Oszillator dient.

Seine Grundfunktion besteht darin, Zeitspannen zu generieren oder Signale zu erzeugen. Dabei kann er in verschiedenen Modi arbeiten, darunter als monostabil, astabil oder Schmitt-Trigger. Dies macht den NE555 äußerst vielseitig.

An dieser Stelle möchte ich einige technische Daten zum NE555 nennen:

Betriebsspannung: 4,5 bis 15 Volt
Stromaufnahme bei 5 Volt: 3 bis 6 mA
Stromaufnahme bei 15 Volt: 10 bis 15 mA
maximaler Ausgangsstrom an Pin 3: 200 mA
maximale Frequenz: 500 kHz
Arbeitstemperatur: 0 bis70 °C

Hinweis:

Die technischen Daten der CMOS-Versionen (z. B. ICM7555 o. TLC555) weichen zum Teil ab.

Die verschiedenen Gehäuse und Varianten des NE555

Die integrierte Schaltung mit der Bezeichnung NE555 wurde von Anfang an mit einem DIP-Gehäuse (DIP = Dual in-line package) hergestellt. Anfangs gab es die integrierte Schaltung auch in einem runden Metallgehäuse des Typs TO-78, welches heute allerdings nicht mehr üblich ist. Vereinzelt findet man diese Bausteine aber noch in älteren Geräten aus der damaligen Zeit.

Der NE555 wurde sogar mit Keramikgehäusen hergestellt. Später folgten verschiedene Gehäuse, wie diese für die SMD-Technik (Surface Mounted Device = oberflächenmontierte Bauteile) benötigt wurden. Die entsprechenden Gehäusebezeichnungen lauten SOIC, SSOP und TSSOP.

Werden mehrere NE555 in einer Schaltung benötigt, gibt es auch integrierte Schaltungen mit mehreren NE555 in einem Gehäuse. Die Bezeichnung für die integrierte Schaltung mit zwei Timern lautet NE556, die Bezeichnung für die Variante mit vier Schaltungen NE558.

Auch Schaltungsvarianten in der CMOS-Technik wurden auf den Markt gebracht. Diese integrierten Schaltungen lassen sich übrigens genauso einsetzen wie die anderen Exemplare mit der Bipolartechnik, bieten aber den Vorteil eines deutlich geringeren Stromverbrauchs. Allerdings sind die Ausgangsströme der CMOS-Bauteile auch etwas geringer.

Typische Typenbezeichnungen der CMOS-Bauteile lauten LMC555, ICM7555 oder TLC555. Auch Varianten mit zwei Timerschaltungen in einem Gehäuse sind mit CMOS-Technik erhältlich, so beispielsweise der Baustein mit der Bezeichnung ICM7556.

NE555 Anschlussbelegung und die Funktionen der einzelnen Anschlüsse

Der NE555 ist ein vielseitig einsetzbarer Timer-IC mit acht Anschlüssen. Hier eine einfache und leicht verständliche Übersicht der einzelnen Pins und ihrer Funktionen:

GND (Masse): Dieser Pin stellt die Verbindung zum negativen Pol der Versorgungsspannung her und dient als Bezugspunkt für alle Spannungen im Timer 555.
TRIG (Trigger): Ein externer Impuls an diesem Eingang, der unter ein Drittel der Versorgungsspannung fällt, startet den Timer und setzt den Ausgang auf HIGH.
OUT (Ausgang): Hier wird das Steuersignal ausgegeben. Der Pegel wechselt zwischen HIGH und LOW entsprechend der internen Steuerung des Timers. Über einen WIderstand lässt sich eine LED ansteuern.
RESET (Zurücksetzen): Ein LOW-Signal an diesem Pin setzt den Timer zurück und bringt den Ausgang auf LOW. Wird dieser Pin nicht verwendet, sollte er mit der Versorgungsspannung verbunden werden, um Fehlfunktionen zu vermeiden.
CTRL (Steuerspannung): Über diesen Anschluss kann die interne Referenzspannung angepasst werden, was die Schwellwerte der Komparatoren beeinflusst. Standardmäßig wird hier ein Kondensator von 10 nF gegen Masse geschaltet, um Störungen zu unterdrücken.
THR (Threshold/Schwelle): Wenn die Spannung an diesem Eingang über zwei Drittel der Versorgungsspannung steigt, wird der Timer zurückgesetzt und der Ausgang geht auf LOW.
DIS (Discharge/Entladung): Dieser Pin ist mit einem internen Transistor verbunden, der es ermöglicht, einen externen Kondensator zu entladen. Dies ist besonders nützlich in Oszillatorschaltungen.
VCC (Versorgungsspannung): Hier wird die Betriebsspannung angelegt, typischerweise zwischen 4,5 V und 15 V, die den gesamten IC versorgt. Zur Sicherheit sollte hier ein Kondensator mit 100 µF gegen Masse angeschlossen werden, am besten nahe am IC.

Der interne Aufbau des Timers 555

Der NE555 besteht aus mehreren elektronischen Bauteilen, die zusammenarbeiten, um ein präzises Zeit- oder Schaltsignal zu erzeugen. Dazu gehören Spannungsteiler, Komparatoren, ein Flip-Flop, ein Entladetransistor und eine Ausgangsstufe. Die folgende Skizze zeigt den internen Aufbau des Timers 555.

Schema vom internen Aufbau des Timerbausteins NE555 mit Anschlussbelegung — Interner Aufbau des Timerbausteins NE555 mit Anschlussbelegung

Der Spannungsteiler als 3 Widerständen als Basis

Im Inneren des NE555 gibt es drei gleich große Widerstände, welche die Betriebsspannung in drei gleiche Teile aufteilen.

Dadurch entstehen bei keiner Außenbeschaltung zwei feste Referenzspannungen:

Eine bei einem Drittel der Betriebsspannung und eine bei zwei Dritteln der Betriebsspannung.

Diese Referenzwerte werden später verwendet, um zu entscheiden, wann der Ausgang des Timers ein- oder ausgeschaltet wird.

Die Komparatoren als elektronische Vergleicher

Der NE555 enthält zwei sogenannte Komparatoren (Vergleicher). Diese Bauteile vergleichen die Eingangsspannung mit den festen Referenzspannungen.

Der erste Komparator überwacht den sogenannten Trigger-Eingang. Wenn die Spannung dort unter ein Drittel der Versorgungsspannung fällt, schaltet er den Timer ein.
Der zweite Komparator überwacht den Threshold-Eingang. Wenn die Spannung dort über zwei Drittel der Eingangsspannung am Spannungsteiler ansteigt, schaltet er den Timer wieder aus.

Diese beiden Vergleicher sind also dafür verantwortlich, wann der NE555 seinen Ausgang auf „An“ (High) oder „Aus“ (Low) setzt.

Das Flip-Flop speichert den Schaltzustand

Der NE555 enthält eine Art kleinen Speicher, das sogenannte Flip-Flop. Dieses Bauteil merkt sich, ob der Timer gerade aktiviert oder deaktiviert ist.

Wenn der erste Komparator (am Trigger-Eingang Pin 2) ein Signal abgibt, wird das Flip-Flop über seinen Set-Eingang S eingeschaltet – der Ausgang des NE555 wird „High“ (5V oder 12V, je nach Betriebsspannung).
Wenn der zweite Komparator (am Treshold Pin 6) ein Signal abgibt, wird das Flip-Flop über seinen Reset-Eingang R ausgeschaltet – der Ausgang geht auf „Low“ (0V).

Das Flip-Flop sorgt also dafür, dass der NE555 seinen Zustand stabil hält, bis sich etwas an den Eingangssignalen ändert. Es besitzt einen weiteren Reset-Anschluss, der von außen über Pin 4 des 555-Timers ansteuerbar ist.

Der Entladetransistor – Kondensatorsteuerung

Ein weiteres wichtiges Bauteil im Inneren des NE555 ist der Entladetransistor. Dieser wird oft in Verbindung mit einem externen Kondensator verwendet. Wenn der Timer zurückgesetzt wird, leitet der Transistor den Strom vom Kondensator nach Masse, sodass sich der Kondensator schnell entlädt. Er schaltet also immer dann auf Masse durch, wenn der Ausgang des 555 auf Low-Pegel liegt.

Dies ist besonders wichtig für Zeitsteuerungen, denn Kondensatoren entladen sich normalerweise langsamer. Mit dem NE555 kann dieser Prozess genau kontrolliert werden, um präzise Zeitintervalle zu erzeugen.

Die Ausgangsstufe des NE555

Schließlich gibt es noch die Ausgangsstufe. Sie besteht aus Transistoren, die stark genug sind, um eine LED, einen Lautsprecher oder sogar ein kleines Relais anzusteuern. Der Ausgang kann entweder „High“ (Betriebsspannung) oder „Low“ (0V beziehungsweise auf Masse) sein, je nachdem, was das Flip-Flop ausgibt.

Wie funktioniert der NE555 in der Praxis?

Wenn Sie eine Taste oder einen Sensor mit dem Trigger-Eingang verbinden, kann der NE555 bei einer bestimmten Spannung den Ausgang aktivieren. Mit einem Kondensator und zwei Widerständen können Sie zudem die Zeit bestimmen, die der Ausgang auf „High“ oder „Low“ bleibt.

Das ist besonders nützlich für:

Blinklichter (zum Beispiel eine LED, die in regelmäßigen Abständen leuchtet)
Signalgeneratoren (zum Beispiel für einfache Summer oder Alarme)
Zeitschalter (zum Beispiel eine Schaltung, die eine Lampe für eine gewisse Zeit anschaltet und dann automatisch wieder ausschaltet).

Schaltungen mit dem NE555

Kommen wir nun zu den praktischen Anwendungen für den Timer 555. Ein paar davon haben Sie dem Namen nach bereits am Anfang des Beitrags kennengelernt. Hier sind noch einige weitere Anwendungsmöglichkeiten.

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.

Der NE555 als Tonsignalgenerator

Da der Timer 555 periodische Impulse erzeugen kann, ist er auch für die Generierung von Tonsignalen geeignet. Durch die Variation der Frequenz und der Pulsweite dieser Impulse können Sie Töne unterschiedlicher Art erzeugen, auch mit mehreren Timer-ICs im Zusammenspiel.

Sie können den NE555 verwenden, um verschiedene Tonhöhen zu erzeugen. Durch Anpassen der Widerstände und Kondensatoren im Schaltkreis können Sie die Frequenz und damit die Tonhöhe steuern. Eine einfache Schaltung dafür finden Sie weiter unten in diesem Beitrag.

LED-Blinker mit dem NE555

Die meisten von uns haben den Timerbaustein 555 in Form von Blinklichtern gesehen. Dies ist eine der klassischen Anwendungen. Natürlich geht das nicht nur mit LEDs. Wenn Sie wollen, können Sie auch Glühlampen blinken lassen, also einen NE555-Blinkgeber aufbauen.

Auch dazu finden Sie weiter unten Schaltungen für Blinker und Wechselblinker mit LEDs.

Weitere Anwendungen sind:

Schalten und Steuern
im Modellbau
in der Elektronikausbildung

Warum ist der Timer 555 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

Auch für Elektronik-Anfänger geeignet

Ein weiterer entscheidender Faktor für die Beliebtheit des NE555 ist seine Benutzerfreundlichkeit. Selbst für Anfänger in der Elektronik ist der NE555 relativ leicht zu verstehen und zu verwenden. Die grundlegenden Betriebsmodi und Schaltungskonzepte sind einfach zu erlernen, und es gibt zahlreiche Ressourcen, Schaltpläne und Tutorials, die den Einstieg erleichtern. Dies macht den NE555 zu einer ausgezeichneten Wahl für Bildungszwecke und als Einstieg in die Welt der Elektronik.

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:

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.

Die 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.

NE555 als Spannungswächter — NE555 als Spannungsüberwachung. Bei niedriger Spannung wird Pin3 aktiviert

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.

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.

Schaltbild Pulsweitenmodulation (PWM) mit dem NE555

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.

Pulsweitenmodulierte Signale aus einem NE555 auf dem Oszilloskop, links kurze, rechts lange Impulsdauer

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Fotos und Texte in dieser Rubrik: Gerd Weichhaus

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