NE555

Der NE555 (oft kurz 555 genannt) ist eine integrierte Schaltung (IC) für Timer- oder Oszillator-Schaltungen, die seit 1972 bis heute am Markt ist. Wegen ihrer Vielseitigkeit – die Einsatzgebiete reichen vom Spielzeug bis zur Raumfahrt – stellt sie das weltweit meistverkaufte IC dar.

Ein Anwendungsbeispiel für den NE555 ist die Verwendung als Timer in einem Treppenlicht-Zeitschalter, der das Licht auf Tastendruck einmalig ein- und nach einer vorbestimmten Zeit wieder ausschaltet. Die Oszillatorfunktion ist beispielsweise in einem Blinklicht oder elektronischen Metronom zu finden, bei dem ein Signal periodisch ein- und wieder ausgeschaltet wird.

NE555 von Signetics im Gehäuse DIP-8, hergestellt 1978 KW 28

Geschichte

Nahaufnahme vom Die des NE555 und den Bonddrähten.

Der NE555 wurde in den Jahren 1970 bis 1971 von Hans R. Camenzind für den US-amerikanischen Halbleiterhersteller Signetics (später Philips Semiconductors) entwickelt. Anfänglich war das Entwicklungsprojekt sehr umstritten: Timerschaltungen wurden zuvor meist mit Operationsverstärkern oder Komparatoren gebaut, die einen Großteil der von Signetics hergestellten Analogschaltungen ausmachten. Einerseits wurde bezweifelt, dass überhaupt ein Markt für spezialisierte Timer-ICs bestünde, andererseits befürchtet, ein Timer-IC könnte die Verkäufe der Operationsverstärker mindern, in der Wirtschaft als Kannibalismuseffekt bekannt. Die Bezeichnung NE555 stammt von Art Fury, seinerzeit Marketingmanager bei Signetics. Auf ihn geht auch der Umstand zurück, dass die Entwicklung des NE555 bei Signetics trotz der firmeninternen Widerstände an Hans Camenzind in Auftrag gegeben wurde.

Hans R. Camenzind hatte zuvor die Schaltkreise NE565/NE567, ein Phase-Locked Loop (PLL) und den NE566, einen Voltage-Controlled Oscillator (VCO) entwickelt, die jeweils einen stabilen, von Temperatur und Versorgungsspannung weitgehend unbeeinflussten Oszillator enthalten. Der erste Entwurf des NE555 basierte deshalb auf einem ähnlichen Oszillator, bei dem ebenfalls ein externer Kondensator von einem Spannungs-Strom-Wandler, der als Konstantstromquelle dient, und mehreren Stromspiegeln linear aufgeladen beziehungsweise entladen wurde und eine Dreieckspannung produzierte.

Nach Abschluss des Entwurfs und dessen Überprüfung und Genehmigung durch Signetics verwarf Hans Camenzind sein Design nochmals: Er ersetzte die Konstantstromquelle durch einen einzelnen externen Widerstand. Das erlaubte es, anstelle des 14-poligen Gehäuses ein 8-poliges zu verwenden – mit Konstantstromquelle wären 9 Anschlüsse notwendig gewesen; Signetics stellte jedoch nur 8- oder 14-polige DIP her. Obwohl die Aufladung beziehungsweise Entladung des Kondensators über einen Widerstand nicht linear erfolgt, hat eine Änderung der Versorgungsspannung keine Auswirkungen, da der Timer den Ladezustand des Kondensators ratiometrisch, d. h. im Verhältnis zur Versorgungsspannung, vergleicht. Als Nebeneffekt war die neue Schaltung stabiler gegenüber Temperaturschwankungen.

Ab 1972 wurde der NE555 in Massenfertigung hergestellt. Die Nachfrage übertraf alle Erwartungen, im ersten Quartal verkaufte Signetics mehr als eine halbe Million Stück. Die übrigen Halbleiterhersteller bauten den NE555 sehr schnell nach: Bereits ein halbes Jahr nach seinem Erscheinen waren 555er-Kopien von acht verschiedenen Herstellern auf dem Markt. Auch Varianten mit zwei (NE556) oder vier (NE558) Timer-Schaltungen kamen auf den Markt. Solche Nachbauten waren in den 1970er-Jahren bis zum Semiconductor Chip Protection Act von 1984 allgemein üblich. Ab 1973 war der NE555 jedes Jahr das meistverkaufte IC der Welt. 2003, über 30 Jahre später, betrug die Jahresproduktion etwa eine Milliarde Stück.

Wenige Jahre nach der Markteinführung wurde von der bipolaren Version eine Variante in CMOS mit Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET) von Intersil hergestellt. Die CMOS-Variante hat einige Vorteile, unter anderem sind die Eingangsströme wesentlich geringer und es gibt im Chipdesign keine Notwendigkeit für aufwändige Darlington-Stufen. Heute sind diese CMOS-Varianten von verschiedenen Herstellern verfügbar, wie beispielsweise der LMC555 (National Semiconductor), TLC555 (Texas Instruments), ICM7555 (verschiedene Hersteller). Auch davon gibt es eine Dual-Variante mit der Bezeichnung ICM7556.

Aus heutiger Sicht ist der 555-Timer technisch veraltet: Die Versorgungsspannung muss über 4,5 V liegen, der Ruhestrom ist mit bis zu 15 mA bei der bipolaren Version sehr hoch und die Ausgangsstufe erzeugt bei jeder Umschaltung deutliche Stromspitzen. Dennoch wird der IC von diversen Herstellern immer noch in unveränderter Schaltung produziert, lediglich die Herstellungsprozesse wurden auf kleinere Strukturgrößen umgestellt, wodurch sich auch die Größe des Chips verkleinerte (englisch die shrink), vgl. Skalierung (Mikroelektronik). Philips selbst stellte die Produktion des NE555 2003 abrupt und ohne die übliche Vorankündigung ein, da beim Brand ihrer Fabrik in Caen die letzte Verarbeitungslinie für die verwendeten Prozesse zerstört wurde.

Aufbau

Pinbelegung

Anschluss	Name	Beschreibung/Zweck
1	GND	Masse (0 V)
2	TRIG	„Trigger“: OUT steigt an und das Intervall beginnt, wenn dieser Eingang 1/3 VCC unterschreitet
3	OUT	Ausgang: Dieser Ausgang wird auf VCC oder GND betrieben
4	RESET	Ein Zeitintervall kann unterbrochen werden, wenn dieser Eingang auf GND gesetzt wird
5	CTRL	„Control“: Zugriff auf den internen Spannungsteiler (üblicherweise 2/3 VCC)
6	THR	„Threshold“: Das Intervall endet, wenn die Spannung an THR größer als bei CTRL ist
7	DIS	„Discharge“: Open-Collector-Ausgang: kann einen Kondensator zwischen den Intervallen entladen
8	V+, VCC	Versorgungsspannung (zwischen 3 und 15 V)

Der NE555 enthält das Äquivalent von 24 Bipolartransistoren, zwei Dioden und 15 Widerständen (Small Scale Integration, SSI), die zusammen sechs Funktionsblöcke bilden (In unten stehenden Blockdiagramm und Schaltplan sind diese farbig hinterlegt):

• Zwischen der Versorgungsspannung V_CC(+) und der Masse GND(−) befindet sich ein Spannungsteiler aus drei identischen Widerständen, der, wenn nicht von außen beschaltet, die beiden Referenzspannungen ¹/₃ V_CC und ²/₃ V_CC liefert. Letztere ist am Anschluss-Pin Control Voltage verfügbar. (grün)
• Zwei Komparatoren sind jeweils mit einer der Referenzspannungen verbunden, während die beiden anderen Eingänge direkt auf die Anschlüsse Trigger beziehungsweise Threshold geführt sind. (gelb und orange)
• Ein Flipflop speichert den Zustand des Timers und wird über die beiden Komparatoren angesteuert. Über den Reset-Anschluss, der die beiden anderen Eingänge übersteuert, kann das Flipflop (und damit der gesamte Timer-Baustein) jederzeit zurückgesetzt werden. (lila)
• Am Ausgang des Flipflops folgt eine Ausgangsstufe mit Totem-Pole-Ausgang, die am Anschluss Output mit bis zu 200 mA belastet werden kann. (rosa)
• Parallel zur Ausgangsstufe ist ein Transistor angeschlossen, dessen Kollektor am Anschluss Discharge liegt. Dieser Transistor ist immer dann durchgeschaltet, wenn der Ausgang Low-Pegel hat. (hellblau)

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  Blockschaltbild des 555

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  Schaltung des bipolaren NE555

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  Schaltung der CMOS-Version

Grundschaltungen

Der NE555 verfügt über drei grundlegende Betriebsarten, welche im folgenden beschrieben sind. Darüber hinaus gibt es eine Vielzahl weiterer und daraus abgeleitete Schaltungsvarianten, wie elektronische Tachometer, Triggerschalter in Oszilloskopen, Grundfunktionen in Kabeltestern oder Temperaturregler, in welchen der NE555 als ein Schaltungsteil eingesetzt wird.

Monostabile Kippstufe

Schaltbeispiel für den 555 im monostablilen Modus

Die Beziehungen des Trigger-Signals, der Spannung am Kondensator C und die Pulsbreite

Als monostabile Kippstufe arbeitet der NE555 als einmaliger Impulsgeber. Zu den Anwendungen in diesem Modus gehören unter anderem Timer, Frequenzteiler, Kapazitätsmessung und die Pulsweitenmodulation (PWM).

Der Puls beginnt, wenn der NE555-Timer ein Signal am Trigger-Eingang empfängt, das heißt sobald dieser Eingang unter ¹/₃ der Versorgungsspannung fällt. Die Breite des Ausgangsimpulses wird über die Zeitkonstante eines externen RC-Netzwerks festgelegt, das aus einem Kondensator C und einem Widerstand R, wie in nebenstehender Schaltskizze dargestellt, besteht. Der Ausgangsimpuls endet, wenn die Spannung am Kondensator ²/₃ der Versorgungsspannung entspricht. Die Impulsbreite, das heißt die Zeitdauer τ des Ausgangsuimpulses kann durch Anpassen der Werte von R und C nach folgender Gleichung verändert werden:

$\tau = R C \cdot \ln(3) \approx 1{,}1 \cdot R C$

In dieser Grundschaltung ist die monostabile Kippstufe nicht nachtriggerbar, das heißt es wird ein erneutes Trigger-Signal erst nach Ablauf der Zeit τ akzeptiert. Durch Erweiterung der Schaltung kann mit dem NE555 auch eine nachtriggerbare monostabile Kippstufe realisiert werden.

Bistabile Kippstufe

Schaltbeispiel für den 555 im bistabilen Modus

Im Betrieb als bistabile Kippstufe wird im Prinzip nur das im NE555 eingebaute Flip-Flop verwendet. Einsatzgebiete sind z. B. prellfreie Schalter.

Der Trigger-Eingang (Pin 2) dient als so genannter SET, das heißt die bistabile Kippstufe wird durch einen kurzen Impuls gesetzt. Ein kurzer Impuls am Reset-Eingang (Pin 4) dient dem RESET, das heißt die bistabile Kippstufe wird dauerhaft zurückgesetzt. Sowohl die Set-Impuls als auch der Reset-Impuls müssen dabei der negativen Logik entsprechen – dieser Umstand wird durch ein Überstreichen der Signalnamen gekennzeichnet.

Da bei einer bistabilen Kippstufe keine zeitabhängige Funktion vorhanden ist, sind im Prinzip keine zusätzlichen Kondensatoren notwendig. Der in der Schaltung dargestellte Glättungskondensator mit 10 nF am Anschluss CTRL dient, wie auch in den anderen Schaltungsmodi, nur der Glättung der internen Referenzspannung und kann bei geringen Genaugikeitsanforderungen entfallen.

Astabile Kippstufe

Schaltbeispiel für den 555 im astablilen Modus

Als astabile Kippstufe arbeitet der NE555 als Oszillator und erzeugt an seinem Ausgang ein periodisches Signal. Dabei können, je nach Beschaltung, verschiedene Schwingungsformen wie in der einfachsten Form eine Rechteckschwingung mit einem variablen Pulsbreitenverhältnis erzeugt werden. Zu den Anwendungen gehören unter anderem alle Formen von Blinkern, Impuls-Generatoren, elektronische Uhren, Anwendung aus der Tonerzeugung oder als Taktquelle in Gleichspannungswandlern.

Die Schaltung wird durch zwei Widerstände, R₁ und R₂, und einen Ladekondensator C gebildet. Der Ladekondensator ist zunächst ungeladen, wodurch über den TRIG-Eingang das interne Flip-Flop gesetzt wird, der DIS-Ausgang hochohmig ist und der Kondensator über die beiden Widerstände geladen wird. Bei Erreichen von ²/₃ der Versorgungsspannung am Kondensator C wird das interne Flip-Flop zurückgesetzt, wodurch der DIS-Ausgang gegen Masse (GND) geschaltet wird. Dadurch entlädt sich der Kondensator über den Widerstand R₂ und den DIS-Ausgang gegen Masse. Die Entladung erfolgt so lange, bis der Kondensator auf ¹/₃ der Versorgungsspannung entladen ist. Dann wird das Flip-Flip erneut gesetzt und der Vorgang beginnt von Neuem.

Damit lässt sich die Oszillatorfrequenz f in Abhängigkeit der Bauelemente R₁, R₂ und C bestimmen zu:

$f = \frac{1}{(R_1 + 2R_2) \cdot C \cdot \ln(2)}$

Durch unterschiedliche Wahl von R₁ und R₂ lassen sich verschiedene Pulsbreitenverhältnisse wählen. Die Zeitdauer t_high für den High-Impuls am Ausgang ist

$t_{high} = (R_1 + R_2) \cdot C \cdot \ln(2)$

Die Zeitdauer t_low für den Low-Impuls am Ausgang ist gegeben als:

$t_{low} = R_2 \cdot C \cdot \ln(2)$

Die Widerstandswerte dürfen dabei nicht zu niederohmig gewählt werden, um eine Überlastung der Ausgangsstufen zu vermeiden. So kann beispielsweise mit dieser einfachen Grundschaltung kein Pulsbreitenverhältnis von 50:50 erreicht werden, da dann der Widerstand R₁ mit einem nötigen Wert von 0 Ω einen Kurzschluss darstellen würde.

Betriebsdaten

Diese Angaben gelten für den NE555. Andere Spielarten des 555-Timer können abweichende Spezifikationen haben.

Versorgungsspannung (VCC)	4,5–15 V
Versorgungsstrom (VCC = +5 V)	3–6 mA
Versorgungsstrom (VCC = +15 V)	10–15 mA
Maximaler Ausgangsstrom	200 mA
Maximale Verlustleistung	600 mW
Minimale Leistungsaufnahme	30 mW (bei 5 V), 225 mW (bei 15 V)
Betriebstemperatur	0–70 °C

Varianten und Derivate

Dual-Timer 556 im 14 poligen DIP-Gehäuse

Der NE555 wurde im Laufe der Jahre von sehr vielen Halbleiterherstellern nachgebaut und ebenfalls NE555 benannt. Teilweise werden andere Typenbezeichnungen verwendet, wie beispielsweise MC1455 von ON Semiconductor (früher Motorola), LM555 von National Semiconductor, KA555 von Fairchild Semiconductor (früher Samsung) oder der SN72555 von Texas Instruments. Es wurden auch im Ostblock Nachbauten hergestellt, wie der K1006ВИ1 aus der ehemaligen UdSSR.

Die verfügbaren Chipgehäuse änderten sich im Laufe der Jahre: Der NE555 wurde von Anfang an sowohl im Plastikgehäuse, dem Dual in-line package (DIP) und in hermetisch dichten, runden Metallgehäuse (TO-78 „metal can“) hergestellt. Letztere Gehäuseform ist heute nicht mehr üblich. Für Militär- und Weltraumanwendungen wird der NE555 auch in Keramikgehäusen (CERDIP, LCC) verpackt. In den 1980er Jahren folgten Varianten als Surface Mounted Device (SMD) wie SOIC, SSOP oder TSSOP.

Die CMOS-Varianten des 555 sind zu den Bipolarversionen weitgehend elektrisch kompatibel: sie besitzen das gleiche Pinout und haben einen geringeren Stromverbrauch. Sie erlauben aufgrund des geringeren Eingangsstroms größere Widerstandswerte, haben Rail-to-Rail-Ausgänge, einen nach unten erweiterten Versorgungsbereich und zur Entladung dient statt des Bipolartransistors einen open-drain-MOSFET. Sie haben jedoch einen kleineren maximalen Ausgangsstrom.

Die Firma Zetex hat mit dem ZSCT1555 als eine der wenigen Firmen eine veränderte bipolare Version herausgebracht, die in einem Spannungsbereich bis hinunter auf 0,9 V arbeitet und somit für den Betrieb aus einer einzelnen Batterie-Zelle geeignet ist. Dieses Design stammt ebenfalls von Hans Camenzind.

Verschiedene Hersteller produzieren neben dem einfachen 555 auch einen Dual-Timer 556 mit zwei identischen 555-Timern auf einem Chip. Er besitzt 14 Anschluss-Pins, da die Spannungsversorgung GND und V_CC nur einfach vorhanden ist. Der Quad-Timer 558 beinhaltet vier Schaltkreise in einem 16-poligen Gehäuse. Sie unterscheiden sich jedoch etwas vom 555, da die Anschlüsse Discharge und Threshold intern verbunden sind und als Timing bezeichnet werden. Der Anschluss Trigger reagiert auf fallende Flanke, der Ausgang ist als Open-Collector-Ausgang ausgeführt.

Die nachfolgende Tabelle stellt eine Auswahl von aktuellen und ehemaligen Herstellern der 555-Timerschaltung mit deren Typenbezeichnung und Besonderheiten zusammen.

Hersteller	Modell	Anmerkung
Avago Technologies	Av-555M
Custom Silicon Solutions	CSS555/CSS555C	CMOS (ab 1,2 V), IDD < 5 µA IP-Core für ASICs
CEMI	ULY7855
ECG Philips	ECG955M
Exar	XR-555
Fairchild Semiconductor	NE555/KA555
HFO (DDR)	B555
Harris	HA555
IK Semicon	ILC555	CMOS (ab 2 V)
Intersil	SE555/NE555
Intersil	ICM7555	CMOS
Lithic Systems	LC555
Maxim	ICM7555	CMOS (ab 2 V)
Motorola	MC1455/MC1555
National Semiconductor	LM1455/LM555/LM555C
National Semiconductor	LMC555	CMOS (ab 1,5 V)
NXP Semiconductors	ICM7555	CMOS
NTE Sylvania	NTE955M
Raytheon	RM555/RC555
RCA	CA555/CA555C
STMicroelectronics	NE555N/ K3T647
Texas Instruments	SN52555/SN72555
Texas Instruments	TLC555	CMOS (ab 2 V)
Nachbau aus der UdSSR	K1006ВИ1
Zetex	ZSCT1555	bis zu 0,9 V

Datenblätter

• NE/SA/SE555/SE555C Product Specification. Philips Semiconductors, 1994, (Nr. 853-0036 13721).
• NE555 and NE556 applications. Philips Semiconductors, 1988 (Application Note AN170).
• Datenblatt von Fairchild (PDF-Datei; 150 kB)

Literatur

• Roland Jeschke: Blinken, Tönen, Steuern mit dem Timer 555. 2. Auflage. Frech-Verlag, Stuttgart 1982, ISBN 3-7724-0332-8.
• Karl-Heinz Bläsing, Klaus Schlenzig: Timerschaltkreise B 555 D und B 556 D Informationen und Applikationen. MV–Berlin, 1984.
• Patrick Schnabel, Thomas Schaerer: Timer 555. Grundlagen, anwendungsorientierte Schaltungen und Auszüge aus Datenblättern zu einem Elektronik-Workshop. Das Elektronik-Kompendium. (Online).

Weblinks

 Commons: NE555 – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Einführung und Grundschaltungen
• Grundschaltungen zum 555; Formular zur Berechnung
• Schaltungen zum 555
• Innenbeschaltung des NE555 (Abb. 2-9), Hans-Hellmuth Cuno (PDF-Datei, 135 kB)
• komplexe Problemlösungen mit 555 (englisch)
• Tony van Roon (1995): 555 Timer Tutorial Tony van Roon (VA3AVR) Website.

Einzelnachweise

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