555-CMOS-Timer, auch für lange Zeiten
mit Berechnungsgrundlagen
und präzisem Abgleich

Einleitung

Der "555" ist ein Oldy. Wer kennt die berühmteste Version NE555 in der bipolaren Schaltungstechnik nicht? Es gibt sehr viel Literatur und nicht wenige Webseiten zu diesem beliebten, originellen und vielseitigen Timerbaustein. Mit Suchmaschinen wird man schnell fündig. In meinen Elektronik-Minikursen werde ich diesen 555er-IC nicht beschreiben und kommt auch nicht zur Anwendung. Da ich stets die moderne CMOS-Version, den LMC555 ursprünglich von National-Semiconductor-Corporation (NSC) und den TLC555 von Texas-Instruments (TI) verwende, werde ich immer nur von diesem 555-Timer-IC in der CMOS-Version schreiben. Die Begründung dazu erfährt man in:

Wenn ich den LMC555 und den TLC555 gemeinsam anspreche, wähle ich die Bezeichnung LMC/TLC555.



Der 555-CMOS-Timer, exakt beschrieben


Fensterkomparator + FlipFlop = Schmitt-Trigger

Die beiden Komparatoren KA und KB und die drei gleich grossen Widerstände R (je 100 k-Ohm) bilden einen Fensterkomparator. Mit KA ist die obere und mit KB die untere Triggerschwelle definiert. Die obere liegt bei 2/3*Ub und die untere bei 1/3*Ub. Die Spannungsdifferenz zwischen der oberen und unteren Triggerschwelle, die sogenannte Hysterese, liegt somit bei 1/3*Ub. Dies ist der relative Fensterspannungungswert. Die obere Triggerschwelle wird ausgelöst, wenn an Pin 6 2/3*Ub überschritten wird. Der Ausgang von KA geht auf LOW und setzt das RS-Flipplfopp FF zurück (/R). Q schaltet, wenn vorher auf HIGH, auf LOW und /Q auf HIGH. Die untere Triggerschwelle wird ausgelöst, wenn an Pin 2 1/3*Ub unterschritten wird. Der Ausgang von KB geht auf LOW und setzt FF (/S). Q schaltet, wenn vorher auf LOW, auf HIGH und /Q auf LOW. So viel zur Erklärung zu Fensterkomparator und Flipflop. Beide Einheiten zusammen bilden die Schmitt-Trigger-Funktion. Das bedeutet, man kann mit einem Dual-Komparator und einem RS-Flipflop auch quasidiskret ein Fensterkomparator realisieren, wobei man an Stelle von Fixwiderständen auch variable einsetzen kann und dadurch Hysterese und Triggerpegel steuerbar sind. Mehr zu diesem Thema erfährt man hier:


Auto-Resetschaltung aus R1 und C1, eine Option

Wenn die Schaltung in Betrieb gesetzt wird, sorgt erstmal das RC-Glied R1C1 dafür, dass der LMC/TLC555 definiert zurückgesetzt wird. Dafür hat FF einen zweiten /R-Eingang. C1 wird durch R1 geladen. Die Zeitkonstante muss so gross sein, dass bei voll anliegender Spannung +Ub noch für kurze Zeit ein LOW-Pegel an Pin 4 anliegt. Die Resetspannung ist dabei unabhängig von +Ub auf typisch 0.75 V definiert. Bei schnell ansteigendem +Ub (Trafo, Gleichrichter, Glättung, Regelschaltung) ist eine R1C1-Zeitkonstante von etwa einer Sekunde oder etwas mehr ausreichend. Diode D und R2 dienen der schnellen Entladung, wenn +Ub abgeschaltet wird, was natürlich auch nur dann der Fall ist, wenn +Ub selbst schnell genug sinkt. Dies ist nur dann der Fall, wenn +Ub noch anderweitig genutzt wird, denn der LMC/TLC555 benötigt nur einen Betriebsstrom von typisch 150 bis maximal 400 µA. Im Gegensatz zum NE555 ist der LMC/TLC555 ganz bonders für den Batteriebetrieb geeignet!

Vor allem dann, wenn man noch andere Teile einer Schaltung mit einem Auto-Reset nach Netzunterbruch steuern muss, empfiehlt sich eine integrierte Spannungsüberwachungsschaltung. Dazu eignet sich der traditionsreiche und bewährte TL7702 von Texas-Instruments, mit dem man die Reset-Triggerschwelle und die Resetimpulsbreite selbst definieren kann. Mit dieser eleganteren Methode ist es irrelavant, wie weit sich +Ub bei einem Ausfall der Netzspannung reduziert, die Impulsdauer für den Auto-Reset wird alleine durch einen externen Kondensator bestmmt. Erhältlich ist der TL7702 bei Farnell und Distrelec (Januar 2015).

Eine manuelle Reset-Funktion ist ebenfalls in Bild 1 vorgesehen, obwohl diese z.B.für eine Treppenhausbeleuchtung kaum Sinn macht. Man kann diese Timerschaltung jedoch auch für ganz andere Anwendungen einsetzen. Es gibt drei Möglichkeiten für den manuellen Reset: Mit einer Taste, mit einem NPN-Transistor oder mit einem Impuls entladet der LOW-Pegel C1. Damit der Schaltspitzenstrom nicht zu gross wird, ist dieser durch R3 begrenzt. Ein schaltender Transistor oder ein Taster mit sehr feinen Kontakten könnte sonst beschädigt werden.


Die Timerfunktion

Nach dem Einschalten von +Ub und solange OUT auf LOW (GND-Pegel) ist, ist /Q und das Gate des MOSFET-Transistor T auf HIGH. Die Drain-Source-Strecke von T ist niederohmig, also eingeschaltet. Der Timing-Kondensator CT wird im entladenen Zustand festgehalten. Eine fallende Flanke von +Ub nach GND am Trigger-Eingang Pin 2 setzt den Ausgang von KB auf LOW, FF wird gesetzt und OUT geht auf HIGH, auf den Wert von +Ub, falls OUT nur sehr wenig oder unbelastet ist. OUT ist logisch identisch mit Q von FF. Der MOSFET T ist offen und CT ist zur Ladung durch RT freigegeben. CT ladet sich auf bis sehr knapp oberhalb Trigger-Schwellenspannung von 2/3*Ub. Der Ausgang KA geht auf LOW, FF wird zurückgesetzt und OUT geht auf LOW. Die Einschaltdauer (Time) ist damit beendet. Siehe in Bild 1 unten das Diagramm. /Q ist HIGH, T leitet und entladet CT schnell durch den niederohmigen Widerstand der Drain-Source-Strecke von T. Damit ist die Schaltung bereit für die nächste Triggerung an Pin 2.


Grosse Impulsdauer = Grosse Widerstände und grosse Kapazitäten

Sind grosse Einschaltzeiten erwünscht, z.B. im Zehn-Minutenbereich, kann man die Verwendung von Tantal- oder wenigstens Al-Festkörperelkos kaum vermeiden, weil die Abmessungen für die notwendig grossen Kapazitäten mit Folienkondensatoren viel zu gross und diese Kondensatoren auch zu teuer würden. Allerdings ist mit Tantal- oder Al-Festkörperelkos die Reproduzierbarkeit von sehr langen Einschaltzeiten, wegen den noch immer zu hohen Leckströmen dieser Kondensatoren, nicht besonders gut. Spielt dies jedoch keine Rolle, kann man dieses RC-Zeitglied mit einem solchen Elko realisieren. Die wesentlich bessere Wahl ist die Verwendung eines Folienkondensators. Es gibt z.B. solche bis zu 33 µF bei Nennspannungen von 63 VDC von EVOX-RIFA und auf der Webseite von Distrelec. Artikelnummer: 828069 (Januar 2015). Die Kapazitätstoleranz beträgt ±10%.

Dieser Kondensator CT hat einen sehr niedrigen Leckstrom. Seine Eigenentladungszeitkonstante ist daher sehr hoch. Dies erlaubt mit einem sehr hochohmigen Widerstand eine sehr hohe Zeitkonstante im unteren 10 Minuten-Bereich. Um mehr zu erfahren, konsultiere man das Datenblatt von CT. CMOS-Eingänge sind, dazu passend, extrem hochohmig und belasten CT nicht nennenswert.

Es ist etwas schwer zu bekommen, aber es gibt Hochohmwiderstände bis weit in den zweistelligen G-Ohmbereich. Wir wollen aber realistisch bleiben und nicht zu hoch hinauswollen, denn man bedenke, wenn der Widerstandswert von RT zu hoch gewählt wird, ist die Schaltung um ihn stark feuchtigkeitsabhängig und dies reduziert Entladungszeitkonstante RT*CT signifikant. Betreffs der umgebenden Feuchtigkeit, auch noch so gute Schutzlacke sind auf lange Zeit geringfügig hygroskopisch und dies bedeutet, dass ein sehr hoher Widerstandswert und damit auch die Einschaltzeitdauer sinkt.

Man sollte RT auf etwa 100 M-Ohm als obersten Grenzwert begrenzen und selbst dann den Print nach dem Löten gut reinigen und mit einem geeigneten Isolierlack schützen. Man bekommt für RT einen passenden Widerstand (SMD) bei Farnell. Artikelnummer: 9236511 (Januar 2015).

Zur Berechnung der Impulsdauer (Einschalt-Zeitdauer) siehe Kapitel "Zeitkonstante, Impulsdauer und Kalibrieren".

Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass es die alternative Methode gibt eine Zählerschaltung mit einem Triggerimpuls zu starten, die danach mit einem vorgebenen Wert mittels Taktimpulse herunterzählt. Während des Herunterzählens auf Null bleibt der Ausgang auf HIGH-Pegel und hält z.B. ein Relais eingeschaltet. Diese Methode hat den Vorteil, man kann den Zähler mit einer Taktfrequenz steuern, die viel höher ist und daher die RC-Zeitkonstante für den Taktgeber viel niedriger dimensioniert werden kann. Dadurch werden C- und R-Werte entsprechend niedrig, elektrisch weniger problematisch und auch preiswerter. Nachteilig ist der grössere Aufwand an Bauteilen. Mehr dazu erfährt man hier:


RT und seine 100 M-Ohm

Hier noch ein Tipp von Oliver Betz. Er machte mich darauf aufmerksam, dass es gut wäre den Knoten von RT/CT und den Eingängen Pin 6 und Pin 7 des LMC555 (siehe Bild 1) nicht auf dem Print zu verlöten, wenn ein langfristiges Einwirken von Feuchtigkeit in den Schutzlack nicht ausgeschlossen werden kann. Man verbindet also die Anschlüsse dieses Knoten in der freien Luft. Allerding muss man auch so darauf achten, dass die Kunststoffflächen zu diesen Anschlüssen, also beim Kondensator CT, Widerstand RT und IC, perfekt sauber sind und bleiben.



Der 18-Minuten-Treppenhausbeleuchtungstimer

Als Krönung soll nun ein Langzeittimer mit dem LMC/TLC555 vorgestellt werden. Grundlage für diese Schaltung ist die Schaltung in Bild 1. Sie ist zentraler Teil dieser Timerschaltung. Das 12-VDC-Netzteil ist selbsterklärend. Mehr zu diesem Thema findet man in:

WICHTIG betreffs Ausgangsbelastung: Der Ausgang des LMC555 ist maximal mit 10 mA belastbar, wenn der Strom vom Ausgang des LMC555 über eine Last nach GND fliesst (Stromquelle) und wenn der Strom von +Ub über eine Last in den Ausgang des LMC555 fliesst (Stromsenke), sind es maximal 50 mA. Beim TLC555 sind die Werte mit 10 mA (Stromquelle) und 100 mA (Stromsenke) leicht anders. Es gibt irgendwelche "Datenblätter" in denen behauptet wird, dass der Strom in den und aus dem Ausgang des LMC555 und TLC555 100 mA betragen soll und es fällt auf, dass manche Leute das auch tatsächlich denken. Das entspricht aber nicht den Angaben der Hersteller-Datenblätter.

Transistor T ist nötig: Wenn man zur Steuerung eines Relais keinen zusätzlichen Transistor, obwohl sehr preiswert, verwenden will, ist das hier nicht möglich, weil der Strom von 10 mA nicht überschritten werden darf. Der NE555 würde sich sehr gut eignen um auf den zusätzlichen Transistor zu verzichten, aber die Verwendung des Timer-RC-Gliedes mit einer niedrigen Kapazität und einem sehr hochohmigem Widerstand wäre nicht möglich, weil der bipolare Eingang diesbezüglich dem CMOS-Eingang massiv unterlegen ist. Deshalb der Einsatz von T (z.B. BC550). Das in Bild 2 verwendete DIL-Relais REL vermag bei 250VAC bis 6A schalten und seine Spule benötigt bloss 17 mA. Eine Treppenhaus-Glühlampe hat normalerweise eine Leistung von 25 Watt (Stromspar- und LED-Lampen wesentlich weniger!). Der Relaiskontakt vermag mehr als 50 Lampen zu 25 Watt schalten. Die zur Spule parallelgeschaltete Diode D (Freilauf-Diode) schliesst im Ausschaltmoment die Selbstinduktionsspannung der Relaisspule kurz. Ohne diese Diode kann der Transistor T zerstört werden.

Der Trigger-Eingang ist mit dem Pull-Up-Widerstand R1 auf HIGH-Pegel, hier +12VDC, gesetzt. Über praktisch beliebig lange Leitungen können im ganzen Treppenhaus Drucktasten DT1 bis DTn eingesetzt werden. Sehr lange Leitungen können leicht als Antenne wirken und hochfrequente oder steilflankige Störsignale aufnehmen. Diese schalten u.U. unwillkommen eine 18-minütige Treppenhausbeleuchtung ein. Dies vermeidet C4, der mit R1 als passives Tiefpassfilter wirkt. Störimpulse werden auf diese Weise wirksam unterdrückt. Das direkte Kurzschliessen eines auf 12 VDC geladenen Kondensator von 100 nF (C4) mittels Tasten ist unbedenklich, weil die Kurzschlussenergie viel zu niedrig ist.



Zeitkonstante, Impulsdauer und Kalibrieren

Im Datenblatt des bipolaren Timer-IC NE555 liest man zur Berechnung der Impulsdauer T=1.1*RT*CT. Im Datenblatt des CMOS-Timer-IC LMC555 gibt es diese Formel nicht. Dafür hat es in Figure 7 Time-Delay ein Diagramm. Auf der X-Achse ist die Impulsdauer (Time-Delay), auf der Y-Achse die Kapazität (CT) und als Parameter sind die Widerstandswerte (RT) für 1 k-Ohm, 10 k-Ohm, 100 k-Ohm, 1 M-Ohm und 10 M-Ohm eingetragen. Nehmen wir die Werte CT = 1 µF und RT = 1 M-Ohm, erkennt man das Resultat für die Impulsdauer von 1.1 Sekunden. Das sind 10 Prozent mehr als der Wert der RC*CT-Zeitkonstante. In beiden Fällen also, mit der Formel des NE555 und dem Diagramm des LMC555 gibt es einen Faktor von 1.1 der zur RT*CT-Zeitkonstante multipliziert werden muss. Wir stellen uns hier die Frage, warum das so ist und betrachten die ausführliche Skizze in Bild 3:

Die drei IC-internen Widerstände mit je 100 k-Ohm teilen die Betriebsspannung Ub in drei gleich grosse Teilspannungen über jedem Widerstand R. Dies erzeugt zwei Triggerspannungen 0.33*Ub und 0.67*Ub. Siehe auch Bild 1. Bevor die Monoflop-Funktion am Trigger-Eingang (Pin 2) gestartet wird, ist das IC-interne RS-Flipflop im Resetzustand, /Q liegt auf HIGH, MOSFET T ist eingeschaltet und deshalb wird CT durch T auf GND kurzgeschlossen. Mit dem Startimpuls am Trigger-Eingang wird das RS-FlipFlop gesetzt, /Q schaltet auf LOW und T öffnet sich. CT wird über RT bis zur oberen Triggerspannung 0.67*Ub geladen. Diese Spannung setzt das RS-FlipFlop zurück und CT wird durch T blitzartig entladen, weil der Drain-Source-Kanal von T sehr niederohmig ist.

Diese Triggerspannung von 0.67*Ub ist grösser als die Spannung aus der RT*CT-Zeitkontante von 0.63*Ub. Die Berechnung für die längere Impulsdauer am Ausgang des LMC555 (gilt auch für den NE555!) erfolgt durch die Gleichung 2 welche aus der Grundgleichung 1 in Bild 3 hervorgeht. Die Berechnung zeigt Gleichung 3. Wie das Resultat mit 1.10866 zeigt, ist es korrekt, dass die RT*CT-Zeitkonstate mit einem Faktor von 1.1 multipliziert werden muss. Wegen der Ungenauigkeit der Threshold-Spannung (obere Triggerspannung), gegeben durch die Toleranzen der IC-internen Widerstände und der Eingangs-Offsetspannung, gibt es eine Timing-Ungenauigkeit von etwa ±10 Prozent. Das bedeutet, dass der reale Faktor nicht 1.1 ist. Er kann zwischen 1.0 und 1.2 variieren (Exemplarstreuung).

Falls dies ein Problem ist, ist es möglich am Steuereingang (Pin 5) mittels Trimmpotmeterschaltung ein Abgleich zu realisieren. Wie das geht, zeigt Bild 4 mit den Teilbildern 4.1 und 4.2:

Ich habe zwei Methoden gefunden, wie man die Impulsdauer symmetrisch zur RT*CT-Zeitkonstante einstellen kann. Beide Methoden sind einfach und mit wenig Aufwand realisierbar. In der Version von Teilbild 4.1 kann man mit dem Trimmpotmeter Px1 den Wert der Impulsdauer zwischen 0.4 bis 1.6*RT*CT einstellen, wobei um den Wert von RT*CT die Einstellempfindlichkeit niedriger ist, so dass die Einstellung von exakt RT*CT leichter ist als in den Grenzbereichen des Trimmpotmeters. Mit einem 10- oder 20-Gang-Trimmpotmeter ist die Justierung besonders genau möglich, falls dies, aus welchem Grund auch immer, wichtig sein soll. Die Methode von Teilbild 4.2 erlaubt nur einen Einstellbereich von etwa 0.9 bis 1.1*RC*TC. Das Problem ist, dass Px1 mit 5 M-Ohm ziemlich hochohmig sein muss. Es funktioniert nicht mit weniger. Die Einstellempfindlichkeit ist niedriger und somit der Abgleich mit einem einfachen Trimmpotmeter leichter. Man kann natürlich auch in der Schaltung von Teilbild 4.1 den Einstellungebereich einschränken, in dem man den Wert von Px1 reduziert und die Teilwerte auf Rx1 summiert und für deinen Restbetrag zwischen Px1 und GND einen weiteren Widerstand einfügt.

Im Prinzip kann man diese kleinen Schaltungen genau berechnen, aber es geht nur mit der Gleichung von Bild 3 und das ist halt schon etwas umständlich. Wenn einem gleich zwei Widerstandsdekaden zur Verfügung stehen, kann man es sich mit etwas Spielerei wesentlich leichter machen die passenden Widerstandswerte so herauszufinden. Diesen praktischen Trick empfehle ich dem Anwender dieser Schaltungsteile, falls weitere Anpassungen erwünscht sind. Die oben abgebildete Widerstandsdekade ist preiswert bei ELV erhältlich (Januar 2015). Solche Widerstandsdekaden gehören sowieso zum Arbeitsalltag des Elektronikers. Man braucht so etwas immer wieder. Eine solche Feld-Wald-und-Wiesen-Methode ist neben der Methode die Dinge zu berechnen durchaus auch legitim, wenn man trotzdem genau versteht was man elektrisch, bzw. elektronisch tut.

Auf etwas sehr Wichtiges muss bei diesen Erweiterungsschaltungen noch hingewiesen werden. Wenn man Wert drauf legt, dass der sehr niedrige Temperaturkoeffizienten des LMC555 nicht unnötig verschlechtert wird, sollte man nur Metallfilmwiderstände und hochqualitative Trimmpotmeter (z.B. Cermet) verwenden. Die selben Überlegungen gelten natürlich ebenso für die zeitbestimmenden Komponenten RT und CT, so gut das realistisch überhaupt möglich ist und nicht den Geldbeutel sprengt.