CMOS-Timer 555

Der klassische NE555 ist robust und kräftig, aber er braucht mindestens 4,5 V und verbraucht schon im Leerlauf einige Milliampere. Für ein batteriebetriebenes Gerät, das monatelang läuft, oder eine Schaltung an 3,3 V ist das zu viel. Dafür gibt es den 555 in CMOS-Technik: TLC555 von TI, LMC555 (ursprünglich National Semiconductor), ICM7555 und TS555. Sie haben dieselbe Pinbelegung und dieselben Formeln, arbeiten aber ab 2 V oder sogar 1,5 V und kommen mit rund einem Zwanzigstel des Stroms aus. Dazu kommen Eingänge, in die praktisch kein Strom fließt – ideal für Zeitschalter über viele Minuten.

Aufbau und Funktionsweise

Funktional ist der CMOS-555 ein 555: Ein Spannungsteiler legt die Schwellen auf 1/3 und 2/3 der Versorgung, zwei Komparatoren steuern ein Flipflop, ein Entladetransistor leert den Zeitkondensator. Der Unterschied steckt in der Technik. Statt bipolarer Transistoren arbeiten MOSFETs (siehe MOSFET):

• Die Komparatoreingänge sind die Gates von MOSFETs. In TRIG und THRES fließen nur Pikoampere statt bis zu einigen hundert Nanoampere.
• Der interne Spannungsteiler ist hochohmig, beim LMC555 dreimal 100 kΩ statt dreimal 5 kΩ. Das spart Strom, macht den CONT-Anschluss aber empfindlicher.
• Der Entladetransistor ist ein N-Kanal-MOSFET; er entlädt den Kondensator mit sehr kleiner Restspannung.
• Die Ausgangsstufe aus zwei komplementären MOSFETs schaltet fast bis an beide Versorgungsschienen (Rail-to-Rail), kann aber deutlich weniger Strom liefern als die bipolare Stufe des NE555.

Weil keine bipolare Gegentaktstufe kurzzeitig quer leitet, sind auch die Stromspitzen beim Umschalten viel kleiner. Wie sich CMOS-Logik grundsätzlich von bipolarer unterscheidet, erklärt Logikfamilien.

Schaltzeichen und Pinbelegung

Schaltzeichen und Pinbelegung entsprechen dem NE555: 1 GND, 2 TRIG, 3 OUT, 4 RESET, 5 CONT, 6 THRES, 7 DISCH, 8 VCC. Der Doppeltimer (TLC556, ICM7556) ist wie der NE556 belegt. Du kannst einen NE555 deshalb meist direkt durch einen CMOS-Typ ersetzen – solange die Last am Ausgang zum schwächeren Ausgang passt.

Kennwerte im Vergleich

Der Ausgang ist also unsymmetrisch: Eine Last, die vom Ausgang nach Masse hängt, bekommt nur rund 10 mA. Eine Last zwischen VCC und Ausgang darf dagegen 50–100 mA ziehen. Für eine LED mit 10–20 mA schaltest du sie deshalb besser gegen VCC, also als Stromsenke.

Beispiel – Batterielaufzeit: Ein Blinker läuft an drei AA-Zellen (4,5 V, rund 2000 mAh). Der NE555 verbraucht allein etwa 3 mA: Die Batterie ist nach 2000 mAh / 3 mA ≈ 670 h leer, also nach knapp vier Wochen – ohne die LED. Ein TLC555 mit 0,18 mA kommt auf 2000 mAh / 0,18 mA ≈ 11 000 h, gut 15 Monate. Bei so kleinen Strömen bestimmt dann die LED die Laufzeit. Rechne deinen Fall mit dem Rechner Laufzeit von Akku und USV nach.

Lange Zeiten: warum der Eingangsstrom zählt

Beim monostabilen Zeitschalter gilt wie beim NE555 t = 1,1 · R · C. Für lange Zeiten möchtest du einen großen Widerstand und einen nicht zu großen Kondensator nehmen, denn große Elkos sind ungenau und haben Leckstrom. Hier spielt der CMOS-555 seine Stärke aus. Wie die Ladekurve verläuft und woher der Faktor 1,1 kommt (Laden bis 2/3 statt bis 63 %), erklärt RC-Glied.

Mehr als etwa 100 MΩ sind trotzdem nicht sinnvoll. Schon Feuchtigkeit und Flussmittelreste auf der Platine bilden Nebenschlüsse im Gigaohm-Bereich und verkürzen die Zeit. Reinige die Platine nach dem Löten gründlich und schütze die Umgebung des Zeitglieds mit Lack. Für Zeiten von vielen Minuten bis Stunden ist ein Zähler-IC oder ein Mikrocontroller oft genauer.

Bauformen

CMOS-555 gibt es im DIP-8 für Steckbrett und Lochraster, im SOIC-8 und in winzigen Gehäusen wie VSSOP-8 (MSOP) oder – beim LMC555 – als Chip-Scale-Gehäuse mit acht Lotkugeln auf etwa 1,4 × 1,4 mm. Den Doppeltimer gibt es im DIP-14 und SOIC-14. Details zu den Gehäusen findest du unter IC-Gehäuse.

Typische Anwendungen

• Batteriegeräte: Blinker, Erinnerungspiepser, Timer in Fernbedienungen.
• Langzeittimer: Treppenhauslicht, Abschaltautomatik, Lüfternachlauf.
• Taktgeber für Logik und 3,3-V-Mikrocontroller: Der Rail-to-Rail-Ausgang liefert saubere Logikpegel.
• Ansteuerung von MOSFETs: Der volle Ausgangshub reicht, um einen Logic-Level-MOSFET direkt durchzuschalten – für schnelle PWM bei größeren Gate-Kapazitäten hilft ein Treiber.
• Ladungspumpen: Mit zwei Dioden und Kondensatoren erzeugt der Rechteckausgang eine negative oder verdoppelte Hilfsspannung für kleine Lasten.

Die Formeln für Frequenz und Pulsdauer sind dieselben wie beim NE555; der Rechner 555-Timer gilt auch hier.

Auswahl und Praxistipps

Nimm einen CMOS-555, wenn Strom, niedrige Versorgung oder lange Zeiten zählen. Bleib beim NE555, wenn du direkt ein Relais, einen Summer oder eine LED mit über 10 mA von OUT nach Masse treiben musst und die Stromaufnahme egal ist.

Häufige Fehler:

• Last als Quelle zu stark: Ein Relais mit 40 mA vom Ausgang nach Masse zieht die High-Spannung zusammen. Nutze einen Transistor als Schalter oder schalte die Last gegen VCC.
• CONT-Kondensator wie beim NE555: Beim hochohmigen Teiler genügt oft 10 nF oder gar keiner; ein externer Widerstand an CONT verschiebt die Schwellen viel stärker als beim NE555.
• Offene Eingänge: CMOS-Eingänge dürfen nicht floaten. RESET an VCC, TRIG über Pull-up.
• Elektrostatik: CMOS-Eingänge sind empfindlicher gegen Entladung als bipolare (siehe ESD).
• Abblockkondensator weggelassen: Die Stromspitzen sind kleiner, aber nicht null. 100 nF an VCC und GND gehören trotzdem hin.

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