Der 555-CMOS-Timer als Impulsbreitenmodulator zur Steuerung eines kleinen DC-Ventilators

Die Impulsbreitenmodulation, auch Pulsweitenmodulation (PWM) genannt, ist ein beliebtes Thema im Forum des Elektronik-Kompendium und dies hauptsächlich in Verbindung mit dem 555-Timer-IC. Ich nahm dies zum Anlass, die PWM-Schaltung mit der moderneren CMOS-Version LMC555 (TLC555) zu untersuchen. Diese CMOS-Version ist schon deshalb interessant, weil ein Rechteckgenerator mit nur einem Widerstand und einem Kondensator besonders einfach zu realisieren ist. Die PWM-Erweiterung besteht im Wesentlichen darin, den Widerstand durch ein Potmeter zu ersetzen und dass mittels zweier Dioden der Lade- und Entladestrom des Kondensators getrennte Wege fließen. Die Herleitung vom einfachen zeitsymmetrischen Rechteckgenerator bis zur PWM-Schaltung wird in diesem Elektronik-Minikurs schrittweise mit vier Bildern anschaulich erklärt. Mit dem vierten Bild wird zugleich eine praktische Anwendung gezeigt, zu lesen im Kapitel DIE PWM-SCHALTUNG FÜR DEN TISCHVENTILATOR.

Und so kam die Motivation zustande:

Eine Elektronik-Discount-Kette in der Schweiz vertrieb einen kleinen batteriebetriebenen Tischventilator für nur 15 Franken. Die Betriebsspannung ist 6 VDC. Die Spannungsquelle besteht aus vier 1.5V-Batterien des Typs AA. Einen solchen Ventilator kaufte ich, weil ich wissen wollte, wieviel Leistung er verbraucht und damit, mit welcher Lebensdauer der vier Batterien zu rechnen ist. Es sind wenige Stunden. Für mein Umweltbewusstsein ist es unverantwortlich ein solches Massenprodukt überhaupt herzustellen und zu vertreiben. Das ist heute nicht mehr opportun, umweltethisch betrachtet, außer man setzt zumindest wiederaufladbare Akkus ein. Dies veranlasste mich, für interessierte ELKO-Leser eine am 230VAC-Netz betriebene PWM-Schaltung mit einem LMC555 (TLC555) und einem Power-MOSFET zu realisieren. Dies ist die Schaltung in Bild 4. Es brauchte dann noch einen kleinen Trick, damit der Ventilator bei niedriger Einstellung der Geschwindigkeit sicher startet. Ein kleiner NPN-Transistor und ein paar passive Teile sorgen dafür, dass beim Einschalten der PWM-Schaltung kurzzeitig der Tastgrad des Rechtecksignales so groß wird, damit der Ventilator sicher anläuft. Warum Tastgrad und nicht Tastverhältnis wird auch erklärt.

Genau der selbe Ventilator ist nicht mehr erhältlich. Es geht aber auch mit jedem andern mit einer Betriebsspannung von 6 VDC und einem Strom von etwa 1A. Für andere Spannungen und Ströme ist es dem kundigen Leser überlassen, selbst die nötigen Modifikationen vorzunehmen.


555-CMOS-Impulsbreitenmodulator mit Strombegrenzung. Power-LED-Anwendung, eine kritische Betrachtung…

Das Studium dieses Elektronik-Minikurses setzt die Kenntnis eines andern voraus und davon liest man in der Einleitung…

Einige der ELKO-Leser mögen sich noch an die Diskussionen im ELKO-Forum zurück erinnern, als eine NE555-Schaltung in der Funktion als PWM-Generator und eine Leistungsstufe mit einem MOSFET zum Treiben einer Power-LED im Fokus stand. Zwecks Steuerung (Dimmen) einer Power-LED, kommt naturgemäss auch eine Strombegrenzung zum Einsatz. Der Versuch dies mit einem LM317 als Stromquellenschaltung, eingeschlauft in den LED-Stromkreis, zu realisieren, scheiterte wegen der hohen Flankensteilheit des PWM-Signals, weil die Reaktionsträgheit des LM317 zu gross ist. Es funktionierte dann auch nicht so richtig, als man die eigentlich richtige Lösung anstrebte, nämlich mit einem Shuntwiderstand im Sourcekreis des Power-MOSFET und einem NPN-Transistor, der die Gate-Source-Spannung des Power-MOSFET begrenzte und dies zur stabilen Strombegrenzung für die Power-LED führen sollte. Ich erinnere mich, dass es ein Leser fertig brachte, dass seine Schaltung funktionierte. Ich habe damals im ELKO-Forum erklärt, dass ich diese Methode selbst mit einem Versuchsaufbau untersuchen will. Das habe ich in der  Zwischenzeit getan und daraus entstand dieser Elektronik-Minikurs.

Es werden einerseits Irrwege aufgezeigt, wobei anderseits daraus auch Nützliches entstand. Es kommt dabei auch sehr darauf an, ob für eine dimmbare LED-Beleuchtung ein hoher Wirkungsgrad prioritär ist oder eher nicht. Ist dies der Fall, wird auf bestehende Produkte hingewiesen, welche aus geschalteten Stromquellen mit PWM-Eingängen bestehen. Dafür eignet sich dann immer noch die Erzeugung von PWM mit dem Einsatz des 555-CMOS-Timer-IC LMC555 oder TLC555. Alternativ zu dieser Methode gibt es die eines einfachen Generators zur Erzeugung einer Dreieckspannung und einem Komparator. Diese Schaltung bietet den Vorteil, dass die PWM sowohl mittels Potmeter oder einer DC-Eingangsspannung steuerbar ist. Dann zum Schluss noch einmal eine Schaltung mit dem LMC555 (TLC555), die es erlaubt mit einem linearen Potmeter oder mit einer linearen DC-Eingangsspannung den Effekt einer pseudologarithmischen Einstellbarkeit zu erzeugen. So kann man den Dunkelbereich des LED-Lichtes feiner einstellen.

Der vielen Worte kurzer Sinn, viel Spass beim Lesen, selber Tüfteln und Realisieren…

 


Update: 555-CMOS-Monoflop: Re-Triggerbar!

Der Inhalt dieses Elektronik-Minikurses wurde in den Details leicht verbessert. Die Arbeitsweise der Retrigger-Funktion ist mit kleinen Anpassungen in den Bildern etwas besser erklärt. Die Umwandlung von einem nicht retriggerbaren in ein retriggerbares Monoflop ist komplizierter als umgekehrt, weil dadurch die Funktion komplexer gemacht wird. Oder man kann sagen, die Systemordnung wird erhöht.

Deshalb macht es meist keinen Sinn diesen Weg zu gehen, weil es gibt gute Alternativen um auf den LMC555, bzw. TLC555 zu verzichten. Es gibt ICs mit retriggerbaren Monoflopps, bei denen eine zusätzliche Verbindung genügt, um ein nicht retriggerbares Monoflop zu haben. Diese Alternativen sind in diesem Minikurs mit passenden Links erwähnt und empfohlen.

Warum ich bereits vor mehr als 10 Jahren diesen Minikurs geschrieben habe, hat damit zu tun, dass der 555-Timer-IC bis heute ein Renner geblieben ist und man hat auch schon im ELKO-Forum die retriggerbare 555-Monoflop-Schaltung thematisiert.

Weil dieses retriggerbare 555-Monoflop – nur realisiert mit der 555-CMOS-Version LMC555 und TLC555 – zu den zusätzlichen passiven Bauteilen auch noch zwei kleine NPN-Transistoren benötigt, meinte ein ELKO-Leser, dass das zu kompliziert sei und zeigte mir eine einfachere Lösung mit nur einem Transistor und weniger passivem „Zugemüse“. Ich habe dies auf dem Testbord untersucht. Die Schaltung funktioniert, allerdings mit erheblichen Einschränkungen.

Wie es elektronisch zu diesen Defiziten kommt und mit welchen Abstrichen, die man in Kauf nehmen muss, die einfachere Lösung empfehlenswert ist, beschreibt der neue Abschnitt „EINFACHER IST NICHT IMMER BESSER…“ mit zwei zusätzlichen Bildern.


Jetzt ist es soweit: Das Timer-Buch!

Das Timer-BuchWie bereits im Herbst letzten Jahres angekündigt, haben Thomas Schaerer und ich ein Buch zum Timer 555, dem beliebtesten IC aller Zeit, herausgebracht.

Dieses Buch ist eine Kombination aus Grundlagen, anwendungsorientierten Schaltungen und Auszügen aus Datenblättern. So ist alles Wichtige zum Timer 555 in einem handlichen und praktischen Ringbuch gebündelt.

Darunter:

  • vielfältige Anwendungsmöglichkeiten
  • praktische Tipps zur CMOS-Version
  • und alternative Timer- und Taktgeber-Schaltungen
Du profitierst gleich dreifach davon:

Du ersparst Dir das Suchen von Informationen aus zweifelhaften Quellen und das Herumdoktern an nicht funktionierenden Schaltungen.

Experimentiere mit Schaltungen, die sich in der Praxis bewährt haben und schon sehr oft von anderen Hobby-Elektronikern begeistert nachgebaut wurden.

Durch den Workshop-Charakter erlernst Du die Grundlagen des Timers mit Spaß und schnellem Erfolgserlebnis.

Nutze jetzt die Gelegenheit und bestelle das neue Timer-Buch zum Einführungspreis von 19,90 Euro.


Update: Timer NE555

Der NE555 ist eine monolithisch integrierte Zeitgeberschaltung, die sich aufgrund ihrer Eigenschaften als Taktgeber, Oszillator und für Zeitverzögerungen verwenden lässt. Der NE555 ist der Standard-Baustein für alle zeitabhängigen Anwendungen in der praktischen Elektronik. Er ist so universell einsetzbar, dass er als wichtigster integrierter Schaltkreis gilt.

Nur selten lassen sich Schaltungen leichter aufbauen, wie mit einem NE555.

Der NE555 enthält einen Timer. Der NE556 enthält zwei Timer in einem IC-Baustein. Der NE 558 enthält sogar 4 Timer in einem Baustein.

Der NE555 ist bipolar. Die CMOS-Versionen sind LMC555CN (National Semiconductor) und TLC555CP (Texas Instruments).