Jste zde

Hans Camenzind a jeho časovač 555

Ing. Robert Láníček, 13. Červenec 2020 - 8:33

Před sedmi lety zemřel Hans Camenzind. Je autorem 140 integrovaných obvodů, konceptu fázového závěsu i zesilovače třídy D. Ale nejvíce ho proslavil návrh uživatelsky jednoduchého obvodu 555.

Je to nejrozšířenější integrovaný obvod vůbec a použití 555 sahá od hraček až po kosmické lodě. Zajímavá je i historie vzniku obvodu. Pro nezájem zaměstnavatele, který si nechtěl snižovat zisky z prodeje OZ, zariskoval a navrhl obvod jako konzultant (viz interview). A od roku 1972 se až na CMOS variantu vyrábí v prakticky nezměněné podobě dodnes a počet vyrobených je v miliardách.

V tomto videu má přednášku o Nikolovi Teslovi a v následujícím videu ho můžete vidět v laboratoři. Víc videí jsem už bohužel na netu nenašel.

Ale zato se dají najít odborné publikace autora. Máte-li zájem, můžete se nechat inspirovat jedním z velikánů analogové elektroniky. Jinak autor vyvrací, že by obvod dostal název 555 od vstupního děliče napětí na třetiny (5k/5k/5k), což se sice dobře pamatuje, ale ve skutečnosti byl název zvolen a navazoval na obvody fázového závěsu, které vyvinul předtím. A to je také zajímavá historie. Camenzind hledal jiné řešení ladění než klasické LC obvody, protože cívky se v integrovaných obvodech realizují obtížně. A našel inspiraci v předválečných sbornících elektroniky, kde byl princip naznačen a pak, ho upoutal nějaká zmínka o tom, že s fázovým závěsem pracovala i NASA při přijímání signálů v programu Apollo.

V knížce Navrhování analogových čipů, najdete mimo jiné: Earlyho napětí, diodovou rovnici, ale i možnosti počítačové simulace. Kromě vysvětlení klasických AC, DC a Transient má pro opakovatelnost návrhu význam i hazardní simulace MonteCarlo, což je úloha, kterou bez počítače prakticky nelze vyřešit. Součástky totiž mají určitou toleranci. Ještě relativně snadno lze zkusit simulaci nejhoršího případu (Worst Case), ale Monte Carlo dokáže odsimulovat tisíce náhodných kombinací použitých součástek a pomoci tak odhadnout opakovatelnost vlastnosti zapojení i s reálnými součástkami. A pak jsou v knížce vysvětleny klasické bloky, jako jsou proudová zrcadla, rozdílové stupně, proudové zdroje, decibely atd. Je to doplněno historickými exkurzemi, jako je vynález tranzistoru, Schmittův klopný obvod (1934), či první výpočet skutečné efektivní hodnoty RMS (Charles Steinmetz 1889). Dále je vysvětlen tepelný šum, Fourierova analýza (včetně zmínky o Napoleonově tažení do Egypta), zkreslení, frekvenční kompenzace. Následují referenční zdroje napětí (bandgap) a operační zesilovače a komparátory. A samozřejmě jsou v knížce vysvětleny i časovače a generátory. A je tam i schéma EWB varianty 555 AKO, 50% duty cycle oscillator s nabíjením kondenzátoru z výstupu. Dokonce je v knížce vysvětlen i tvarovač trojúhelník/sinus používaný ve funkčních generátorech (viz počátek tohoto seriálu). A relaxační generátor využitý pro blikání ledky vybíjecím proudem kondenzátoru je tam taky. Dalšími kapitolami jsou LC a krystalové oscilátory a fázový závěs. Následují filtry, spínané kapacitory a stabilizátory napětí včetně spínaných zdrojů. A protože se autor zasloužil i o spínané zesilovače třídy D, tak jejich vysvětlení je tam samozřejmě také. A nechybí ani AD a DA převodníky a vysvětlení spousty dalších obvodů v dodatku. Knížek věnovaných elektronice je mnoho, ale občas jsou to jen opisy jeden od druhého, kdežto tohle je přímo od pramene a od jednoho z největších elektroniků vůbec. Knížka je volně ke stažení, ale ukázku dávat nebudu, protože si to autor nepřál. Mimochodem obvod 555 patentován nebyl a v rámci RVHP ho myslím vyráběli ve východním Německu.

Je pravděpodobné, že u bipolární verze byly problémy s AKO s RC z výstupu, ale u CMOS už je to vedeno jako hlavní varianta klopného obvodu a klasické řešení se dvěma odpory se uvádí jako alternativní varianta.

Odpor 10k doplňující vnitřní vybíjecí tranzistor na zapojení SE nebyl použit ani v předchozím zapojení a zastoupil ho vstupní odpor osciloskopu. Od ideálních zapojení se realizované obvody liší. Třeba je zapotřebí počítat s tím, že řady kontaktů v kontaktním poli mají mezi sebou kapacitu řádově v pikofaradech. Ale mnohem větší kapacitu má vstupní dělič osciloskopu (cca 20pF) a koaxiální kabel mívá přes 100pF. Což je dostatečná kapacita, aby se dal AKO sestavit i bez kondenzátoru a využít kabel pro časovou konstantu generátoru.

No a na závěr dám ještě vrabčí hnízdo s improvizovaným zdrojem proudu nastaveným trimrem pomocí multimetru na 0,1mA. Zpožďovací člen zapojen nebyl, takže vybití na nulu garantováno není a ani linearita nabíjení není dokonalá.