555 타이머 계산기 (비안정·단안정)

555 타이머 계산기 쉽게 이해하기 — 개념과 원리

555 타이머는 커패시터 하나와 저항 한두 개만으로 일정한 시간의 펄스나 구형파를 만드는 대표적인 집적 회로입니다. 이 계산기는 비안정(자유 발진) 모드의 주파수, 듀티비, High·Low 시간과 단안정(원숏) 모드의 펄스 폭을 구합니다. LED 점멸기, 발진음 회로, 채터링 방지, 지연 회로를 만들 때 사용합니다.

계산 방법

비안정 모드에서 R1은 전원과 방전 단자 사이, R2는 방전 단자와 커패시터 사이에 연결합니다.

• High 시간: t_H = ln 2 × (R1 + R2) C ≈ 0.693 (R1 + R2) C입니다.
• Low 시간: t_L = ln 2 × R2 C ≈ 0.693 R2 C입니다.
• 주파수: f = 1 / (t_H + t_L) = 1 / (ln 2 × (R1 + 2R2) C) ≈ 1.44 / ((R1 + 2R2) C)입니다.
• 듀티비: (R1 + R2) / (R1 + 2R2) × 100%입니다.

단안정 모드에서는 R1을 타이밍 저항으로 써서 t = ln 3 × R1 C ≈ 1.1 R1 C입니다. 계산기는 반올림한 상수가 아니라 정확한 ln 2, ln 3을 씁니다. 저항은 Ω, C는 µF(× 10⁻⁶으로 F 환산)이므로 시간은 초 단위입니다.

원리

555 내부의 비교기 두 개가 커패시터 전압을 전원 전압의 1/3과 2/3 기준과 비교합니다. 비안정 모드에서는 커패시터가 R1 + R2를 통해 1/3에서 2/3 V_cc까지 충전되고, 방전 트랜지스터가 R2만 거쳐 다시 1/3 V_cc까지 방전시킵니다. RC 회로가 남은 전압 차의 절반을 채우는 데는 정확히 ln 2 ≈ 0.693 시정수가 걸리며, 1.44는 1 / 0.693의 근삿값입니다. 단안정 모드에서는 0에서 2/3 V_cc까지 충전하므로 ln 3 ≈ 1.1 시정수가 걸립니다. 기준이 전원의 비율로 정해지므로 시간은 전원 전압에 거의 영향을 받지 않습니다.

예제 풀이

1. C = 10 µF = 10⁻⁵ F, R1 + 2R2 = 21,000 Ω입니다.
2. High 시간 ln 2 × 11,000 × 10⁻⁵ = 0.0762461899 s, Low 시간 ln 2 × 10,000 × 10⁻⁵ = 0.0693147181 s입니다.
3. 주기는 0.1455609 s이므로 주파수는 1 ÷ 0.1455609 = 6.869976385 Hz입니다.
4. 듀티비: 11,000 / 21,000 ≈ 52.38%입니다.
5. 단안정 펄스: ln 3 × 1,000 × 10⁻⁵ = 0.0109861229 s입니다.

어림식 1.44 / 0.21의 6.857 Hz와의 차이는 1/ln 2를 1.44로 반올림한 탓입니다.

결과 해석

기본 비안정 회로는 충전은 두 저항, 방전은 R2만 거치므로 듀티비가 항상 50%보다 큽니다. R2를 R1보다 훨씬 크게 하면 50%에 가까워지고, 그보다 낮추려면 R2에 다이오드를 병렬로 답니다. 전해 커패시터는 오차가 ±20%인 경우가 많아 실제 주파수도 그만큼 달라질 수 있습니다.

흔한 실수

• C를 F나 nF 단위로 넣는 경우
• R1을 너무 작게 해 방전 트랜지스터에 무리를 주는 경우(보통 1 kΩ 이상)
• 다이오드 없이 50% 미만 듀티비를 기대하는 경우
• 누설이 큰 전해 커패시터에 아주 큰 저항을 써 시간이 틀어지는 경우

자주 묻는 질문

듀티비를 정확히 50%로 하려면 어떻게 하나요?

R2에 다이오드를 병렬로 달아 충전 경로를 우회시키고 R1과 R2를 같게 합니다. 다이오드 전압 강하 때문에 근사적입니다.

555로 얼마나 긴 지연을 만들 수 있나요?

큰 저항과 커패시터로 수 분도 가능하지만 누설 때문에 정확도가 떨어지므로 긴 지연에는 카운터 IC가 낫습니다.

출처: Texas Instruments, NE555 / SA555 / SE555 Precision Timers 데이터시트 · Horowitz, Hill, The Art of Electronics, 3판