555 タイマー

555タイマーICとは

555タイマーICは、タイマー機能、パルス生成、発振回路など、様々な用途で利用される汎用性の高い集積回路（IC）です。発振回路やフリップフロップとして、時間遅延を生成する機能を持つことが特徴です。1971年にハンス・R・カーメンツンドによってシグネティクス社との契約の下で設計され、1972年に同社から発表されました。シグネティクスは後にフィリップス・セミコンダクター（現在のNXPセミコンダクターズ）に買収されています。

その価格の安さ、使いやすさ、安定性の高さから世界中で広く普及し、2003年には年間約10億個が生産されるなど、最も有名な集積回路の一つとなりました。派生品として、1つのパッケージに2回路を収めた「556」や、4回路を収めた「558」なども存在します。オリジナルのバイポーラ品に加え、低電力のCMOS品も多くのメーカーによって製造されています。

歴史

ハンス・R・カーメンツンドは1934年にスイスのチューリッヒで生まれ、同国の大学で教育を受けました。1960年にアメリカに移住し、1962年にはマサチューセッツ州バーリントンにあるP.R.マロリーの物理化学研究所に入所しました。そこでラジオ向けのパルス幅変調（PWM）アンプを設計しましたが、当時はそれに対応するパワートランジスタが存在しなかったため、商業的な成功には至りませんでした。

その後、カーメンツンドはジャイレータや位相同期回路（PLL）といったチューナーに興味を持つようになり、1968年にはPLL ICの開発のためにシグネティクスに移籍しました。シグネティクスでは、電源電圧や温度の影響を受けないPLL用発振器の開発を行っていましたが、不況の影響で開発は凍結されました。

カーメンツンドは、PLL用発振器をベースにした汎用回路の開発を提案し、給料を半額にする代わりに会社の機材を借りて一人で開発することを申し出ました。他の技術者からは、既存の部品で代用できると反対されましたが、営業部長がこのアイデアを支持しました。アナログICに割り当てられていた500番台から、「555」という特別な番号が選ばれました。

カーメンツンドは、ノースイースタン大学で回路設計の教鞭を執る傍ら、夜間には同大学で修士号を取得しました。1971年の夏頃に最初の設計レビューが行われ、特に問題なくレイアウト設計に進みました。その後、カーメンツンドは定電流源の代わりに抵抗を直接使用するというアイデアを思いつき、定電流源なしでも同様の機能を実現できることを発見しました。この変更によりピン数が9ピンから8ピンに削減され、ICは14ピンパッケージではなく8ピンパッケージに実装できるようになりました。2度目の設計レビューも通過し、1971年10月にプロトタイプが完成しました。最初のデザインレビューに出席してシグネティックスを退職した技術者が、9ピンのコピー品を発売していましたが、555が発売されるとすぐに撤退しました。1972年までに12社が555を製造し、ベストセラーとなりました。

設計

標準的な555パッケージには、25個のトランジスタ、2個のダイオード、15個の抵抗器が1つの8ピンミニデュアルインラインパッケージ（DIP-8）のシリコンチップに搭載されています。派生品には、556（2つの555を1つの14ピンDIPに統合）、558および559（4つの555改変版を1つの16ピンDIPに統合。DISやTHRで内部接続し、TRをレベル検出ではなく立ち下がりエッジ検出としている）があります。

標準モデルのNE555は0℃から70℃の温度で動作し、軍用モデルのSE555は-55℃から+125℃で動作します。どちらも高信頼性のメタル缶パッケージ（Tパッケージ）と廉価なエポキシプラスチックパッケージ（Vパッケージ）が用意されており、完全な部品番号はNE555V、NE555T、SE555V、SE555Tとなります。555という名前は、3つの5kΩの抵抗が使われていることに由来するという説がありましたが、カーメンツンドは気まぐれでその番号を選んだと述べています。

低電力版の555として、7555やCMOS版のTLC555なども存在します。7555は従来の555よりも供給ノイズを低減しており、メーカーはCONTピンのコンデンサが不要であり、多くの場合電源部にバイパスコンデンサも不要であると説明しています。ただし、タイマーや電源電圧の変動によって発生するノイズが回路の他の部品と干渉したり、スレッショルド電圧に影響を与える可能性があることも考慮する必要があります。

ピン配置

DIPパッケージのピン配置は以下のようになっています。

1番ピン: GND (グラウンド)
2番ピン: TRIG (トリガー)
3番ピン: OUT (出力)
4番ピン: RESET (リセット)
5番ピン: CONT (制御電圧)
6番ピン: THR (スレッショルド)
7番ピン: DIS (放電)
8番ピン: VCC (電源電圧)

5番ピンは制御電圧ピンと呼ばれ、電圧を加えることでデバイスのタイミング特性を変更できます。多くの場合、制御電圧入力は使用されませんが、干渉を防ぐために5番ピンと0Vの間に10nFのコンデンサを接続することが一般的です。制御電圧入力は、FM出力の無安定マルチバイブレーターを製作する際に使用されることがあります。

動作モード

555タイマーICには、主に3つの動作モードがあります。

1. 両安定モード（Bistable mode）: シュミットトリガとも呼ばれ、DISピンが未接続でコンデンサを使用しない場合、555はフリップフロップとして動作します。チャタリング防止スイッチなどの用途に使用されます。
2. 単安定モード（Monostable mode）: このモードでは、555は「ワンショット」パルス発生器として機能します。タイマー、パルス停止検出、チャタリング防止スイッチ、タッチスイッチ、周波数分周器、コンデンサ計測、パルス幅変調（PWM）など、様々な用途で使用されます。
3. 無安定モード（Astable mode）: 555を発振回路として動作させることができます。LEDやランプ点灯器、パルス発生器、論理クロック、トーン発生器、セキュリティアラーム、パルス位置変調（PPM）などに応用されます。また、555はアナログ値をパルス長に変換する単純なADCとしても利用可能です。

両安定モード

両安定モード（シュミットトリガモード）では、555タイマーは基本的なフリップフロップとして動作します。スレッショルド入力を浮かせたままにし、トリガーとリセット入力（それぞれ2番ピンと4番ピン）をプルアップ抵抗でハイにします。この設定で、トリガーをグラウンドに落とすと「セット」され、出力ピン（3ピン）がVCC（ハイ）に遷移します。このモードでは、タイミングコンデンサは不要です。5番ピン（電圧制御）は小容量のコンデンサ（通常は0.01〜0.1μF）でグラウンドに接続し、7番ピンは浮かせます。

単安定モード

単安定モードでは、トリガー入力に負のパルスが入力されると、出力がハイになり、その後、設定された時間だけハイを維持し、ローに戻ります。出力パルスの幅（時間）は、外部に接続された抵抗（R）とコンデンサ（C）の値によって決まります。供給電圧の2/3とコンデンサの電圧が等しくなると、出力パルスはローになります。

出力パルス幅tは、以下の式で求められます。

t = ln(3) R C ≈ 1.1 R C

単安定モードの主な欠点は、2つのトリガーパルス間の時間がRC時定数よりも大きい必要があることです。逆に、短い間隔のパルスを無視したい場合は、RC時定数を不正なトリガー間の間隔よりも大きく設定する必要があります。

無安定モード

無安定モードでは、555タイマーは特定の周波数でパルスを出力し続けます。抵抗R1がVCCとDISピンの間に接続され、もう一つの抵抗R2がDISピンと、トリガーピンおよびスレッショルドピンの間に接続されます。コンデンサはR1とR2を通して充電され、サイクルのロー出力期間中は7番ピンが低抵抗のため、R2を通して放電されます。

パルス出力の周波数fは、以下の式で計算できます。

f = 1 / (ln(2) C (R1 + 2R2))

各パルスのハイ時間とロー時間は、それぞれ以下の式で求められます。

ハイ時間 = ln(2) C (R1 + R2)
ロー時間 = ln(2) C R2

R1とR2はオーム単位の抵抗値、Cはファラド単位のコンデンサ容量です。R1の定格電力は、Vcc^2 / R1よりも大きくなければなりません。特にバイポーラタイプの555では、R1の値を低くしすぎないように注意が必要です。出力のロー時間は、計算値よりも大きくなる可能性があります。電源オン時には、コンデンサが0VからVCCの2/3まで充電されますが、その後のサイクルではVCCの1/3から2/3までしか充電されないため、最初のサイクルは計算よりも長くなることがあります。

出力のハイ時間をロー時間よりも短くするには、ダイオードをR2と並列に配置します。これにより、ハイ期間中はR1とCのみに依存し、ロー時間は上記の式と同じになります。

このモードでのRESET処理は明確に定義されていません。

無安定モードにおけるデューティサイクル

2つの抵抗を使用した無安定構成では、50%のデューティサイクルを生成することはできません。50%のデューティサイクルを得るには、R1を取り除き、7番ピンを接続せずに、R2の供給側を3番出力ピンに接続します。この回路は反転ゲートを発振器として使用することに似ていますが、無安定構成よりも部品が少なく、TTLまたはCMOSゲートよりも高い出力電流を得られます。ただし、555または反転ゲートタイマーのデューティサイクルは正確には50%ではなく、ハイまたはローの状態によって異なる内部抵抗が影響します。

仕様

この仕様はNE555に当てはまります。他の555タイマーは、軍用や医療用などのグレードによって仕様が異なります。

電源電圧: 4.5V〜16V（最大18V）
出力電流: 最大200mA
動作温度: 0℃〜70℃（NE555）、-55℃〜125℃（SE555）
消費電流: 3〜15mA

パッケージ

1972年にシグネティクスは、8ピンDIPの555タイマーと、8ピンTO-5メタル缶パッケージ、14ピンDIPパッケージの556タイマーをリリースしました。現在、555はスルーホールパッケージ（DIP-8、SIP-8）、表面実装パッケージ（SO-8、SSOP-8 / TSSOP-8 / VSSOP-8、BGA）で提供されています。

派生品

CMOS版を含む多くのピン互換品が様々な企業によって製造されています。同じチップに複数のタイマーを統合したパッケージも存在します。

556デュアルタイマー: 2つの555タイマーを1つの14ピンDILに搭載。
558クアッドタイマー: 4つの555タイマーを1つの16ピンパッケージに搭載。電源、制御電圧、リセット入力を共有。

応用例

555タイマーは、その汎用性から様々な電子回路に使用されています。

ジョイスティックインターフェース: Apple IIなどのマイクロコンピュータでは、558クアッドタイマーを単安定モードで使用し、ジョイスティックのインターフェースとして利用していました。IBM PCでも同様の回路が使用されています。
点滅回路: LEDを点滅させる回路や、ディスプレイカーソルの点滅にも利用されています。
タイマー回路: 特定の時間を計測するタイマー回路や、遅延回路として使用されています。
発振回路: パルス発生器や論理クロックとして、様々な電子回路の発振器として利用されています。
その他: トーン発生器、セキュリティアラーム、パルス位置変調（PPM）など、幅広い用途で活用されています。

関連項目

カウンタ (電子回路)
* オペアンプ

脚注

（省略）

参考文献

（省略）

外部リンク

（省略）

ICデータシート

（省略）

もう一度検索