555-Emulation (V1)

Niemand braucht die folgende Schaltung. Trotzdem war es interessant, das Innenleben eines 555 mit möglichst einfachen Mitteln nachzubilden. 12 Transistoren und 21 Widerstände realisieren zwar nicht genau das, was der originale bipolare 555 kann, aber die wichtigsten Anwendungsschaltungen wie Monoflop und AMV sind möglich.

Die originale integrierte 555-Schaltung aus einem ST-Datenblatt ist schon in den 555-Grundlagen beschrieben und sieht wie folgt aus:

Innenschaltung des Original-NE555 lt. Datenblatt von STMicroelectronics 1998

Auf Basis dieser Innenschaltung entstand unter Verzicht auf Präzision der Schwellwerte und maximale Grenzfrequenz die folgende Emulationsschaltung.

Schaltungsbeschreibung

Threshold- und Trigger-Komparator

Wo normalerweise 2 Komparatoren sitzen, wird der Vergleich zwischen der 1/3- und 2/3-Referenz nur mit jeweils einem Transistor zwischen Basis und Emitter vorgenommen. Für die obere Schwelle ist der npn-Transistor Q1 zuständig, für die untere der pnp-Transisor Q2. Die Transistor-Zonenfolge entspricht der des Originals.

(Bild-Wiederholung)

Natürlich hat der einfache Vergleich zwischen Basis und Emitter den Nachteil der Temperaturabhängigkeit der BE-Strecke von -2 mV/°C. Aber das ist nicht bedeutend, wenn es um das Funktionsprinzip geht. Einen richtigen Differenzverstärker mit Transistoren nachzubilden erschien mir zu aufwendig.

Voltage-Referenz

Der Referenz-Spannungsteiler besteht im Original aus drei 5kΩ-Widerständen, um den 1/3- und 2/3-Schwellwert zu erhalten. In der Emulation wurde die Aufteilung so angepasst, dass sich trotz der Basis-Emitter-Schwellspannung Ube eine Eingangsschwelle von 3 bzw. 6 V ergibt (bezogen auf Ub = 9 V). Das heißt, die 1/3-Referenz ist um 0,6 V angehoben, die 2/3-Referenz um 0,6 V abgesenkt. Natürlich sind die resultierenden Eingangsschwellen temperaturabhängig, da die Ube-Strecken mit referenziert werden.

Pegelanpassung

Die Eingangsschwellen 1/3 bzw. 2/3 von Ub müssen zur weiteren Signalverarbeitung auf Masse bezogen werden, ohne zum Beispiel Z-Dioden einzusetzen. Z-Dioden würden ja die relative Unabhängigkeit der Schaltschwellen von der Betriebsspannung zunichte machen.

Die Umsetzung war relativ einfach. Wird die untere Schwelle überschritten, sperrt Q2 und damit auch der GND-bezogene Q4. Der Q4-Kollektor ist also gegenüber GND hochohmig, wenn die Trigger-Spannung größer als 3 V ist. Unter diesem unteren Schwellwert ist Q2 und damit Q4 durchgesteuert. Der Q4-Kollektor führt L.

Wird die obere Schwelle überschritten, ist Q1 durchgesteuert und damit auch Q3 und schließlich auch der GND-bezogene Q8. Q8 ist also durchgesteuert, wenn die Threshold-Spannung größer als 6 V ist. Unterhalb des oberen Schwellwerts sind Q1, Q3 und Q8 gesperrt.

Mit diesen zwei Pegelverschiebungen sind die GND-bezogenen Pegel vorhanden, um das Flip Flop ansteuern zu können.

Flip-Flop und Umschaltung der Kondensatorladung

So wie im 555-Original sorgt das FF dafür, die Ausgangsstufe so anzusteuern, dass sich am Ausgang (Output) ein L ergibt, sobald die obere Schwelle überschritten wird. Andererseits soll am Ausgang H erscheinen, wenn die untere Schwelle unterschritten ist.

Das FF funktioniert wie folgt: Der rechte Transistor-Kollektor Q6 repräsentiert das "Q", d.h. den nichtinvertierten FF-Ausgang. Ist Q6 gesperrt, ist das FF gesetzt (Q = H). Der linke Transistor-Kollektor Q5 ist dem "/Q" (Q negiert) zugeordnet, d.h. dem invertierten FF-Ausgang. Q5 ist also gesperrt, wenn das FF rückgesetzt ist.

Sobald nun die untere Schwelle noch nicht überschritten ist, leiten Q2 und Q4, die Q6-Basis liegt auf GND, das FF ist gesetzt (H am Ausgang). Wird die untere Schwelle dagegen überschritten, sind Q2 und Q4 gesperrt. Das hat aber keinen Einfluss mehr auf das FF, Q6 bleibt gesperrt, der Ausgang bleibt auf H. In der praktischen Anwendung bedeutet das, der externe zeitbestimmende Kondensator wird aufgeladen.

(Bild-Wiederholung)

Wenn die obere Schwelle noch nicht erreicht ist, wird das FF nicht beeinflusst, da Q1, Q3 und Q8 noch gesperrt sind. Steigt aber die Threshold-Spannung über die obere Schwelle, leiten Q1, Q3 und Q8. Q8 zieht die Q5-Basis auf GND, Q5 sperrt. Das FF wird nun rückgesetzt, da Q6 über R12 dominant Basisstrom erhält. Der Ausgang führt L. In der Anwendung bedeutet das, dass der externe Kondensator nicht mehr geladen wird, die H-Zeit des Ausgangs ist zu Ende. Beim Monoflop ist die Aktivzeit zu Ende, beim AMV ist die H-Zeit der aktuellen Rechteckschwingung zu Ende.

Bei rückgesetztem FF führt nicht nur der Ausgang L, sondern es ist auch der Entladetransistor Q7 durchgesteuert (Discharge-Ausgang). Da normalerweise Discharge Pin 7 mit dem externen Kondensator verbunden ist, wird der Kondensator entladen und die gleichzeitig an den Eingängen Trigger und Threshold liegende Kondensatorspannung fällt in Richtung GND.

Das hat aber zur Folge, dass die untere Schwelle am Trigger-Eingang wieder unterschritten wird, und somit über Q2 und Q4 das FF gesetzt wird. Eine neue Kondensator-Aufladung kann beginnen (beim AMV).

Steuerung des Discharge-Ausgangs

Da die 555-Emulation keine richtige Gegentakt-Ausgangsstufe hat, wird der Entlade-Transistor Q7 über Q9 direkt vom Ausgang aus angesteuert. Somit ist Q7 immer durchgesteuert, wenn der FF-Q-Ausgang und auch Pin 3 ein L führen. Das war die einfachste Lösung, um das Schaltverhalten des 555-Originals nachzuahmen.

Steuerung des Reset-Eingangs

Reset-Eingang Pin 4 verlangt ein L, damit das FF rückgesetzt wird. Das soll aber dominant geschehen, d.h. vorrangig vor der Spannungshöhe an den Schwellwert-Eingängen. Bei H am Reset-Eingang soll das FF unbeeinflusst sein.

Diese Wirkung wird erreicht, indem bei L am Pin 4 die Transistoren Q10, Q11 und Q12 durchgesteuert sind. Q11 setzt das FF zurück, so wie Q8 auch. Damit aber über Q4 vom Trigger-Eingang her keine Beeinflussung des FFs erfolgt, wird mit Q12 der Transistor Q4 zusätzlich gesperrt. Somit ist sichergestellt, dass das FF bei L am Reset-Eingang auf jeden Fall rückgesetzt ist und damit der Ausgang L führt.

Voltage Control

So wie wie beim 555-Original ist der Knoten des oberen (2/3) Schwellwerts "herausgeführt". An Pin 5 kann eine Spannung angelegt werden, um die Voltage Referenz und damit die Schwellwerte zu verändern. Entsprechende Versuche haben gezeigt, dass sich die 555-Emulation entsprechend dem Original verhält, allerdings nicht in einem so großen CV-Bereich. Wer die Schwellwerte abgleichbar machen will, kann auch am unteren Knoten (1/3) eine veränderbare Spannung anlegen. Aber das ist dann nicht mehr original zum integrierten 555, denn dieser hat ja nur 8 Anschlüsse ohne herausgeführten unteren Schwellwert-Knoten.

Dimensionierung der Widerstände

Zum Referenz-Spannungsteiler ist zu sagen, dass er recht niederohmig ausgelegt ist. Das soll zusätzliche Spannungsverschiebungen durch Belastung der Komparator-Transistoren Q1 und Q2 verringern. Denn der Basisstrom von Q1 und Q2 fließt ja direkt über den Referenz-Spannungsteiler.

(Bild-Wiederholung)

Im 555-Original sind keine eingangsseitigen Widerstände vorhanden, da die integrierten echten Differenz­verstärker wegen der Stromquellen-Steuerung nur geringste Eingangsströme brauchen und damit von Haus aus hochohmig sind. Hier verhindern R1 und R2 einen zu hohen Eingangs-Basisstrom. Man denke ja daran, dass dieser Eingangsstrom die Ladung des angeschlossenen Kondensators ungewollt beeinflusst.

Die anderen Widerstände an der Q3-, Q4- und Q9-Basis wurden auf möglichst schnelles Schalten ausgelegt. Mit nur jeweils einem Basis-Vorwiderstand würden die Transistoren langsamer abschalten.

Die Widerstandwerte des FFs haben sich bewährt. Das FF ist schnell genug, um nicht nachteilig durch zu hohe Verzögerungen aufzufallen.

Geschwindigkeit und maximale Schaltfrequenz

Trotz aller Optimierung zur Erhöhung der internen Geschwindigkeit wird nicht die Grenzfrequenz des 555-Originals erreicht. Das hängt damit zusammen, dass zur Vereinfachung mancher Schaltungstrick des integrierten 555 nicht angewendet werden konnte. Hohe Geschwindigkeit stand aber auch nicht im Vordergrund, maßgebend war die funktionale Realisierung.

Anwendung der 555-Emulation als AMV

Zum Nachweis der Funktionsfähigkeit wurden einige 555-Grundschaltungen ausprobiert. Das folgende Bild zeigt die Anwendung als AMV mit einem Tastgrad von annähernd 0,5.

So wie beim 555-Original auch machen sich bei höheren Frequenzen die Schaltzeiten bemerkbar. Die untere Schaltschwelle (beim Entladen des C1) wird zu spät erkannt und dadurch weit unterschritten, was die Erhöhung der Schwingungsamplitude (Ucss) am Kondensator zur Folge hat. Normalerweise sollte Ucss = 3 V betragen (bei 9 V Ub).

Fazit

Mit relativ wenigen Transistoren lässt sich der bipolare 555 zumindestens funktional emulieren. Die erreichten Daten bleiben natürlich weit hinter dem Original zurück. Der Spaß war es mir aber wert.

555-Emulation (V2)

Die obige Variante 1 für den Ersatz des integrierten bipolaren 555 mit 12 Transistoren kann weiter vereinfacht werden, wenn der Reset-Eingang (Pin 4) nicht benötigt wird. Das ist ja sowieso bei vielen Anwendungen der Fall.

Hinweis:

Obwohl es mit Variante 1 schaltungstechnisch viele Überschneidungen mit der hier vorgestellten Variante 2 gibt, erfolgt die Beschreibung trotzdem komplett. So bleibt der eindeutige Bezug zum Schaltbild erhalten.

Schaltungsbeschreibung

Threshold- und Trigger-Komparator

Hier ließ sich nichts vereinfachen. Der Vergleich zwischen der 1/3- und 2/3-Referenz wird weiterhin mit jeweils nur einem Transistor zwischen Basis und Emitter vorgenommen. Für die obere Schwelle ist der npn-Transistor Q1 zuständig, für die untere der pnp-Transisor Q2. Die Transistor-Zonenfolge entspricht der des Originals. Dieser einfache Vergleich zwischen Basis und Emitter hat den Nachteil der Temperaturabhängigkeit der BE-Strecke von -2 mV/°C.

Voltage-Referenz

Der Referenz-Spannungsteiler besteht im Original aus drei 5kΩ-Widerständen, um den 1/3- und 2/3-Schwellwert zu erhalten. In der Emulation wurde die Aufteilung so angepasst, dass sich trotz der Basis-Emitter-Schwellspannung Ube eine Eingangsschwelle von 3 bzw. 6 V ergibt (bezogen auf Ub = 9 V). Das heißt, die 1/3-Referenz ist um 0,6 V angehoben, die 2/3-Referenz um 0,6 V abgesenkt. Natürlich sind die resultierenden Eingangsschwellen temperaturabhängig, da die Ube-Strecken mit referenziert werden.

Pegelanpassung

Die Eingangsschwellen 1/3 bzw. 2/3 von Ub müssen zur weiteren Signalverarbeitung auf Masse bezogen werden. Dies geschieht mit 2 gleichartigen Transistorstufen entgegengesetzter Zonenfolge (siehe im Bild: Level Shift).

Wird die untere Schwelle überschritten, sperrt Q2 und damit auch der GND-bezogene Q4. Der Q4-Kollektor ist also gegenüber GND hochohmig, wenn die Trigger-Spannung größer als 3 V ist. Das FF bleibt unbeeinflusst.

Unterhalb des unteren Schwellwerts ist Q2 und damit Q4 durchgesteuert. Der Q4-Kollektor führt dann L.

Wird die obere Schwelle überschritten, schalten Q1 und damit Q3 durch. Die Q6-Basis des FF erhält über R10 Strom, Q6 steuert durch. Das FF wird rückgesetzt.

Unterhalb des oberen Schwellwerts sind Q1 und Q3 gesperrt. Das FF bleibt von Q3 unbeeinflusst.

Flip-Flop und Umschaltung der Kondensatorladung

Wie im 555-Original sorgt das FF dafür, die Ausgangsstufe so anzusteuern, dass sich am Ausgang (Output) ein L ergibt, sobald die obere Schwelle überschritten wird. Andererseits soll am Ausgang H erscheinen, wenn die untere Schwelle unterschritten ist.

(Bild-Wiederholung)

Das FF funktioniert wie folgt: Der rechte Transistor-Kollektor Q6 repräsentiert das "Q", d.h. den nichtinvertierten FF-Ausgang. Ist Q6 gesperrt, ist das FF gesetzt (Q = H). Der linke Transistor-Kollektor Q5 ist dem "/Q" (Q negiert) zugeordnet, d.h. dem invertierten FF-Ausgang. Q5 ist also gesperrt, wenn das FF rückgesetzt ist.

Sobald nun die untere Schwelle noch nicht überschritten ist, leiten Q2 und Q4, die Q6-Basis liegt auf GND, das FF ist gesetzt (H am Ausgang). Wird die untere Schwelle dagegen überschritten, sind Q2 und Q4 gesperrt. Das hat aber keinen Einfluss mehr auf das FF, Q6 bleibt gesperrt, der Ausgang bleibt auf H. In der praktischen Anwendung bedeutet das, der externe zeitbestimmende Kondensator wird aufgeladen.

Wenn die obere Schwelle noch nicht erreicht ist, wird das FF nicht beeinflusst, da Q1 und Q3 noch gesperrt sind. Steigt aber die Threshold-Spannung über die obere Schwelle, leiten Q1 und Q3. Q3 liefert über R10 dem FF-Transistor Q6 Strom. Q6 wird durchgesteuert. Das FF wird nun rückgesetzt. Der Ausgang führt L. In der Anwendung bedeutet das, dass der externe Kondensator nicht mehr geladen wird, die H-Zeit des Ausgangs ist zu Ende. Beim Monoflop ist die Aktivzeit zu Ende, beim AMV ist die H-Zeit der aktuellen Rechteckschwingung zu Ende.

Bei rückgesetztem FF führt nicht nur der Ausgang ein L, sondern es ist auch der Entladetransistor Q7 durchgesteuert (Discharge-Ausgang). Da normalerweise Discharge Pin 7 mit dem externen Kondensator verbunden ist, wird der Kondensator entladen und die gleichzeitig an den Eingängen Trigger und Threshold liegende Kondensatorspannung fällt in Richtung GND.

Das hat aber zur Folge, dass die untere Schwelle am Trigger-Eingang wieder unterschritten wird, und somit über Q2 und Q4 das FF gesetzt wird. Eine neue Kondensator-Aufladung kann beginnen (beim AMV).

Steuerung des Discharge-Ausgangs

Da die 555-Emulation keine richtige Gegentakt-Ausgangsstufe hat, wird der Entlade-Transistor Q7 direkt vom Rücksetz-Knoten (/Q) aus angesteuert. Somit ist Q7 immer durchgesteuert, wenn der FF-Q-Ausgang und auch Pin 3 ein L führen. Das war die einfachste Lösung, um das Schaltverhalten des 555-Originals nachzuahmen.

Kein Reset-Eingang

Ein sauberer dominanter L-aktiver Reset ist nicht so einfach zu realisieren. Es sind mindestens 2 weitere Transistoren erforderlich. Wie oben schon gesagt, wurde hier der Reset-Eingang nicht realisiert.

Voltage Control

So wie wie beim 555-Original ist der Knoten des oberen (2/3) Schwellwerts "herausgeführt". An Pin 5 kann eine Spannung angelegt werden, um die Voltage Referenz und damit die Schwellwerte zu verändern. Entsprechende Versuche haben gezeigt, dass sich die 555-Emulation entsprechend dem Original verhält, allerdings nicht in einem so großen CV-Bereich.

(Bild-Wiederholung)

Dimensionierung der Widerstände

Zum Referenz-Spannungsteiler ist zu sagen, dass er recht niederohmig ausgelegt ist. Das soll zusätzliche Spannungsverschiebungen durch Belastung der Komparator-Transistoren Q1 und Q2 verringern. Denn der Basisstrom von Q1 und Q2 fließt ja direkt über den Referenz-Spannungsteiler.

Im 555-Original sind keine eingangsseitigen Widerstände vorhanden, da die integrierten echten Differenz­verstärker wegen der Stromquellen-Steuerung nur geringste Eingangsströme brauchen und damit von Haus aus hochohmig sind. Hier verhindern R1 und R2 einen zu hohen Eingangs-Basisstrom. Man denke ja daran, dass dieser Eingangsstrom die Ladung des angeschlossenen Kondensators ungewollt beeinflusst.

Die anderen Widerstände an der Q3- und Q4-Basis wurden auf möglichst schnelles Schalten ausgelegt. Mit nur jeweils einem Basis-Vorwiderstand würden die Transistoren langsamer abschalten.

Die Widerstandwerte des FFs haben sich bewährt. Das FF ist schnell genug, um nicht nachteilig durch zu hohe Verzögerungen aufzufallen.

Geschwindigkeit und maximale Schaltfrequenz

Trotz aller Optimierung zur Erhöhung der internen Geschwindigkeit wird nicht die Grenzfrequenz des 555-Originals erreicht. Das hängt damit zusammen, dass zur Vereinfachung mancher Schaltungstrick des integrierten 555 nicht angewendet werden konnte. Hohe Geschwindigkeit stand aber auch nicht im Vordergrund, maßgebend war die funktionale Realisierung.

Anwendung der 555-Emulation als AMV

Zum Nachweis der Funktionsfähigkeit wurden einige 555-Grundschaltungen ausprobiert. Im Stromlaufplan der Variante 2 ist die Anwendung als AMV mit einem Tastgrad von annähernd 0,5 gezeigt.

So wie beim 555-Original auch machen sich bei höheren Frequenzen die Schaltzeiten bemerkbar. Die untere Schaltschwelle (beim Entladen des C1) wird zu spät erkannt und dadurch weit unterschritten, was die Erhöhung der Schwingungsamplitude (Ucss) am Kondensator zur Folge hat. Normalerweise sollte Ucss = 3 V betragen (bei 9 V Ub).

Fazit

Mit nur 7 Transistoren lässt sich der bipolare 555 auch noch emulieren, wenn man auf den Reset-Eingang verzichtet. Gegenüber der obigen Variante mit 12 Transistoren ergeben sich sonst keine Nachteile.

 

© Peter E. Burkhardt