555 타이머 IC 마스터하기: 원리, 블록 다이어그램, 회로도 완전 정복

이 튜토리얼에서는 역대 가장 인기 있고 널리 사용되는 IC 중 하나인 555 타이머가 어떻게 작동하는지 배워보겠습니다. 아래 비디오를 시청하거나 작성된 튜토리얼을 읽어보세요.

개요

1971년 Hans Camenzind가 설계한 555 타이머는 장난감과 주방 가전부터 우주선까지 많은 전자 장치에서 찾아볼 수 있습니다. 정확한 시간 지연과 발진을 생성할 수 있는 매우 안정적인 집적 회로입니다. 555 타이머는 바이스테이블(bistable), 모노스테이블(monostable), 어스테이블(astable) 세 가지 동작 모드를 가집니다.

작동 원리, 내부 회로도 및 블록 다이어그램

555 타이머 내부를 자세히 들여다보고 세 가지 모드 각각에서 어떻게 작동하는지 설명하겠습니다. 555 타이머 내부 회로도는 25개 트랜지스터, 2개 다이오드, 15개 저항으로 구성됩니다.

블록 다이어그램으로 표현하면 2개 비교기, 플립플롭, 전압 분배기, 방전 트랜지스터, 출력 단으로 구성됩니다.

전압 분배기는 세 개의 동일한 5k 저항으로 구성되어 공급 전압(5~15V 범위)의 1/3과 2/3 지점에 두 기준 전압을 만듭니다.

다음은 두 비교기입니다. 비교기는 양(비반전) 및 음(반전) 입력 단자의 두 아날로그 입력 전압을 비교하는 회로 요소입니다. 양 입력 단자 전압이 음 입력 단자 전압보다 높으면 비교기 출력은 1입니다. 반대로 음 입력 단자 전압이 높으면 출력은 0입니다.

첫 번째 비교기 음 입력 단자는 전압 분배기의 2/3 기준 전압과 외부 "Control" 핀에 연결되고, 양 입력 단자는 외부 "Threshold" 핀에 연결됩니다.

반면 두 번째 비교기 음 입력 단자는 "Trigger" 핀에, 양 입력 단자는 전압 분배기의 1/3 기준 전압에 연결됩니다.

따라서 Trigger, Threshold, Control 세 핀을 사용해 두 비교기 출력을 제어하고, 이는 플립플롭의 R과 S 입력으로 들어갑니다. 플립플롭은 R=0, S=1일 때 1을 출력하고, R=1, S=0일 때 0을 출력합니다. 또한 외부 "Reset" 핀으로 플립플롭을 리셋할 수 있어 두 입력을 오버라이드해 언제든 타이머 전체를 리셋할 수 있습니다.

플립플롭의 Q-bar 출력은 출력 단(출력 드라이버)으로 가며 부하에 200mA 전류를 소스 또는 싱크할 수 있습니다. 플립플롭 출력은 "Discharge" 핀을 그라운드에 연결하는 트랜지스터에도 연결됩니다.

555 타이머 - 바이스테이블 모드

이제 555 타이머가 바이스테이블 모드로 동작하는 예제를 만들어보겠습니다. 이를 위해 외부 저항 두 개와 푸시버튼 두 개가 필요합니다.

IC의 Trigger와 Reset 핀을 두 저항을 통해 VCC에 연결해 항상 하이 상태입니다. 두 푸시버튼은 이 핀들과 그라운드 사이에 연결돼 눌리면 입력 상태가 로우가 됩니다.

초기에는 두 비교기 출력이 0이므로 플립플롭 출력과 555 타이머 출력도 0입니다.

Trigger 푸시버튼을 누르면 Trigger 입력 상태가 로우가 돼 비교기 출력이 하이가 되고 플립플롭 Q-bar 출력이 로우가 됩니다. 출력 단이 이를 반전시켜 555 타이머 최종 출력이 하이가 됩니다.

Trigger 푸시버튼을 떼어도 플립플롭 입력 R, S가 0이 돼 이전 상태를 유지하므로 출력은 하이 상태를 유지합니다. 출력을 로우로 만들려면 Reset 푸시버튼을 눌러 플립플롭과 IC 전체를 리셋해야 합니다.

관련 튜토리얼: 슈미트 트리거란? | 작동 원리

555 타이머 - 모노스테이블 모드

다음으로 555 타이머가 모노스테이블 모드로 작동하는 방식을 봅시다. 예제 회로는 다음과 같습니다.

Trigger 입력을 저항으로 VCC에 연결해 하이 상태로 유지합니다. 즉 Trigger 비교기 출력이 플립플롭 S 입력으로 0입니다. 반면 Threshold 핀은 로우라 Threshold 비교기 출력도 0입니다. Threshold 핀이 로우인 이유는 플립플롭 Q-bar 출력이 하이여서 방전 트랜지스터가 활성화돼 전원에서 오는 전압이 그 트랜지스터를 통해 그라운드로 가기 때문입니다.

Trigger 핀 푸시버튼을 눌러 555 타이머 출력 상태를 하이로 변경합니다. Trigger 핀이 그라운드돼 입력 상태가 0이 되고 비교기 출력이 플립플롭 S 입력으로 1이 됩니다. 이로 인해 Q-bar 출력이 로우가 되고 555 타이머 출력이 하이가 됩니다. 동시에 방전 트랜지스터가 꺼져 커패시터 C1이 저항 R1을 통해 충전되기 시작합니다.

커패시터 전압이 공급 전압의 2/3에 도달할 때까지 555 타이머는 이 상태를 유지합니다. 그러면 Threshold 입력 전압이 높아져 비교기 출력이 플립플롭 R 입력으로 1이 됩니다. 이로써 회로가 초기 상태로 돌아옵니다. Q-bar 출력이 하이가 돼 방전 트랜지스터를 활성화하고 IC 출력을 다시 로우로 만듭니다.

555 타이머 출력이 하이인 시간은 커패시터가 공급 전압의 2/3까지 충전되는 데 걸리는 시간에 달려 있으며, 이는 커패시터 C1과 저항 R1 값에 따라 달라집니다. 다음 공식으로 이 시간을 계산할 수 있습니다: T = 1.1 * C1 * R1.

555 타이머 - 어스테이블 모드

다음으로 555 타이머가 어스테이블 모드로 작동하는 방식을 봅시다. 이 모드에서 IC는 발진자 또는 프리 러닝 멀티바이브레이터가 됩니다. 안정한 상태가 없고 외부 트리거 없이 하이와 로우 사이를 지속적으로 전환합니다. 555 타이머 어스테이블 모드 예제 회로는 다음과 같습니다.

두 저항과 커패시터만 필요합니다. Trigger와 Threshold 핀이 서로 연결돼 외부 트리거 펄스가 필요 없습니다. 처음에는 전원이 저항 R1, R2를 통해 커패시터 충전을 시작합니다. 충전 중 Trigger 비교기 출력은 Trigger 핀 입력 전압이 공급 전압의 1/3보다 낮아 1입니다. 즉 Q-bar 출력이 0이고 방전 트랜지스터는 닫힙니다. 이때 555 타이머 출력은 하이입니다.

커패시터 전압이 공급 전압의 1/3에 도달하면 Trigger 비교기 출력이 0이 되지만 이 시점에선 플립플롭 R, S 입력이 둘 다 0이라 변화가 없습니다. 커패시터 전압은 계속 상승해 2/3에 도달하면 Threshold 비교기 출력이 플립플롭 R 입력으로 1이 됩니다. 방전 트랜지스터가 활성화되고 커패시터가 저항 R2와 방전 트랜지스터를 통해 방전되기 시작합니다. 이 순간 555 타이머 출력은 로우입니다.

방전 중 커패시터 전압이 하락하기 시작하고 Threshold 비교기는 즉시 0을 출력하지만, 이제 플립플롭 R, S 입력이 둘 다 0이라 변화가 없습니다. 하지만 커패시터 전압이 공급 전압의 1/3로 떨어지면 Trigger 비교기 출력이 1이 됩니다. 방전 트랜지스터가 꺼지고 커패시터가 다시 충전되기 시작합니다. 이렇게 2/3와 1/3 공급 전압 사이 충방전 과정이 스스로 계속되며 555 타이머 출력에 구형파를 생성합니다.

표시된 공식으로 출력이 하이와 로우인 시간을 계산할 수 있습니다. 하이 시간은 R1, R2 저항과 커패시턴스에 의존하고, 로우 시간은 R2 저항과 커패시턴스에만 의존합니다. 하이와 로우 시간을 합하면 한 주기(Period)가 되고, 주파수는 초당 이 과정이 몇 번 일어나는지이므로 1/Period로 구형파 출력 주파수를 구할 수 있습니다.

이 회로에 수정을 가하면, 예를 들어 R2 저항을 가변 저항이나 포텐셔미터로 바꾸면 구형파 주파수와 듀티 사이클을 즉각 제어할 수 있습니다. 하지만 이에 대한 더 자세한 내용은 다음 비디오에서 555 타이머로 PWM DC 모터 속도 제어기를 만들며 다루겠습니다.

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