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NE555 타이머 (feat 74HC4060) 본문
NE555란
오늘 소개드릴 IC는 전자과라면 한번쯤은 들어본적이 있는(들어본적이 있어야 하는) NE555입니다. 기능 자체는 단순합니다. 설정된 조건마다 출력핀(주로 3번핀)의 값을 0과 1로 출력합니다. 끝. 단순한 IC입니다.
간략하게 NE555의 위상을 소개하자면, NE555는 매우매우 유명한 타이머 IC입니다.(얼마나 유명하면 나X위키에 혼자 따로 문서가 있는 수준입니다.) 1971년에 개발된 역사가 긴 IC로 매년 수억개가 생산되는 베스트셀러라고 볼 수 있습니다.
NE555 핀맵
우선 데이터시트부터 공유하겠습니다. 직접 데이터시트를 읽어보는게 가장 중요하니까요.
https://www.alldatasheet.co.kr/view.jsp?Searchword=NE555
LM324 데이터시트, PDF
LM324 데이터시트. 부품명: LM324. 데이터시트: 136Kb/7P. 제조업체: NXP Semiconductors. 상세설명: Low power quad op amps. 1,089 Results. 데이터시트: 142Kb/14P. 제조업체: STMicroelectronics.
www.alldatasheet.co.kr:443
NE555의 경우 주로 8핀 IC로 패키징되어있습니다. 따라서 각 핀에 대한 핀아웃을 먼저 설명하겠습니다.
1번 GND: 전력을 공급하기 위한 단순한 음극 핀 입니다. 마이너스 전원과 연결하면 됩니다.
2번 Trigger: 5번핀이 기본상태일때, 2번핀의 전위가 (1/3)×Vcc 이하로 걸리면, 3번핀의 값을 1(Vcc)로 설정합니다.
3번 Output: 2번, 6번핀에 따라 전위가 바뀌는 핀 입니다. 기능적으로 표현하자면 설정된 펄스신호를 내보내는 출력핀입니다.(거 이름부터 Output이잖아요. 출력역할!) 기본적으로 처음 IC가 동작하기 시작하면 0값으로 초기화 됩니다.
4번 Reset: IC에 하나쯤은 있는 그 Reset핀입니다. 여기서도 마찬가지로 파워가 걸린이후 정상동작을 하기 위해서 High신호를 입력(따라서 일반적인 사용을위해서는 입력저항을 통해 VCC와 연결합니다.)해 줘야 합니다. 이걸 3번핀과 연동하여 4번핀으로 초기화해서 3번핀을 강제로 0을 가지게 할 수 있습니다.
5번 Control Voltage: 2번, 6번핀의 판정기준을 바꿉니다. 5번핀에 걸리는 전위가 6번핀의 판정전위 입니다. 기본적으로는 (2/3)×Vcc의 값을 가지지만, 만약 5번핀에 nV를 인가하면 6번핀의 판정기준전위는 nV가 되고, 6번핀이 변함에 따라 2번핀의 판정기준전위는 (1/2)×nV가 됩니다.
6번 Threshhold: 2번핀과는 반대로, 5번핀이 기본상태인 경우 6번핀의 전위가 (2/3)×Vcc 이상으로 걸리면, 3번핀의 값을 0(GND)로 설정합니다.
7번 Discharge: 이름처럼 방전시키는 핀입니다. 3번핀이 1이면 Hi-Z를 가지고, 3번핀이 0이면 GND와 연결됩니다. NE555를 사용하려면 이 IC자체로만으로는 절대 타이머를 못만들고 외부에 커패시터와 저항을 달아야 하는데 이때 커패시터를 적절한 시간에 적절한 속도로 방전시켜 특정주파수와 특정듀티사이클을 만들게 합니다.
8번 VCC: 1번핀처럼 전력을 공급하기 위한 단순한 양극 핀 입니다. 플러스 전원과 연결하면 됩니다.
NE555동작원리
NE555는 내부적으로 다음과 같은 회로로 구성되어 있습니다.(시간있으신 분들은 이때의 회로를 핀맵과 연결하여 왜 그런 기능을 하는지까지 생각해보셔도 좋을거 같아요.)
이를 가지고 어떻게 이 IC를 써먹을지 생각해봅시다. NE555주위의 회로를 어떻게 구성하냐에 따라 다양하게 사용할 수 있겠죠?
Astable Mode
흔히 저희가 말하는 특정주파수, 특정듀티사이클의 펄스를 만들어내는 모드입니다. 적절한 회로만 구성하면 전원만 공급해도 외부간섭없이 알아서 펄스를 만들어냅니다. 이때 사용되는 외부부품은 도선, 커패시터(C), 저항두개(R1, R2) 입니다.
보통 해당 모드를 쓰기 위한 외부회로의 구성은 다음과 같습니다.
1번 (GND): 전원 마이너스, C와 연결합니다.
8번 (VCC): 전원 플러스. R1과 연결합니다.
4번 (Reset): 8번(VCC)에 연결하여 리셋을 끕니다.
2번 (Trigger) & 6번 (Threshold): 서로 선으로 연결한 뒤, 그 지점에 R2와 C를 연결합니다.
7번 (Discharge): R1과 R2을 연결합니다.
3번 (Output): 출력. LED를 연결하거나 게이트에 연결합시다.
5번 (Control): 보통 비워둬도 문제없습니다.
말로만 설명을 하기엔 사실 좀 뭣합니다. 따라서 위 회로도를 직접 참조하시는게 더 보기 편리할거에요. 아무튼 이런식으로 회로를 설계했다고 가정하고 회로해석을 하겠습니다. 우선 전력이 들어오면 커패시터가 점점 충전되기 시작합니다. 이때 커패시터가 차게되면 2,6번핀의 전위는 증가하고 일정량 이상 증가하면 6번핀 조건에 따라 3번핀이 0으로 떨어집니다. 3번핀이 0으로 떨어졌기에 7번핀은 GND와 연결되기에, 저항을거쳐 커패시터는 방전됩니다. 그러면 방전됨에 따라 전위가 낮아지는데 이때 일정량 이상 감소하면 2번핀 조건에 따라 3번핀이 1로 올라갑니다. 그러면 7번핀은 Hi-Z상태가 되어 다시 전류가 커패시터로 흘러 커패시터가 충전되며 6번핀의 조건을 만족하게 됩니다. 이런 과정이 반복되어 펄스를 만듭니다.
당연히 커패시터와 저항의 값에 따라 3번핀이 0과 1을 오가는 속도가 다를 것입니다. 이 특징을 가지고 출력 펄스가 수식화되어 있습니다.
오늘 실험에서도 위 공식을 사용하였습니다.
Monostable Mode
2번핀에 하강엣지 입력을 받으면, 특정시간동안 3번핀을 0에서 1로 유지하다가, 정해진 시간이 지나면 0으로 돌아오는 구성입니다.
회로구성을 간략하게 보자면 2번핀을 입력핀으로 풀업-하강엣지 구성을 합니다. 6번핀과 7번핀은 쇼트시키고, 6,7번핀을 VCC와는 저항으로, GND와는 커패시터로 연결합니다.
평상시의 2번핀은 풀업저항으로 Vcc가 걸려있고, 3번핀은 처음 전원을 넣으면 0으로 초기화되기에, 6번핀의 경우 7번핀에 의해 0V가 걸려있습니다. 그러다 2번핀에 신호가 입력되어 2번핀 전위가 GND로 떨어지면, 2번핀 조건에 따라 3번핀은 1이되고, 7번핀은 Hi-Z가 걸립니다. 그러면 6번핀에 걸리는 전위는 Vcc까지 상승하는데, 이 속도가 커패시터에 의해 천천히 증가합니다. 그렇게 6번핀의 전위가 천천히 증가하다가 6번핀의 판정전위를 넘긴다면, 다시 3번핀은 0으로 떨어지고 7번핀에 의해 6번핀 전위도 감소합니다.
이때 커패시터때문에 3번핀이 2번핀에 입력이 들어간 이후 3번핀이 1을 유지하는 시간이 길어진것을 볼 수 있습니다. 따라서 커패시터와 6,7번핀으로 흘러오는 전하를 조정하는 저항값을 가지고 3번핀이 1을 유지하는 시간을 정할 수 있겠죠?
Bistable Mode
2번핀에 하강엣지 입력받으면 3번핀을 1로 유지, 4번핀에 하강엣지를 입력받으면 3번핀을 0으로 유지하는 구성입니다.
회로구성은 우선 6번핀을 GND와 연결하여 3번핀이 6번핀에 의해 0이되지 않게 합니다. 2, 4번핀은 풀업저항으로 신호를 받는 구성을 합니다. 그러면 2번핀이 기본적으로 High여서 3번핀은 초기화상태인 0이고, 4번핀이 High이기에 리셋되지 않고 NE555가 돌아는 가게 합니다. 그러다...
2번핀이 눌림: 그러면 2번핀이 GND로 떨어지기에 2번핀 판정조건에 의해 3번핀은 1이 되고 이는 영구히 유지됩니다.(3번핀을 다시 0으로 만들려면 6번핀이 올라가야 하는데 6번핀은 접지 고정이라 불가능)
4번핀이 눌림: IC전체가 리셋되어 3번핀이 초기값인 0을 영구히 유지합니다.
따라서 이 모드에서는 2번핀 신호로 3번핀을 1로 고정, 4번핀 신호로 3번핀을 0으로 고정하는 용도로 사용할 수 있습니다. 즉 3번핀은 안정적으로 전원이 들어오고 이후 2,4번핀에 하강엣지가 들어오지 않는 이상 특정값을 영구히 유지합니다.
NE555 회로실험
실전이 중요한만큼, 오늘도 역시 이론으로 끝내지 않고 NE555를 가지고 회로실험을 진행하였습니다.
5번핀 전위 측정하기
5번핀의 경우, 일반적으로 Vcc의 2/3의 값을 가진다고 했습니다. 따라서 멀티미터로 직접 측정해보았습니다.
Vcc의 경우 5V를 인가했다면, TTL오차를 감안하여 대략 3.2V~3.5V정도 나올 것입니다.
실험이 잘 되었는지 값이 잘 나옴을 확인할 수 있었습니다.
저주파 Astable Mode 구성하기
대표적인 모드입니다. 아래의 회로도처럼 정식적인 방법대로 구성하였습니다.
우선 가변저항 105에 대해서 설명하자면, 앞의 두자리가 10, 뒤가 10의 5승으로 둘을 곱해 10^(1+6)입니다. 따라서 105가변저항은 0Ω~1MΩ의 값을 가집니다. 그다음 Astable Mode의 공식에 대입해봅시다. 우선 변수는 다음과 같습니다.
R1=100k [Ω]
R2=3.3M~4.3M [Ω]
C=93n [F]
이 값을 공식에 대입하면 f=1.78~2.31 Hz, duty=50.5~50.8 % 를 가지게 됩니다. 즉, 듀티비는 사실상 절반이고, 펄스주기는 육안으로 확인가능한 0.43~0.56 초 입니다. 가변저항에 따라 LED가 깜빡이는 속도가 변함을 확인할 수 있을 것입니다. 아래 두개의 사진은 가변저항을 끝과 끝으로 고정시킨 상태입니다. LED점멸속도가 차이가 있음을 알 수 있습니다.
해당 구성에서 가변저항을 반시계방향으로 돌릴수록 저항값은 커집니다. 이번에는 전원이 연결된 상태에서 가변저항의 값을 바꿨습니다.
사실, 이 실험에서는 큰 문제가 하나 있었습니다. 바로 커패시터가 표기된 값을 그대로 가지지 않았습니다. 분명 104커패시터는 100nF를 가집니다. 그러나 개별로는 45nF정도밖에 가지지 않았습니다.(물론 커패시터가 리액턴스 소자이기에 측정하고 충분한 시간이 지난 안정상태에서 값을 읽어야 합니다만 그걸 감안해도 너무 작습니다.) 따라서 2개를 병렬로 연결하여 약 93nF로 목표의 100nF를 맞출려고 했습니다. (여담으로 제가 555타이머를 처음 다룰때가 의외로 제가 회로실험을 거의 처음 시작할때였습니다. 이때 60Hz, 50% 펄스를 만들려고 했는데 듀티사이클은 잘 맞는데 주파수가 매번 맞지않는 문제가 있었습니다. 그당시에는 ADC핀을 사용한 오실로스코프나 커패시터를 측정하는 멀티미터가 없기에 미제사건으로 남았다가 이번에 커패시터 값이 실제로 다름을 확인할 수 있었습니다.)
고주파 Astable Mode 구성하기
위에서 구성한 회로는 상대적으로 저주파회로입니다. 고주파회로도 이론처럼 만들수는 있을거같은데, 육안으로 확인을 할 수 없습니다. 즉 오실로스코프가 필요한데 제가 (돈이 없어서)가지고 있지는 않았습니다. 따라서 저는 예전에 라디오 송신용으로 구매했던 부품인 74HC4060을 사용하였습니다. 그러므로 여기서 74HC4060을 간략히 설명하고 넘어가겠습니다.
74HC4060
https://www.alldatasheet.co.kr/view.jsp?Searchword=74HC4060
LM324 데이터시트, PDF
LM324 데이터시트. 부품명: LM324. 데이터시트: 136Kb/7P. 제조업체: NXP Semiconductors. 상세설명: Low power quad op amps. 1,089 Results. 데이터시트: 142Kb/14P. 제조업체: STMicroelectronics.
www.alldatasheet.co.kr:443
간략히 말해서 발진기+분주기입니다.
발진기: 외부에 적절한 R과 C를 구성하여 구형파를 출력할 수 있습니다. 이때 주파수는 아래의 공식처럼 적용됩니다.
분주기: 11번핀에 분주할 신호를 입력하면 각 출력핀에는 고정된 분주비에 따라 신호가 출력됩니다.
- 7번 핀: 입력 주파수/16
- 5번 핀: 입력 주파수/32
- 4번 핀: 입력 주파수/64
- 6번 핀: 입력 주파수/128
- 14번 핀: 입력 주파수/256
- 13번 핀: 입력 주파수/512
- 15번 핀: 입력 주파수/1024
- 1번 핀: 입력 주파수/4096
- 2번 핀: 입력 주파수/8192
- 3번 핀: 입력 주파수/16384
이번실험에서는 74HC4060의 발진기능은 사용하지 않고 NE555의 출력을 74HC4060의 11번핀에 연결하여 고주파신호를 분주하는 역할만 수행하게 할 것입니다. 고주파신호를 보고 싶기에 분주비가 가장 높은 1,2,3번핀을 사용할것입니다.
우선 NE555를 이전처럼 대략 2Hz의 저주파가 아니라 25kHz가 나오게 설정해 주겠습니다. 그러면 3번핀기준 분주를 한다면 2Hz이하로 육안으로 보기 적합한 주파수가 나옵니다. 이때 설정한 세팅은 다음과 같습니다.
R1=1000 [Ω]
R2=10k [Ω]
C=2.7nF [C] (정확히는 222커패시터를 써서 2.2nF를 쓰고 싶었지만 실측정시 2.7nF가 나왔습니다. 실험에 큰 지장은 없어서 그냥 사용하였습니다.)
계산을 하면 대략 25.4kHz가 나옵니다. 다음으로 회로는 아래와 같이 구성하였습니다.
우선 이걸 LED의 NMOS 게이트에 그대로 인가하였습니다.
깜빡이는 것입니다. 다만 당연하게도 초당 25000회 깜빡이기 때문에 깜빡이는걸 볼 수 없을 뿐입니다. 따라서 분주를 해주었습니다.
육안으로 볼 수 있을정도로 분주가 되었기에 처음에 가정했던 값인 25kHz가 대략적으로 맞음을 확인할 수 있습니다.
사용된 파일
회로도
비디오
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