Fonctionnement du timer 555

Bonjour!

Aujourd'hui, je vous parlerai d'électronique.

Je vais essayer d'expliquer le fonctionnement du circuit intégré 555

pour que même ceux qui ne connaissent rien de l'électronique

puissent en comprendre son mode d'opération.

Que font les parents quand ils veulent aller au restaurant ou au cinéma?

Ils appellent une gardienne pour venir surveiller les enfants pendant leur absence.

Le circuit 555 fait comme la gardienne d'enfant. Il surveille.

Il surveille le voltage sur la borne positive d'un condensateur

dans le but de maintenir ce voltage entre deux valeurs limites.

Mon image ci-dessous montre un schéma bloc de la circuiterie interne du 555.

À l'intérieur du 555, trois résistances identiques R1, R2 et R3 (en vert)

divisent le voltage d'alimentation en 3 parts égales.

Si on alimente le circuit avec une pile de 9 volts,

chacune des résistances provoquera une chute de tension de 3 volts.

Le but de diviser la tension d'alimentation en 3 parties

est de fournir aux comparateurs CA et CB, deux voltages de référence

qui seront égaux au 1/3 et au 2/3 du voltage d'alimentation.

Chacun des 2 comparateurs a une patte connectée sur un point de référence,

soit 1/3 ou 2/3 de l'alimentation.

L'autre patte de chaque comparateur, soit les broches de connexion 2 et 6,

sont reliées ensemble et connectées juste au sommet du condensateur externe C1.

Le voltage sur le condensateur est variable

alors que les tensions de référence sont fixes.

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Le comparateur CA agit uniquement si le voltage sur C1

descend sous le seuil de 1/3 de la tension d'alimentation.

Quand cela se produit il envoie un pulse à la bascule

pour qu'elle fasse un Reset (Remise à zéro) sur sa sortie.

Le transistor Q1 relié à la sortie de la bascule 

passera alors en mode bloqué arrêtant le passage du courant.

Le condensateur externe C1 peut alors se charger

au travers des résistances externes R1 et R2. 

           -----------------------------------------------------------------

Le comparateur CB agit uniquement si le voltage sur C1

dépasse le seuil de 2/3 de la tension d'alimentation.

Quand cela se produit il envoie un pulse à la bascule

pour qu'elle fasse un Set (Remise à 1) sur sa sortie.

Le transistor Q1 relié à la sortie de la bascule 

passera alors en mode saturé, permettant le passage du courant.

Le condensateur externe C1 est alors court-circuité

et se décharge au travers de la résistance externe R2. 

Mon image ci-dessous montre avec un trait plus gros

le chemin de décharge du condensateur C1.

Le courant part de la masse et va à la borne négative du condensateur.

Mais le courant entre aussi par la broche 1 du 555, passe dans le transistor Q1,

puis dans la résistance externe R2 pour atteindre l'autre borne du condensateur C1.

Les deux bornes de C1 étant au même potentiel électrique,

C1 se décharge au travers de la résistance externe R2.

Tant que le circuit 555 est sous tension,

le cycle charge décharge du condensateur se répète sans fin.

On dit que le circuit oscille, que le circuit est astable,

il n'a pas d'état stable, il oscille continuellement.

L'étage de sortie se compose de plusieurs transistors permettant au 555

de fournir ou d'absorber jusqu'à 200 milliampères sur sa sortie, la broche 3

pour faire clignoter une del ou produire tout autre travail utile.

Pour plus de courant, il faut utiliser sur la sortie, u

n transistor comme le 2N2222, capable de manipuler jusqu'à 800 milliampères.

La sortie (broche 3) est au niveau logique haut quand C1 se charge

et au niveau logique bas quand C1 se décharge.

Autrement dit, sur la broche 3 on retrouve une onde carrée.

Alimenter avec une pile de 9 volts, on aura 9 volts, 0 volt, 9 volts, 0 volt

de façon répétitive tant que le circuit est sous tension.

La durée de temps à un niveau logique haut puis à un niveau logique bas

est déterminée par les valeurs des résistances externes R1 et R2

et bien sûr par la valeur du condensateur externe C1.

Pour la durée de temps au niveau logique haut

la formule est T1 = 0.693 X (R1 + R2) X C1.

Pour la durée de temps au niveau logique bas

la formule est T2 = 0.693 X R2 X C1.

La période est égale à P = T1 + T2.

La période est la durée de temps d'un cycle

(un niveau logique haut + un niveau logique bas).

La fréquence est égale à F = 1/P ou une autre formule est F = 1.44/((R1 + 2R2) X C1).

La fréquence est le nombre de cycle par seconde

(niveau logique haut + niveau logique bas par seconde).

Dans les formules R1 et R2 sont en ohms.

Ainsi pour une résistances de 10 kiloohms, il faut mettre 10000 dans les formules.

Pour C1, son unité est le farad.

Ainsi pour un condensateur de 10 uF,

il faut mettre 0.000010 ou 0.00001 dans les formules.

Maintenant que vous êtes devenu plus familier avec le fonctionnement du 555

voici un petit schéma de son brochage.

La petite encoche au sommet du corps du circuit intégré

est un repère pour permettre de trouver où est la broche 1.

Les broches 1 et 8 servent à l'alimentation électrique du circuit

(de 5 à 15 volts en courant continu).

Si on alimente le circuit avec une pile de 9 volts :

                                    la broche 8 sera connectée sur la borne + de la pile de 9 volts,

                                    la broche 1 sera connectée sur la borne - de la pile de 9 volts.

Les broches 2 et 6 sont les entrées des comparateurs.

                    La broche 2 s'appelle "Déclenchement" car en mode monostable,

                    elle provoque le départ du pulse en sortie.

                    La broche 6 est la patte du comparateur qui détecte

                    quand le voltage sur C1 atteint les 2/3 du voltage de l'alimentation.

                    C'est le seuil maximum de tension

                    que peut atteindre le condensateur externe C1.

La broche 3 est la sortie.

                   C'est sur cette broche qu'on connectera, une del pour la faire clignoter

                   ou un petit haut-parleur pour qu'il produise un son par exemple.

La broche 7 est le chemin de décharge du condensateur externe C1.

La broche 4 permet de stopper l'oscillation du Timer 555.

                 Pour arrêter le 555 d'osciller,

                 il suffit d'amener la broche 4 à 0 volt ou à la masse si vous préférez.

                 Mais normalement

                 cette broche est connectée à V+ (borne positive de la pile)

                 pour permettre au 555 d'osciller.

                Cette broche permet par exemple à un 555

                de contrôler un second 555 en lui permettant d'osciller ou non.

La broche 5 permet de modifier la valeur de tension du seuil maximum

                ce qui modifie la fréquence d'oscillation du 555.

                Exemple, pour faire une sirène, la sortie (broche 3) d'un 555

                est connectée sur la broche 5 d'un autre 555.

                La fréquence du second 555 variera en fonction de l'état logique

                de la sortie du premier 555.

                Le premier 555 aura une fréquence lente de plusieurs secondes

                tandis que le second 555 aura unefréquence très rapide,

                 allant de 500 hertz à 6000 hertz pour faire vibrer un petit haut-parleur

                 cqui produira un son semblable à celui d'une sirène.

N'oubliez pas que le Timer 555 est disponible en version TTL ou CMOS.

La version TTL bien connue est le NE555

et pour la version CMOS, c'est le 7555. (Pour Texas Instruments c'est TLC555.)

L'avantage de la version CMOS est qu'elle est moins gourmande en énergie électrique.

Ainsi un circuit alimenté avec une pile fonctionnera plus longtemps

avant de mettre la pile à plat.

Noter que le circuit Timer 556 est un circuit intégré de 14 broches

qui contient 2 circuits 555. Le Timer 556 est aussi disponible en version TTL et CMOS.

(NE556 pour la version TTL et 7556 pour la version CMOS)

Ci-dessous, le brochage d'un Timer 556 comparé à celui du Timer 555.

Nous avons vu le fonctionnement du Timer 555 en mode astable.

Mais le 555 s'utilise également dans 2 autres modes d'opération,

soit le mode monostable et le mode bistable.

En mode monostable, la sortie est toujours au niveau logique bas.

Mais si un pulse négatif se produit sur la broche 2, la sortie (broche 3)

passe à un état logique haut dont la durée de temps est déterminée

par le temps de charge d'un condensateur au travers d'une résistance.

En mode bistable, il n'y a plus de condensateur. On opère le 555 manuellement disons.

La broche 4 provoque sur la sortie un niveau logique bas quand on l'amène à 0 volt.

La broche 2 provoque sur la sortie un niveau logique haut quand on l'amène à 0 volt.

Je vous ai fait un joli petit dessin ci-dessous qui montre tout cela. 

**********************  Mise à jour *********************

À la suite du commentaire de Hassine, j'ai fait une mise à jour sur le dessin ci-dessus.

Le petit condensateur sur la broche 5

permet d'isoler la broche 5 de toute tension parasite.

Si la broche 5 captait une tension parasite,

cela ferait varier la référence 2/3 ce qui du coup

entraînerait une variation de fréquence du 555.

Ce condensateur est donc une précaution contre

les variations de fréquence du timer 555.

Dans le mode monostable,

on peut toujours mettre un condensateur sur la broche 5 si on le désire. 

Mais ici on a affaire qu'à la durée d'un pulse en sortie sur la broche 3.

En principe, je  ne pense pas que la broche 5  pourrait modifier de beaucoup

la durée de ce pulse si on ne la connectait pas à la masse

à l'aide d'un petit condensateur.

Donc, en mode monostable, le petit condensateur sur la broche 5

ne serait pas nécessaire mais ceux qui veulent en mettre un pour être certain

d'avoir toutes les chances de leur côté peuvent le faire sans problème.

Dans le mode bistable, le 555 est opéré manuellement,

donc un condensateur sur le broche 5 est totalement inutile.

Dans mon dessin, avant que je ne le corrige, j'avais simplement dupliqué

le circuit du 555 en astable et j'avais oublié d'enlever ce petit condensateur

dans les modes monostable et bistable.

Mais même dans le mode astable, lorsque la précision de la fréquence n'est pas

d'une nécessité critique absolue, le 555 fonctionnera bien sans avoir un petit

condensateur sur sa broche 5.

Noter que normalement, la valeur de ce petit condensateur est de 0.01 uF

avec un voltage de fonctionnement supérieure au voltage d'alimentation du circuit.

Exemple : le 555 est alimenté avec une pile de 9 volts,

               on utilisera une petit condensateur de 0.01 uF

              ayant une tension de travail de 12 volts.

Noter que uF signifie microfarad.

Ainsi un condensateur de 1 uF c'est 1/1 000 000 de farad.

En électronique, on utilise des condensateurs

avec des valeurs en uF (microfarad),

en nF (nanofarad) et en pF (picofarad).

micro = 10 exposant -6        1 uF = 0,000 001 Farad

nano = 10 exposant -9         1 nF = 0,000 000 001 Farad

pico = 10 exposant -12         1 pf = 0,000 000 000 001 Farad

Ainsi dire d'un condensateur que sa valeur est 0,010 uF ou bien de 10 nF

c'est en fait deux manières de définir la même valeur.

********************* Fin de la mise à jour ********************************

Finalement un dernier dessin qui montre quelques solutions

pour interfacer le 555 avec le monde extérieur.

Pour de l'information supplémentaire sur les paramètres de fonctionnement d'un 555

taper 555 datasheet dans Google.

Pour bricoler avec le 555, je recommande ce livre

Volume I: Timer, Op Amp, and Optoelectronic Circuits & Projects.

Ce livre contient les 3 premiers mini-notebooks de Forrest M. Mins III 

contenant des petits circuits très intéressants à faire.

Voici une page web qui offre un calculateur pour savoir

quelle fréquence on obtient avec les valeurs de R1, R2 et C1.

Et ici un calculeur pour ceux qui ne connaissent pas encore

leur code de couleur pour identifier la valeur d'une résistance.

Pour assembler vos circuits, sans prendre le fer à souder,

il suffit d'utiliser une plaquette de montage sans soudure.

Sur eBay chercher avec le terme solderless breadboard. 

Mise à jour ---> Suite au commentaire de Gregory, j'ai fait un post

                                     qui donne des informations supplémentaires 

                                     sur les comparateurs et la sortie du 555.

Voici un lien vers un fichier PDF du livret 555 Timer IC Circuits de Forrest M. Mims.

Mes amis!

Bon bricolage!

À la prochaine!