Schéma de base : NE555 en horloge et caractéristiques

Le NE555 circuit de base de temps est très employé dans nos projets de fabrications, je vous propose quelques schémas et calculs simples associés. Le schéma d'application typique en astable est celui du schéma ci-contre. La valeur de la fréquence d'oscillation en sortie S dépend des composants C1, R1, R2
Caractéristiques principales et brochage ci-contre

Fiche de caractéristiques disponible sur le site MOTOROLA au format PDF

Plage d'alimentation courante de 5 à 15 V
Compatible TTL
Sortie pouvant fournir ou drainer un courant jusqu'à 100 mA. Pmaxi = 600 mW
Fréquence maxi supérieure à 500 Khz

 Chronodiagrammes
Sur la sortie S et aux bornes du condensateur A on trouve les signaux suivants

Les temps se calculent à l'aide des formules :
t1 = 0,7 x ( R1 +R2 ) x C 
t2 = 0,7 x R2 x C
T = t1 + t2

Schéma d'application simple

NE555

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NE555 dans un boitier dual inline

NE556, version double du 555

Le NE555 (plus couramment nommé 555) est un circuit intégré utilisé pour la temporisation ou en mode multivibrateur. Le NE555 a été créé en 1970 par Hans R. Camenzind et commercialisé en 1971 par Signetics. Ce composant est toujours utilisé de nos jours en raison de sa facilité d'utilisation, son faible coût et sa stabilité. Un milliard d'unités sont fabriquées par an.

Le NE555 contient 23 transistors, 2 diodes et 16 résistances^[1] qui forment 4 éléments :

• deux amplificateurs opérationnels de type comparateur ;
• un amplificateur opérationnel de type inverseur ;
• et une bascule SET-RESET.

Le NE555 peut fonctionner selon trois modes : monostable, astable ou bistable.

Historique [modifier]

Hans R. Camenzind cultivait l'idée de concevoir un circuit intégré permettant de capturer un signal électrique en utilisant une boucle à verrouillage de phase. Il a eu cette idée à l'époque où il travaillait pour la compagnie PR Mallory. Cependant, l'entreprise n'étant pas intéressée par la commercialisation des produits de leurs recherches sous forme de circuits intégrés, Camenzind quitta Mallory pour Signetics. Lors de son entrée à Signetics, il conçut deux circuits intégrés basés sur ce concept qui sont devenus le 565 et le 566. Ces deux composants nécessitaient pour leur fonctionnement un oscillateur simple et stable et peu de composants externes pour les configurer. C'est cet oscillateur qui devint la base du NE555 en lui ajoutant les fonctionnalités d'amorçage et d'arrêt. Signetics commercialisa le 555 en 1971 qui devint rapidement un des circuits intégrés parmi les plus populaires jamais construits.^[2]

Brochage [modifier]

Symbole schématique du 555

Le NE555 existe aussi en version double avec l'appellation NE556. La table suivante présente les broches présentes sur la version simple dans un boitier DIP. Les autres boitiers utilisent les mêmes noms de broches^[3].

« NE555 » est le nom originel du composant proposé par Signetics. De nombreux fabricants ont proposé ce composant avec une compatibilité du brochage, et un préfixe différent. Aujourd'hui les versions CMOS de ce composant (tel que le MC1455 de Motorola) sont le plus souvent utilisées^[4].

Principe de fonctionnement [modifier]

Schéma bloc simplifié du NE555

On peut voir à partir du schéma bloc les différents composants du NE555, soit :

• 2 comparateurs
• 3 résistances configurées en diviseur de tension. Les deux tensions respectivement de 1/3 et 2/3 de Vcc servent de références aux comparateurs.
• 1 bascule SET-RESET contrôlée par les comparateurs
• 1 inverseur
• 1 transistor pour décharger le condensateur de temporisation

L'opération du 555 suit la logique de fonctionnement du schéma bloc présenté et peut prendre 4 états différents.

• Le signal RESET est à un niveau bas : La bascule est remise à zéro et le transistor de décharge s'active la sortie reste impérativement à un niveau bas. Aucune autre opération n'est possible.

• Le signal TRIG est inférieur à 1/3 de VCC : la bascule est activée (SET) et la sortie est à un niveau haut, le transistor de décharge sont désactivés.

• Le signal THRES est supérieur à 2/3 de VCC : la bascule est remise à zéro (RESET) et la sortie est à un niveau bas, le transistor de décharge s'activent.

• Les signaux THRES et TRIG sont respectivement inférieurs à 2/3 de VCC et supérieurs à 1/3 de VCC : la bascule conserve son état précédent de même que pour la sortie et le transistor de décharge.

Ces états sont résumés dans le tableau suivant :

Opération monostable [modifier]

Diagramme schématique du NE555 en configuration monostable non redéclenchable

L'utilisation du NE555 en configuration monostable permet de générer une impulsion d'une durée définie seulement à l'aide d'une résistance et d'un condensateur comme illustrée dans le schéma ci-contre. Une impulsion est engendrée suite à l'application d'un front descendant à l'entrée du circuit, le graphique ci-dessous présente les formes d'ondes résultantes.

Immédiatement après l'application du front descendant la bascule interne est activée ainsi que la sortie. Du même coup, le transistor de décharge est désactivé permettant au condensateur C de se charger à travers la résistance R. La forme d'onde aux bornes du condensateur est celle d'un circuit de premier ordre RC face à un échelon de tension, c'est-à-dire une exponentielle croissante. Lorsque cette exponentielle atteint une valeur égale à deux tiers de la tension d'alimentation Vcc, la bascule interne est désactivée ramenant la sortie et le condensateur à zéro. La durée de l'impulsion t_w est donnée par la formule suivante :

On trouve également le schéma du 555 en monostable redéclenchable, qui est à l'identique excepté la pin 4 Reset reliée au trigger : à chaque impulsion d'entrée le timer est réinitialisé même si l'impulsion précédente n'est pas terminée.

[ Dérouler ]

Développement

Forme d'onde du NE555 en configuration monostable

La courbe de charge du condensateur est donnée par la formule suivante, voir circuit RC :

Puisque la charge du condensateur commence à t=0, il suffit de résoudre l'équation précédente pour t :

La durée de l'impulsion est égale au temps nécessaire pour que le condensateur atteigne le 2/3 de la valeur de Vcc donc :

Ce qui se simplifie à :

Opération astable [modifier]

Diagramme schématique du NE555 en configuration astable

La configuration astable permet d'utiliser le NE555 comme oscillateur. Deux résistances et un condensateur permettent de modifier la fréquence d'oscillations ainsi que le rapport cyclique. L'arrangement des composants est tel que présenté par le schéma ci-contre. Dans cette configuration, la bascule est réinitialisée automatiquement à chaque cycle générant un train d'impulsion perpétuelle comme ci-dessous.

Une oscillation complète est effectuée lorsque le condensateur se charge jusqu'à 2/3 de Vcc et se décharge à 1/3 de Vcc. Lors de la charge, les résistances Ra et Rb sont en série avec le condensateur, mais la décharge s'effectue à travers de Rb seulement. C'est de cette façon que le rapport cyclique peut être modifié. La fréquence d'oscillations f ainsi que le rapport cyclique α suivent les relations suivantes :

[ Dérouler ]

Développement

Forme d'onde du NE555 en configuration astable

Rappelons la formule développée dans la section précédente :

Puisque la durée du niveau haut t_H est la période ou le condensateur se charge de 1/3 de Vcc jusqu'a 2/3 de Vcc nous avons :

En regroupant :

Donc :

Puisque la décharge ne se fait que par la résistance R_b l'équation pour t_L est :

À partir de ces deux équations, il est possible de déduire la fréquence ainsi que le rapport cyclique de la façon suivante :

Applications [modifier]

Le circuit 555 est encore utilisé dans le milieu de l'éducation. On le trouve également dans des montages simples nécessitant peu de composants et une conception rapide (clignotement de DELs, mesure de température)^[5].