タイマIC 555

555というIC

「555」は従来からあるタイマICで手軽に「発振回路」、「タイマ」などに用いられます。電子工作においても、しばしば登場しますので、あらためて「555」について紹介します。

555は「NE555」がオリジナルですが、現在では各メーカーからCMOS版も含めてセカンドソース品が販売されています。

CとRによるタイマの原理

コンデンサCに抵抗Rを通して充放電させると図1のような特性になります。この時のコンデンサCの端子電圧Vcの充放電に要する時間はCとRの組み合わせで決まります。

このような放電特性を利用したCRタイマの原理を図2に示します。

図2におけるスイッチSはVcの初期化と充電開始を行い、Sが閉じた状態でVcはゼロです。この状態からSを開けば充電を開始（タイマスタート）し、Vcの値をVsの63%電圧と比較します。

Vcの値が63%に達した時点でスイッチSを閉じてタイマ終了とすれば、タイマ時間TはCRの掛け算で表わされます。

以上の動作はVcの値を63%としましたが、この値は任意でも良く、例えばVcの値をVsの2/3とすれば、

555のブロック図

図3にブロック図とピン配置を示します。

CompAとCompBはコンパレータ（比較器）でそれぞれの端子（プラスとマイナス）の電圧比較を行い、その結果により出力が「H」または「L」になります。

基準となる電圧(Vref)は抵抗3本による電圧分割で、3本の抵抗値は同じ値です。したがって、CompAはVccの2/3、CompBはVccの1/3です。

Flip Flop(以下、FFと略す）はコンパレータ出力を入力とした「RS-Flip Flop」で、出力「/Q」でトランジスタを介して充放電を制御します。

RS-FFの論理は表1のように推定されます。

555のタイマ接続

図4にタイマ時の接続を示します。

電源ON後の初期状態では/Qは「H」で、これによりトランジスタがONになりDISおよびTHは「L」です。

TRG端子を「L」にすると　TRG ＜ VrefB の条件になりますので、CompB出力は「H」になり、これによりFF出力の/Qが「L」となり、トランジスタもOFFしますので充電が開始されます。

充電によりコンデンサの端子電圧(DIS,TH)が上昇していくと TH ＞ VrefA の条件で今度はCompA出力が「H」となって、/Qは「H」に戻り、タイマストップとなります。

このようにしてタイマ出力OUTが変化し、その時間は前述のように T = CR×1.1 です。

この時の回路を図5に示します。

電源ON後はリセット状態で、スタートスイッチを押すことによりタイマが起動し、約11秒間LEDが点灯します。

発振回路の接続

発振回路の場合は図6のようにコンデンサCの端子電圧をTHおよびTRGに接続します。
この場合、CompAとCompBは基準となる電圧(VrefA,VrefB)が異なりますから、それぞれのコンパレータ出力は図6のタイミングになります。

つまり、CompAは放電開始、CompBは充電開始を制御しています。これにより充放電を繰り返しますので、これが発振です。

発振モードの基本接続と、この時の発振周波数を図7に示します。

タイマと発振の応用例

タイマおよび発振を応用した「3分タイマ」を紹介します。図8にブロック図、図9に回路を示します。

IC1が3分タイマ部で図の定数でタイマ時間は約170秒です。抵抗およびコンデンサには誤差がありますから、正確な180秒（3分）にしたい場合はR1を固定抵抗と半固定ボリュームで調整します。

電源ONで「3分タイマ」を起動し、タイマ中のIC1出力は「L」です。この出力をトランジスタを介してIC2のリセット端子に接続します。これにより、タイマ中、IC2はリセット状態で、タイマ終了後にリセットが解除されて、ブザーを鳴らします。

ここでは用いたブザーが「他励振式圧電サウンダですので、必要な周波数（約4KHz)で駆動させます。

555はタイマが1個入りですが、2個入りを用いれば図9のような回路を組む場合、便利です。以上のように基本動作である「タイマモード」および「発振モード」について説明しました。
この他の応用もありますので、詳細は555のデータシートを参照願います。

555を作ってみる

内部の波形を確認する

前述（図3)のブロック図のように555の内部構成は以下のようになっています。

• コンパレータ　2個
• RS-FF
• インバータ
• トランジスタ
• 抵抗分割による基準電圧

タイマおよび発振回路の動作原理は前述のようになりますが、各ブロックの波形確認を目的として、市販のオペアンプ（コンパレータ）、ロジックIC等を利用して製作しましたので紹介します。

回路その１

図12に「回路その１」を示します。

コンパレータはオリジナルの555では「正論理出力」と思われます。図10のRS-FFはNAND-ICの74HC00で構成し、この場合の真理値表を表3に示します。

表3　図10のRS-FF真理値表

S	R	Q	/Q
L	L	不定
L	H	H	L
H	L	L	H
H	H	記憶

このままですとRS-FFの入力が負論理ですので、これを正論理入力にして論理合わせしたものを図11に示します。

表4　図11のRS-FF真理値表

S	R	Q	/Q
H	H	不定
H	L	H	L
L	H	L	H
L	L	記憶

ICが「オペアンプ」、「NOT-IC」、「NAND-IC」の3個が必要ですが、ブレッドボードにて製作し、確認した波形を波形1に示します

「発振モード」での各部の波形で、各基準電圧のポイントでRS-FFをセット/リセットしている様子が分かります。

なお、用いたオペアンプは「LMC6482」です。

回路その2

回路その1ではブレッドボードにて確認しましたが、ユニバーサル基板にて製作した回路を図13に示します。回路その1では用いるICが3個でしたので、これを2個で実現したものが回路その2です。コンパレータの論理をRS-FFの負論理入力に対応したもので、NOT-ICを削除しています。（コンパレータの接続に注意）

動作確認

「回路その2」の波形および外観を以下に示します。

波形2のようにR端子およびS端子での波形遅れが若干あります。この遅れは用いるオペアンプ（またはコンパレータ）の特性に左右され、波形2で用いたものはオペアンプのLMC6482です。ちなみにコンパレータIC(例えばLM393等）に替えると波形遅れが少なくなり、最高発振周波数も高くなります。

ただし、コンパレータの場合、「同相入力」の制限があり、LMC6482のような「レール・ツーレール」のほうが電源電圧を変えても使い勝手が良いと思います。