Piepser mit integriertem Schaltkreis 555

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Piepser mit integriertem Schaltkreis 555

Die Schaltung
Die Bauteile

Timer 555
Die IC-Fassung
Die Kondensatoren
Der Lautsprecher
Die Widerstände
Die Bauteilliste

Aufbau der Schaltung
Wie es funktioniert

Innenarchitektur des 555
Typische äußere Beschaltung des 555
Der 555 in unserer Schaltung

Es gibt noch viele andere Lösungen für die Aufgabe, eine LED zum Blinken zu bringen. Daher machen wir hier mal etwas lautstarkes, wir piepsen. Die am häufigsten verwendete Methode zum Piepsen ist ein Integrierter Schaltkreis mit Namen 555. Den gibt es jetzt hier in seiner Standardschaltung.

Die Schaltung

Die Schaltung ist rund um den Timer 555 aufgebaut.

Schaltbild Piepser

Sie piepst auf Tastendruck. Ist die Taste nicht gedrückt, dann zieht der 10k-Widerstand den Reset-Eingang auf Minus, die Tonerzeugung stoppt. Wird die Taste gedrückt, ist der Reset- Eingang mit der Betriebsspannung verbunden und die Tonerzeugung startet. Beim Loslassen der Taste stoppt die Tonerzeugung wieder.

Der Kondensator 22 nF und die beiden Widerstände mit 10 kΩ bestimmen dabei die Tonhöhe.

Der Kondensator 100 nF glättet die obere Vergleichsspannung. Man kann ihn auch weglassen, dann ändert aber eingestreute Wechselspannung die Vergleichsspannung und unser Piepser zittert. Der Kondensator schließt solche Wechselspannung kurz.

Der Ausgang des Timers ist über einen Elko mit 1 µF auf den Lautsprecher geschaltet.

Die Bauteile

Timer 555

Der 555 ist ein integrierter Schaltkreis, englisch "integrated circuit", oder kurz "IC" genannt. Integrierte Schaltkreise sind elektronische Bauteile, die intern aus einer Vielzahl von einzelnen Komponenten (Transistoren, Dioden, Widerständen, usw.) bestehen. Durch das äußere Hinzuschalten von einigen wenigen Komponenten vollführt der integrierte Schaltkreis eine komplizierte Aufgabe.

NE555

Die Innereien eines integrierten Schaltkreises kann der Elektronik-Entwickler meistens ignorieren, solange die Funktion des Schaltkreises bekannt und beschrieben ist. Der integrierte Schaltkreis ist so eine Art "schwarzer Kasten", englisch "black box". Wichtig sind nur seine äußeren Anschlüsse und was daran angeschlossen werden muss, damit die Innereien ihre Aufgabe wie gewünscht erfüllen.

Der 555 hat acht äußere Anschlüsse. Die Pins werden wie immer von unten links nach rechts und weiter oben von rechts nach links durchgezählt.

Pins 555

Die Pins machen Folgendes:

Pin #	Englische Bezeichnung	Deutsche Bezeichnung	Funktion des Anschlusses
1	GND	Negative Versorgungsspannung	Betriebsspannung Minus
2	Trigger	Unterer Schwellspannungssensor	Bei Unterschreitung der unteren Schwellspannung Setzen des Flipflops
3	Output	Ausgang	Ausgangsspannung, hohe oder niedrige Spannung
4	Reset	Rücksetzen	Abschalten (bei niedriger Spannung)
5	Control	Steuerspannung	Manipuliert die obere Schwellspannung
6	Threshold	Oberer Schwellspannungssensor	Bei Überschreitung der oberen Schwellspannung Zurücksetzen des Flipflops
7	Unload	Entladen	Bei zurückgesetztem Flipflop eingeschalteter Transistorausgang
8	VCC	Positive Versorgungsspannung	Betriebsspannung 4,5..15 V Plus

Wie der Schaltkreis genau funktioniert und was die einzelnen Anschlüsse bewirken, ist unten genauer dargestellt.

Die IC-Fassung

Die IC-Fassung kennen wir schon. Wenn wir die Pole ein wenig einbiegen, passt der 555 genau in diese Fassung.

Fassung

Die Kondensatoren

Die beiden Kondensatoren von 22 und 100 nF sehen so aus:

22 nF

Es gibt auch andere Bauformen solcher Kondensatoren.

Der Elko von 1 µF sieht so aus:

Elko 1µF

Wie bei allen Elkos ist hier die Kennzeichnung des Minus-Anschlusses wichtig, weil unser Töpfchen sonst explodieren kann. Die Spannung muss über 9 V liegen, damit sie bei uns korrekt arbeitet.

Der Lautsprecher

So sieht der Lautsprecher von oben und von unten aus:

Lautsprechermembran

So ein Lautsprecher verwandelt elektrische Energie in Luftbewegungen. Macht er das schnell genug, hören wir Töne. Damit er Luft bewegen kann, hat er

eine Membran (hier aus einer Kunststofffolie),
eine bewegliche Spule aus dünnem Kupferdraht (von der Oberseite her zu sehen als rötlicher Ring),
einen starken Magneten (die weiße Fläche in der Mitte).

Fließt Strom durch die Spule, entsteht ein Magnetfeld. Das gleich- oder gegenläufige Magnetfeld des Festmagneten drückt die bewegliche Spule nach außen (eine Stromrichtung) oder zieht sie nach innen (die andere Stromrichtung. Wechselt die Polarität des Stroms im Takt, dann bewegt sich auch die bewegliche Spule im Takt und zieht/drückt die Membranfolie im Takt. Das bewegt dann ein wenig Luft vor- und rückwärts, die bei uns im Ohr als Ton wahrgenommen wird.

Lautsprecher haben eine Polarität. An den beiden Lötstellen sehen wir beim genaueren Hinschauen ein Plus- und ein Minus-Zeichen. Die geben aber nur an, in welcher Richtung die Membran schwingt, wenn wir Gleichstrom durch die Spule jagen. Das könnten wir testen, wenn wir eine 1,5-Batterie an den Lautsprecher anschließen (unsere 9V-Batterie ist dafür zu stark), und dabei die Membran mit dem Finger befühlen. Je nach Anschlussrichtung der Batterie zieht es die Membran nach außen oder nach innen. Unser Ohr nimmt die Schwingrichtung nicht wahr, wir hören nur ein Knacken in dem Moment, in dem wir die Batterie anschließen. Du kannst versuchen, ob Du ein "Vorwärtsknacken" von einem "Rückwärtsknacken unterscheiden kannst.

Damit wir den Lautsprecher verbauen können, löten wir zwei Kabel an die beiden Anschlüsse und an das andere Ende einen zweipoligen Pinstecker.

Lautsprecherstecker

Das passt besser zu unserem Experimentierboard als die nackten Drähte.

Die Widerstände

Alle drei Widerstände haben 10 kΩ. Sie sehen so aus:

Widerstand 10k

Ein brauner (1), zwei schwarze (0) und zwei weitere Nullen wegen des roten Rings kennzeichnen diese Sorte.

Die Bauteilliste

Die Bauteile sind vom Versandhandel Reichelt oder beim Versandhandel Conrad erhätlich.

Aufbau der Schaltung

Als erstes platzieren wir den 555. Die beiden Reihen liegen wieder auf zwei Seiten der Rinne, damit die acht Pins einzeln bleiben. Die Einbuchtung des IC kommt nach links. Zwei der drei Widerstände platzieren wir darüber, so dass Pin 6 mit Pin 7 und ein Loch außerhalb verbunden mit den beiden sind.

Aufbau 1

Die Verdrahtung der Betriebsspannung des IC und des Widerstands zu Pin 7 zeigt dieses Bild:

Aufbau 1

Von Pin 4 brauchen wir noch eine Brücke zur Nachbarspalte (B4 zu B3).

Aufbau Brücke

Nun kommen die Kondensatoren dran. Oben an Pin 5 kommt der 100nF-Kondensator. Seine andere Seite kommt an das Betriebsspannungs-Minus. Der 22nF-Kondensator kommt etwas schräg an Pin 1 und Pin 2. Von Pin 2 kommt noch eine Verbindung zu Pin 6 (roter Draht). Von Pin 3 (Ausgang) geht eine Verbindung zum Pluspol des 1µF-Elkos.

Aufbau Kondensatoren

Pin 1 wird mit der unteren Betriebsspannungs-Minus-Schiene verbunden. Der Lautsprecher (rot-weiße Zwillingslitze) kommt rechts an den Minuspol des 1µF-Elko, die andere Lausprecherseite wird mit Minus an der unteren Betriebsspannungsschiene verbunden (gelber Draht). Die beiden Betriebsspannungsschienen oben und unten werden verbunden (orange Draähte). Zum Schluss wird der Taster an Pin 4 und die Minusleitung angeschlossen.

Aufbau komplett

Wenn alles noch mal anhand des Schaltbilds kontrolliert ist, kann jetzt die Betriebsspannung angelegt werden. Erst wenn der Taster gedrückt wird, müsste ein durchdringender Ton aus dem Lautsprecher zu hören sein.

Wie es funktioniert

Innenarchitektur des 555

Das hier ist die etwas kompliziert aussehende Innenarchitektur des 555.

Innenaufbau 555

Integriert sind:

drei gleich große Widerstände R1 .. R3, die die Betriebsspannung in zwei Teilspannungen von 1/3 und 2/3 zerteilen, bei 9V Betriebsspannung also +3V und +6V,
zwei Operationsverstärker, die die Spannung an den Pins 2 und 6 mit diesen Teilspannungen vergleichen,
einer Kontrolllogik, die insbesondere aus einem Flipflop besteht,
der Ausgangstreiberstufe, die den Zustand des Flipflops nach außen zur Verfügung stellt und sowohl Strom liefert (Ausgang = niedrig) als auch Strom zieht (Ausgang = hoch),
einem Transistor, der bei gesetztem Flipflop leitend geschaltet wird und dessen Kollektor nach auß verfügbar ist (Entladeausgang).

Typische äußere Beschaltung des 555

Wie in unserer Piepserschaltung sind die beiden Eingänge Trigger und Threshhold an einen Lade-/Entlade-Kondensator angeschlossen. Über zwei Widerstände wird der Kondensator aus der Betriebsspannung geladen und über den unteren der beiden wieder entladen.

Timer Simulation

Bei dieser Simulation sind ein Kondensator von 10µF und zwei Widerstände von 10 und 100 kΩ angeschlossen. Die Betriebsspannung liegt bei 9 V.

Zu Beginn ist der Kondensator entladen, seine Ladung erfolgt über die beiden Widerstände aus der Betriebsspannung. Die LED ist eingeschaltet.

Das Bild zeigt den zeitlichen Ablauf nach dem Einschalten der Schaltung. Die Ausgangsspannung an Pin 3 des IC ist in blauer Farbe dargestellt, sie bewegt sich rechteckförmig zwischen Null Volt und der Betriebsspannung. So was bezeichnet man auch als "Rechteckspannung".

Die rote Kurve zeigt die Spannung am Kondensator. Sie beginnt bei Null Volt (Kondensator vollständig entladen) und steigt in einer etwas krummen Kurve bis auf 6 V an, zu Beginn etwas steiler, zum Ende hin etwas langsamer. Wird die obere Schwellspannung von 6 V erreicht, dann

kippt der Flipflop auf niedrige Spannung um,
die Ausgangsspannung des IC (blaue Kurve) geht auf Null,
der Entladetransistor wird angeschaltet, und
entlädt den Kondensator über den Widerstand von 100 kΩ langsam wieder.

Das Bild zeigt wie die Entladung funktioniert. Der Entladetransistor entlädt sowohl den Kondensator (über den 100k-Widerstand) als auch nimmt er den Strom auf, der über den 10k-Widerstand zur Betriebsspannung flieüt und verhindert so die Aufladung des Kondensators.

Die dann folgende Entladekurve ist zu Beginn etwas steiler, zum Ende hin wieder weniger steil. Unterschreitet die Spannung am Kondensator die untere Schwellspannung von 3 V, dann wird der Flipflop wieder "getriggert", er schaltet um, sein Ausgang und auch der Ausgang am IC an Pin 3 wird auf hohe Spannung umgeschaltet.

Die Zeitdauer der beiden Impulse liegt in dieser Schaltung etwa bei 0,7 s AN plus 0,7 s AUS. Die beiden Impulse sind also etwa gleich breit.

Timer Simulation hoch

Das passiert, wenn wir statt des 10 kΩ-Widerstands einen mit 100 kΩ einsetzen. Die Entladedauer bleibt mit 0,7 s etwa gleich, weil beim Entladen der Widerstand von 100 kΩ die Entladung bremst. Da beim Laden aber 100 + 100 Ω = 200 kΩ den Ladestrom bremsen und die Aufladung daher langsamer vor sich geht als im ersten Fall, dauert die Ladephase mit etwa 1,4 Sekunden fast doppelt so lang. Die Ausgangsspannung ist jetzt nicht mehr symmetrisch, die Hochphasen dauern länger als die Tiefphasen.

Der 555 in unserer Schaltung

Mit anderen Bauteilen (größere oder kleinere Widerstände oder Kondensatoren lassen sich fast beliebig lange und kurze Signale erzeugen. Bei einer Vergrößerung des Kondensators auf das 10-fache (100 µF) wird ein zehnfach langsameres Signal, bei einem Verkleinern auf ein Zehntel (1 µF) ein zehnfach schnelleres Signal erzeugt. Dasselbe gilt für die Widerstände.

In unserer Schaltung verwenden wir als Kondensator 22nF und zwei 10k-Widerstände. Das Bild zeigt die Kurven, die sich daraus ergeben.

Kurve NF

Die Zeiten sind jetzt viel kürzer geworden. Eine Schwingung dauert jetzt von 0,0005 bis 0,0009 Sekunden, also 0,0004 Sekunden. Um die Anzahl Schwingungen zu berechnen, die in einer Sekunde ablaufen, wird einfach der Kehrwert gebildet, 1 / 0,0004. Das gibt 2.500 Schwingungen pro Sekunde, oder kurz 2.500 Hz (nach Heinrich Hertz). Das ist schon eine Menge, aber unser Ohr hört noch viel mehr Schwingungen (bei jungen Menschen bis ca. 18.000, bei alten bis ca. 12.000 Hz). Hunde hören noch höhere, Fledermäuse die höchsten Töne (ca. 40.000 Hz).

Die Anzahl Schwingungen pro Sekunde bezeichnet man als Frequenz, abgekürzt mit dem Zeichen f. Mit der Formel
f = 1.100.000 / R / C (C in nF, R in kΩ als Summe beider)
können wir die Anzahl Schwingungen pro Sekunde bei anderen Kombinationen ausrechnen. Mit der Formel
R = 1.100.000 / f / C / 2
kriegen wir die Widerstände heraus, um eine ganz bestimmte Frequenz zu erzeugen, z. B für den Kammerton A mit f = 440 Hz und einem Kondensator mit 100nF:
R = 1.100.000 / 440 / 100 / 2 = 12,5 kΩ
Leider gibt es keine 12,5k-Widerstände zu kaufen, nur 12,4 oder 12,7. Da unser Kondensator von 100nF aber 10% Toleranz hat, also zwischen 90 und 110nF haben kann, brauchen wir gar nicht erst versuchen, den genauen Widerstand zu finden. In der Praxis würden wir einen Widerstand von 10k und einen Trimmer mit 4,7k (im Elektronikerplatt auch kürzer als 4k7 bezeichnet) nehmen, die Frequenz mit einem Frequenzzähler messen und mit dem Trimmer so lange justieren, bis auch ein geübter Musiker den Ton als Kammerton A akzeptiert.

Allerdings sollten die Widerstände nicht größer als 100 kΩ und nicht kleiner als 470 Ω werden, da die Schaltung sonst instabil wird und, bei zu kleinen Widerständen, der Entladetransistor kaputt gehen würde.