555-Timer

Der 555 ist seit den Siebzigern im Einsatz und taucht noch immer in unzähligen Schaltungen auf: als Blinkgeber, Taktgenerator, Tonerzeuger, Einschaltverzögerung oder PWM-Quelle. Seine Frequenz und seine Zeiten bestimmen nur zwei Widerstände und ein Kondensator. Mit diesem Rechner findest du heraus, welche Frequenz und welchen Tastgrad deine Bauteile ergeben – oder wie lange ein Puls im Monoflop-Betrieb dauert.

So rechnet der Rechner

Im Inneren vergleicht der 555 die Kondensatorspannung mit zwei Schwellen: einem Drittel und zwei Dritteln der Betriebsspannung. Der Kondensator lädt und entlädt sich zwischen diesen Schwellen über die Widerstände – nach derselben e-Funktion wie in jedem RC-Glied. Die Zeit von einer Schwelle zur anderen ist dabei stets ln 2 ≈ 0,693 Zeitkonstanten. Wie der Ladevorgang abläuft, beschreibt der Artikel Kondensator im Gleichstromkreis.

Astabil: R₁ liegt zwischen Betriebsspannung und Pin 7 (Entladen), R₂ zwischen Pin 7 und den verbundenen Pins 6 und 2, C von dort nach Masse. Geladen wird über R₁ + R₂, entladen nur über R₂:

Die 1,44 aus den Datenblättern ist nichts anderes als 1 / 0,693. Der Rechner rechnet mit dem genauen Wert ln 2, damit Frequenz und Periode exakt zueinander passen. Gegenüber der gerundeten 1,44 macht das 0,2 % aus – weit weniger als jede Kondensatortoleranz.

Monoflop: Eine fallende Flanke an Pin 2 startet den Puls. C lädt über R von null bis zwei Drittel der Betriebsspannung:

Genauer ist der Faktor ln 3 ≈ 1,0986, Datenblätter runden auf 1,1.

Die Formeln hängen nicht von der Betriebsspannung ab, weil die Schwellen mit ihr mitwandern. Sie gelten für den bipolaren NE555 genauso wie für die CMOS-Typen TLC555 und ICM7555.

So benutzt du ihn

1. Wähle Astabil für einen Rechteckgenerator oder Monoflop für einen einzelnen Puls.
2. Gib die Widerstände wie im Schaltplan ein, etwa „1k“, „4k7“ oder „1M“, den Kondensator als „100n“, „10µ“ oder „2,2u“.
3. Lies Frequenz, Periode, High- und Low-Zeit und den Tastgrad ab. Die Grafik darunter zeigt zwei Perioden des Ausgangssignals.

Liegen die Werte außerhalb des sinnvollen Bereichs, erscheint ein Hinweis – etwa bei R₁ unter 1 kΩ, sehr großen Widerständen, sehr kleinen Kondensatoren oder Frequenzen über 100 kHz.

Beispiel

Voreingestellt ist eine astabile Schaltung mit R₁ = 1 kΩ, R₂ = 10 kΩ und C = 100 nF:

Die Periode beträgt 1,46 ms, die Frequenz 687 Hz – ein gut hörbarer Ton. Der Tastgrad liegt bei 11 kΩ / 21 kΩ ≈ 52,4 %. Mit der Datenblattformel 1,44 / (21 kΩ · 100 nF) kommst du auf 686 Hz.

Im Monoflop-Modus stehen R = 100 kΩ und C = 10 µF. Das ergibt t = 1,1 · 100 kΩ · 10 µF = 1,1 s – etwa für eine Einschaltverzögerung oder eine Treppenhausbeleuchtung im Kleinformat.

Praxis und typische Fehler

• Tastgrad unter 50 % gewünscht. In der Grundschaltung lädt der Kondensator immer über einen größeren Widerstand, als er entlädt. Der Tastgrad liegt deshalb immer über 50 %. Für kürzere High-Zeiten legst du eine Diode parallel zu R₂ (Anode an Pin 7). Dann lädt C nur über R₁, und t_high ≈ 0,693 · R₁ · C – abzüglich der Diodenspannung etwas länger.
• R₁ zu klein. Während der Entladephase schaltet Pin 7 nach Masse, und über R₁ fließt Strom direkt aus der Versorgung. Unter etwa 1 kΩ wird dieser Strom unnötig groß.
• Elko als Zeitkondensator. Elektrolytkondensatoren haben Toleranzen von −20 % bis +50 % und Leckströme, die bei großen Widerständen die Zeit verlängern. Für genaue Zeiten nimmst du Folienkondensatoren und hältst die Widerstände unter etwa 1 MΩ.
• Fehlende Abblockung. Der bipolare NE555 zieht beim Umschalten kurze Stromspitzen von über 100 mA. Ohne Kondensator von 100 nF direkt an der Versorgung und 10 nF an Pin 5 (Control) springen die Schwellen und das Timing wird unruhig.
• Grenzen der Bauteile. Unter etwa 1 nF bestimmen Streukapazitäten mit, über rund 100 kHz wird der NE555 ungenau. Die CMOS-Typen TLC555 und ICM7555 schaffen höhere Frequenzen, verbrauchen nur Mikroampere statt Milliampere und vertragen sehr große Widerstände. Ihr Ausgang liefert aber weniger Strom. Mehr zu bipolaren und CMOS-Bausteinen steht unter Logikfamilien.
• Ausgang belastet. Ein Relais oder ein Motor am Ausgang gehört hinter einen Transistor, und eine Spule braucht eine Freilaufdiode.

Die Ladekurve selbst rechnest du mit Kondensator laden und entladen nach. Eine LED am Ausgang bekommt ihren Widerstand vom LED-Vorwiderstand-Rechner. Krumme Rechenwerte rundest du mit Normwert finden auf Bauteile aus der E-Reihe.

Häufige Fragen

• Hängt die Frequenz von der Betriebsspannung ab? Kaum. Die Schwellen liegen immer bei einem und zwei Dritteln der Betriebsspannung. Ändert sie sich, verschieben sich beide Schwellen gleich, und die Zeiten bleiben gleich.
• Welche Frequenzen schafft der 555? Von unter einem Hertz bis etwa 100 kHz für den NE555, mit CMOS-Typen bis in den Megahertz-Bereich. Für sehr lange Zeiten ist ein Mikrocontroller oder ein Zählerbaustein meist genauer.
• Wie erreiche ich genau 50 % Tastgrad? Mit R₂ deutlich größer als R₁ kommst du nah heran. Mit der Diode parallel zu R₂ und R₁ = R₂ landest du knapp darüber, weil die Diodenspannung das Laden etwas bremst. Exakt 50 % liefert ein nachgeschaltetes Flipflop, das die Frequenz halbiert.