IC 555에 대해 알아봅시다

[덤보]

IC 555에 대해 알아봅시다.

IC 555는 단일 칩 타이머로, 최소의 외부 부품과 연결하여 펄스 신호 발생, 시간 조정 회로등으로 사용되어지고,

다양한 타이밍 펄스를 발생시키는 소자로 외부 트리거 신호에 의한 단안정 멀티바이브레이터를 구성하기 위해

개발된 소자랍니다.

IC 555와 같이 구성된 회로에서 생성되는 타이밍 펄스는 IC 555와 연결되는 저항값과 케패시터 값을 이용해

펄스 타이밍 값을 조정 할 수 있는데, 동작 시간은 수 uSec에서 수10분까지 조정이 가능하고, 전원변동에 대한

동작시간 변동은 0.01%/V이고, 온도변동은 50ppm/℃로, 아주 우수한 안정도를 가지고, 출력전류는 최대 200mA 까지

얻어지므로 릴레이, 램프 등을 직접 드라이브 할 수 도 있답니다.

또한, 동작전원은 단 전원을 사용하고, 동작범위는 5V~15V의 넓은 범위를 허용한답니다.

이러한 IC 555의 내부 구조와 내부 회로는 다음과 같이 구성되어 있는데..

개략적인 설명만 하기로 하고 그냥 눈으로만 이해하시기 바랍니다.

555 타이머 내부 블록도

555 IC의 외형은 Trigger, Threshold, Dischage, Reset, Control Voltage, Output, Vcc, GND의 8핀으로 구성되어 있답니다.

이러한 외부 연결핀과 연결된 내부회로는 어떻게 동작하는지 개략적으로 알아봅시다.

555 타이머 내부 블록도를 보면, 3개의 저항, R1, R2, R3가 공급전원 Vcc와 GND에 직렬로 연결되어 있고,

저항이 연결된 연결점이 비교기(Comparator)와 연결된 것을 알 수 있답니다.

각각의 저항은 공급 전압을 분배하기 위한 회로로, 비교기1의 (+)에는 VR1이, 비교기2 (-)에는 VR2의 분배 전압을 공급하는데,

이 전압은 비교기의 기준전압으로 사용된답니다.

트리거(Trigger)는 비교기2 (-)와 연결되어 있는데, 비교기2는 외부에서 들어오는 입력 전압과 기준 전압을 비교하여

출력을 발생하게 된답니다.

여기서, 트리거 입력 전압이 기준 전압 VR2보다 낮으면 비교기 출력은 “HIGH”, VR2 보다 높으면 “Low” 상태로 출력을

전환 한답니다.

이렇게 발생된 출력은 뒤에 연결되어 있는 플립플롭으로 입력되고, 플립플롭은 비교기 출력에 의해 최종 출력을

외부 Output 단자로 내보내게 되는 것이랍니다.

즉, 비교기 출력이 “High”가 되면 플립플롭의 S 입력이 “High”가 되어 출력 Q는 반전되므로 “High” 상태가 되고,

비교기 출력이 “Low”가 되면 플립플롭의 S 입력이 “Low”가 되어 출력 Q는 반전되므로 “Low” 상태가 된답니다.

따라서, 트리거의 입력전압이 기준전압 VR2보다 작으면 비교기가 동작하여 플립플롭 출력 Q는 “High” 상태가 되고,

기준전압 VR2보다 크면 “Low” 상태가 된답니다.

스레쉬홀드(Threshold)는 트리거와 반대 동작을 하게 되는데, 입력전압이 기준전압 VR1보다 크면 비교기의

출력은 “High” 상태가 되어 플립플롭의 R 입력으로 들어가게 되어 출력 Q는 반전되어 “High” 상태가 되고,

기준전압 VR1보다 작으면 “Low" 상태가 된답니다.

이렇듯 트리거와 스레쉬홀드 입력에 의한 플립플롭의 출력은 외부의 연결 단자로 출력하게 되는데 플립플롭의 출력 Q는

플립플롭 내부 반전기에 의해 반전된 최종 출력을 방전(Dischage) 구동 트랜지스터와 반전 버퍼로 보내어

외부 출력을 발생하게 한답니다.

Dischage 구동 트랜지스터는 IC 555의 외부에 구성되는 저항과 콘덴서로 이루어진 RC회로와 연결되는데, 커패시터(C)에

충전된 전하가 방전 트랜지스터가 “ON” 되면 이 트랜지스터를 통해 방전을 하게 된답니다.

즉, 플립플롭의 최종출력이 “High” 상태가 되면 연결된 트랜지스터의 베이스가 활성화되어 트랜지스터가 “ON” 되고,

외부에 연결된 캐패시터를 방전시키게 된답니다.

Reset은 플립플롭을 초기화시키는 기능을 수행한답니다.

Control Voltage는 선택사항으로 연결하지 않아도 되지만 주변회로와 주변환경(잡음 등)에 의해 영향을 받을 경우를

생각해서 안정화 캐패시터를 연결한답니다.

안정화 캐패시터는 통상 0.1uF 또는 0.01uF의 바이패스 캐패시터를 사용한답니다.

IC 555의 내부 회로(눈으로만 참고하세요....)는 다음과 같답니다.

IC 555의 내부 회로

IC 내부 블록의 동작에 대한 설명은 이렇게 개략적으로 하고, IC 555는 어떤 회로로 사용하는지알아봅시다.

IC 555는 단안정 멀티바이브레이터 회로로 사용하기 위해 개발된 것이지만,

비안정 멀티바이브레이터 회로(astable multivibrator circuit), 단안정 멀티바이브레이터 회로(monostable multivibrator circuit),

쌍안정멀티바이브레이터 회로(bistable multivibrator circuit)로 사용이 가능할 뿐만 아니라, 펄스폭 변조(PWM)회로,

펄스 스위치 변조(PPM) 회로, 펄스 제거 검파기 등, 넓은 사용 용도를 가지고 있답니다.

여기서 비안정 멀티바이브레이터로 사용한 것이 IC 555 발진기이고,

단안정 멀티바이브레이터로 사용한 것이 바로 타이머라고 판단하시면 됩니다.

IC 555의 단안정, 비안정 멀티바이브레이터의 동작 특성을 시작하기에 앞서 트랜지스터 단안정,비안정 멀티바이브레이터를

먼저 이해하시면 IC 555의 단안정, 비안정에 대한 동작특성을 보다 쉽게 이해할 수 있답니다.

그럼 IC 555의 주요 동작 중 단안정 동작특성과 비안정 동작특성에 대해 알아봅시다.

IC 555의 단안정 동작특성

IC 555 단안정 회로는 저항과 커패시터로 구성되어지는데, 이 저항과 캐패시터가 단안정 멀티바이브레이터의

출력 펄스 길이를 결정하게 된답니다.

기본적으로 IC 555의 출력은 “Low” 상태인데, 트리거 신호에 의해 동작이 시작되면 저항과 캐패시터에 의해

출력을 “High” 상태로 유지하고 있다가 일정시간이 지나면 다시 “Low” 상태로 되돌아가게 된답니다.

여기서 트리거 신호는 “High” 상태에서 짧은 시간동안 “Low”로 떨어지는 “Low 트리거 펄스”를 사용하여야 하는데,

이는 IC 555 트리거 입력단의 내부 회로가 “High” 상태를 유지하도록 설계되어 있기 때문이랍니다.

IC 555 단안정 회로

기본적인 IC 555 단안정 멀티바이브레이터는 외부에 저항1개와 캐패시터 1개를 연결하여 회로를 구성하게 된답니다.

외부 회로를 구성하고 있는 저항(R)과 캐패시터(C)는 공급전원 Vcc와 GND에 직렬로 연결되어 있고,

저항과 캐패시터의 연결점이 Dischage와 스레쉬 홀드에 연결되어 있는데, 전원이 공급되고 캐패시터가 충전을 시작하게 되면,

충전된 캐패시터 전위는 스레쉬 홀드 전압으로 이용된답니다.

전원을 투입하고 회로 동작을 살펴보면,

IC 555의 초기 출력은 기본적으로 “Low” 상태이기 때문에 IC 내부 플립플롭의 출력상태는 “High” 상태를 유지하고

있다는 것을 알 수 있답니다.

따라서, 출력과 연결된 discharge의 트랜지스터는 “ON” 상태이므로, discharge와 연결되어 있는 캐패시터는 방전된 상태를

유지하게 되어 IC는 아무런 동작을 하지 않고 대기 상태(Low 상태)를 유지하게 된답니다.

트리거 신호가 인가되면 앞서 블록도의 설명에서와 같이 IC 내부의 비교기 2와 플립플롭이 동작하게 되어 IC 555의 출력은

일정시간동안 “High” 상태로 전환된답니다.(이때 트리거 신호는 블록도에서 설명한 것과 같이, 트리거 입력전압이

기준전압 VR2보다 작아야 한답니다.)

IC 555의 출력이 “High” 상태를 유지하게 되면 discharge의 트랜지스터가 “Off” 되어 전원과 연결된 저항(R)을 통하여

캐패시터(C)가 충전을 시작하게 된답니다.

캐패시터(C)는 저항(R)에 의해 서서히 충전을 하게 되는데, 충전전압이 기준전압 VR1보다 커지게 되면 블록도에서

설명한 것과 같이 비교기 1과 플립플롭이 동작하여 discharge의 트랜지스터를 “ON” 시키게 되고, 캐패시터는 바로

방전되어 기준전압 VR1보다 작아지게 되므로, IC 555 출력은 다시 “Low” 상태로 되돌아 가버리는 동작을 하게 된답니다.

이렇게 개패시터는 공급전압 Vcc의 분배전압 VR1과 VR2 사이에서 충전과 방전을 하게 되는데고,

충전은 지수적인 시간을 갖게 되어 이것으로 IC 555의 출력 펄스폭(시간)을 계산할 수 있게 되는 것이랍니다.

T = 1.1 × (R × C)

T는 펄스폭(시간)을 나타내고, 1.1 이라는 값은 IC 555 설계시 결정되어있는 상수값이랍니다.

트리거입력 단자에 한번의 트리거 신호가 입력되면 IC 555의 출력은 저항과 캐패시터에 의한 충전 시간 만큼 “High"” 출력신호를

내보내다가, 일정시간이 지난 뒤 캐패시터가 방전되어 다시 처음 상태인 “Low” 상태로 되돌아가기 때문에 일정시간을

제어할 수 있는 타이머 기능을 지니게 되는 것이랍니다.

따라서, 단안정 동작 특성을 이용하여 저항과 캐패시터의 값을 변경하면 원하는 시간의 타이머 설계를 할 수 있게 된답니다.

다음은 비안정 동작특성에 대해 알아봅시다.

IC 555의 비안정 동작특성

IC 555 비안정 회로 역시 저항과 커패시터로 구성되어지는데, 단안정과는 달리 2개의 저항과 1개의 캐패시터를 사용한답니다.

IC 555 비안정 회로

외부 회로를 구성하고 있는 저항(RA와 RB)과 캐패시터(C)는 공급전원 Vcc와 GND에 직렬로 연결되어 있답니다.

저항 RA와 저항 RB의 연결점이 Dischage, 저항 RB와 캐패시터 C의 연결점은 스레쉬 홀드와 트리거에 연결되어 있는데,

전원이 공급되면 캐패시터가 충전을 시작하게 되고, 충전된 캐패시터 전위는 스레쉬 홀드 전압으로, 방전된 캐패시터 전위는

트리거 입력 전원으로 이용된답니다.

전원을 투입하고 회로 동작을 살펴보면,

IC 555의 초기 출력은 기본적으로 “Low” 상태이기 때문에 IC 내부 플립플롭의 출력상태는 “High” 상태를 유지하고 있다는

것을 알 수 있답니다.

따라서, 출력과 연결된 discharge의 트랜지스터는 “ON” 상태이므로, discharge와 연결되어 있는 캐패시터는 방전된 상태를

유지하게 되어 있는데, IC 555와 외부 회로를 자세히 살펴보면 트리거 입력이 discharge와 연결되어 있고, 저항 RA와 RB에

의해 Pull-up 되어 있는 것을 알 수 있답니다.

이러한 이유로 전원이 공급되면, 방전된 캐패시터 전위가 기준전압 VR2보다 작아져 바로 트리거 입력단의 비교기를

동작 시켜 discharge의 트랜지스터를 “Off” 시키게 되고, 캐패시터는 저항 RA와 RB를 통해 충전을 시작하게 되어

IC 555가 동작을 시작하게 된답니다.

(또한 캐패시터가 이미 충전되어 있다고 가정하면, 캐패시터 전위가 기준전압 VR1보다 커져 스레시홀드 입력단의 비교기를 동작 시켜 discharge의 트랜지스터를 “ON” 시키게 되고, 캐패시터는 방전을 하게 되어 방전 된 캐패시터 전위가 기준전압 VR2보다 작아지게 되면 트리거를 동작시켜 IC 555가 동작을 시작하게 된답니다.)

저항 RA와 RB를 통해 충전된 캐패시터의 전위가 기준전압 VR1보다 커져 스레시 홀드 입력단의 비교기를 동작시키게 되면

discharge의 트랜지스터가 “ON” 상태가 되어 캐패시터가 방전을 시작하게 된답니다.

여기서 방전 회로구성을 자세히 살펴보면, 저항 RB를 통해 캐패시터가 방전을 하도록 회로가 구성되어 있는 것을 알 수 있답니다.

따라서 캐패시터의 방전은 직렬로 연결된 저항 RB 의해 방전이 서서히 이루어지는 것을 알 수 있답니다.

방전 시간이 지남에 따라 방전된 캐패시터 전위는 기준전압 VR2보다 작아져 트리거 입력단의 비교기를 동작 시켜 discharge의

트랜지스터를 “Off” 시키게 되고, 다시 캐패시터는 저항 RA와 RB를 통해 충전을 시작하게 되어 IC 555는 무한 동작을 하게 되는

비안정 동작을 진행하게 되는 것이랍니다.

이렇게 지수적인 시간을 갖는 캐패시터의 충전과 방전시간에 의해 IC 555의 출력 펄스폭과 주기시간을 계산 할 수 있게 된답니다.

캐패시터의 충전시간에 의한 펄스폭

   T1 = 0.693 × (RA + RB) × C

캐패시터의 방전시간에 의한 펄스폭

   T2 = 0.693 × RB × C

따라서 펄스의 반복 주기 시간은

    T = T1 + T2 = 0.693 × (RA +2RB) × C 가 된답니다.

펄스의 반복주기를 알아내면 발진 주파수를 계산해 낼 수도 있답니다.

발진 주파수는 다음과 같이 계산 한답니다.

F = 1 / T = 1.443 / (RA +2RB) × C

1주기 동안 발생된 펄스의 폭을 주기로 나눈값을 듀티비 또는 듀티 싸이클(duty cycle)이라고 하는데,

이러한 듀티비는 다음과 같이 계산할 수 있답니다.

D = T1 / T = (RA + RB) / (RA + 2RB)

따라서, 저항 RA와 RB를 선택적으로 사용하여 한 주기에 발생되는 펄스폭을 가감할 수 있답니다.

이러한 IC 555의 비안정 동작특성을 이용하여 원하는 주파수 발진회로와 클럭 펄스의 듀티비를 변경하여 사용할 수 있답니다.

[가마니]

555로 이것저것 만들어봤지만 이렇게 자세하게 설명해주시니
제자신이 돌팔이에서 한층 업그레이드 되어
뿌듯합니다.감사합니다.

[시행일자]

20년만에 전공때 봤던 기억을 떠올리게 되었습니다.