この記事でわかること
・555の種類と特長
・タイマー、発振器としての使い方
・その他の利用方法（ドライバなど）
タイマーIC NE555（1972年発売）は50年以上の超ロングセラー品です。
このICは、タイマーや発振器として使うのが本来の用途ですが、
非常に安価（数十円程度）であることから、
内部回路のコンパレータやフリップフロップだけを利用しても、十分に元がとれます。
また、出力電流が大きいことから、FET等を駆動させるドライバICとしても使えます。
本記事では、タイマーIC 555の３つの使い方
（タイマー、発振器、ドライバ）について解説します。
＜注意点＞
本記事で解説するタイマーICの使い方は一般的な内容です。
各メーカーで仕様が異なっており、
ここで紹介する方法が適切で無い場合がある為、
使用の際は、デバイスのデータシートを必ず確認して下さい。
555の種類と特徴
タイマIC 555には、バイポーラトランジスタで構成されるバイポーラタイプと、
後から登場したMOSFETで構成されるCMOSタイプがあります。
２つのタイプの主な相違点は以下になります。
出力電流を除き、CMOSタイプの方が優れています。
また、あとで説明しますが、
CMOSタイプの方がタイマ時間や周波数の設定範囲を広くとれます。
両タイプとも、出力電流が比較的大きいですが、
これは流すことができる電流値であって、その時の出力電圧まで保証していません。
例えば、バイポーラタイプであるNE555でVcc＝5Vの場合、
Hレベル出力電圧VOHは出力電流100mAで、2.75Vまで低下し、
Lレベル出力電圧VOLは出力電流8mAで、0.4Vまで上昇してしまいます。
つまり、出力電流を多く流す分、H出力電圧の降下・L出力電圧の上昇が大きくなり、
出力相手先がH／Lレベル判定できなくなる恐れがあります。
このため、TTLレベル（VOH：2.4V以上、VOL：0.4以下）を満足させるには、
出力電流を小さくする必要が出てきます。
この時、Lレベルで出力できる電流は8mAと、かなり小さくなってしまうので注意が必要です。
このことは、CMOSタイプでも同様であり、
3.3V電源でも動作できますが、Vccが低いと、出力できる電流は更に小さくなります。
各メーカーから発売されている555を以下に示します。
また、各タイプにはタイマ回路が2個入りの製品もあります。
＜バイポーラタイプ＞
1回路：NE555（TI）、LM555（TI ※1）
2回路：NE556（TI）
＜CMOSタイプ＞
1回路： ICM7555（Intersil、アナデバ）
LMC555（TI ※1）
TLC551、TLC555（TI）
MIC1555、MIC1557（microchip）
TS555（ST）
2回路： ICM7556（アナデバ）
TLC552、TLC556（TI）
TS556（ST）
TI ：テキサスインスツルメンツ
※1：ナショナル・セミコンダクターだったがTIに吸収
Intersil ：インターシル（ルネサスの子会社となっている）
アナデバ：アナログデバイセズ
microchip：マイクロチップテクノロジ
ST ：STマイクロエレクトロニクス
Amazonを見ると、コピー品と思われる製品が沢山出てきます。
555の内部構成と動作原理
NE555のピン配置と内部回路を示します。
抵抗値R（NE555の場合は5kΩ）が3個直列接続され、
コンパレータ2個（COMP1,2）とRS-FF（フリップ・フロップ）、
オープンコレクタ出力(DISCH)と、プッシュプル出力(OUT)から構成されています。
コンパレータは＋入力と－入力を比較し、
電圧が高い方が＋ならH、ーならLを出力します。
RS-FF（フリップ・フロップ）は本来、
R（リセット）が来たらL、S（セット）が来たらHを出力しますが、
出力は反転論理の/Qなので、リセットで出力H、セットでLです。
プッシュプル出力OUTは、H入力でL出力、
L入力でH出力される反転（インバーター）回路になっています。
プッシュプルについては下記記事で解説しています。
これによって、タイマICの出力OUTは、
リセットでL出力、セットでH出力されます。
オープンコレクタ出力DISCHのトランジスタTRは、
リセットでオン（DISCH端子がGNDショート）、
セットでオフ（DISCH端子オープン）します。
オープンコレクタについては下記記事で解説しています。
また、このRS-FFは強制リセット（RESET）が付いていおり、
RESETがLになると、他の入力に関係なく、タイマICの出力がLになります。
（優先度：RESET＞S＞R）
入力信号は以下の４つです。
TRIG（トリガ）
入力電圧がCONT電圧／2以下（1／3×Vcc）になると、
COMP2の出力は、－入力より＋入力の方が高くなるので、Hになります。
これにより、S入力がHになるので、RS-FFはセット状態となり、
OUTはH出力、DISCHはオープン状態になります。
THRES（スレッショルド）
入力電圧がCONT電圧以上（2／3×Vcc）になると、
COMP1の出力は、－入力より＋入力の方が高くなるので、Hになります。
これにより、R入力がHになるので、RS-FFはリセット状態となり、
OUTはL出力、DISCHはGNDショートされます。
但し、TRIG入力がある場合は、S入力がR入力よりも優先されるので
THRES入力は無視されます。
RESET（リセット）
Lレベルにすると、他の入力信号に関係なく、RS-FFが強制リセットされるので、
OUTはL出力、DISCHはGNDショートされます。
CONT（コントロール）
外部から電圧を入力、又は抵抗を接続することでCONT電圧を調整できます。
（つまり、COMP1,2の閾（しきい）値電圧が変更可能）
CONT端子に外部から電圧を入力する場合は、抵抗分圧したものを直接接続すると、
555の内部抵抗とで分圧されるため、CONTへの入力電圧が低下してしまいます。
そのため、オペアンプを用いたボルテージフォロワを使い、
出力インピーダンスを十分小さくすることで、
分圧の影響を無くし、入力電圧の低下を防止します。
CONT電圧を調整するもう一つの方法として、
図の様に抵抗Rcを接続することで内部抵抗との分圧比を変えて電圧を調整します。
例えば、Rc＝10kΩを接続すると、
閾値電圧がTHRESが1／2×Vcc、TRGが1／4×Vccになります。
何も接続しない場合は、CONT電圧は2／3×Vccなので、
閾値電圧はTHRESが2／3×Vcc、TRGが1／3×Vccになります。
通常、CONT端子は使わない事が多いですが、
その場合、ノイズによる誤動作を防ぐため、バイパスコンデンサを接続します。
（0.01uF～0.1uFのセラミックコンデンサを使用）
出力信号は２つです。
OUT（出力）
RS-FFの/Q信号の論理を反転した信号が出力されます。
（RS-FFがリセットされるとL、セットでHが出力）
プッシュプル回路によって、
100mA～200mAの比較的大きな電流を出力できます。
DISCH（ディスチャージ）
オープンコレクタ出力になっており、
/QがLでTRがオフ、Hでオンします。
従って、RS-FFがリセットされると、DISCH出力がGNDにショートされ、
セットでオープンとなります。
このICは3つの動作モードを持ちます。
・単安定（モノステーブル）モード（タイマとして使用）
・無安定（アステーブル）モード（発振器として使用）
・双安定（バイステーブル）モード（ドライバ等に使用）
次に各モードの動作について説明します。
単安定モード
Monostable（モノステーブル）モードとも呼ばれ、
安定状態が１つあることを意味し、
出力Lが安定状態で、出力Hが不安定状態になります。
つまり、出力L状態は外部から信号を加えない限り、そのまま維持しますが、
出力H状態は時間が経つと、L状態になってしまう事を意味します。
この特徴により、一定時間だけH出力するタイマとして使用できます。
※別名：ワンショットモードとも呼ばれます。
タイマー動作
・初期状態
RESETがLレベルの時、RS-FFが強制リセット（/Q＝H）されるため、
DISCHがGNDショートとなるので、コンデンサCの電圧は0Vとなり、
タイマ出力OUTはLです。
その後、RESETをHにしても、THRESは0Vなので、RS-FFのR入力はL、
TRIGはプルアップされているのでS入力もLとなり、
リセット状態を維持するので、OUTはLのままです。
・タイマー開始
TRIGをL（1／3×Vcc以下）にすると、RS-FFがセット（/Q＝L）されるので、
OUTはHになります。（タイマー出力開始）
また、DISCHがオープンになるので、コンデンサCは抵抗RAを経由して
電流が流れ込むことで充電され、THRES電圧が上昇していきます。
その後、TRIGをHにして、RS-FFのS入力がLになっても、
R入力がH、又はRESET入力がLにならない限り、
セット状態を維持するので、OUTはHのままです。
・タイマー終了
THRES電圧が上昇し、Hレベル（2／3×Vcc以上）になると、
RS-FFのR入力がHになるので、RS-FFがリセット（/Q＝H）され、
OUTがLになります。（タイマー出力終了）
また、DISCHがGNDショートすることで、コンデンサＣの電圧は0Vに低下し、
THRES電圧がLレベルになるので、R入力はLになりますが、
R-FFの出力はそのままの状態（/QがH）を維持するので、OUTはLのままです。
タイマー時間の設定
タイマー出力OUTがHである期間（タイマー時間）は
THRES電圧が2／3×Vccになるまでの時間になります。
THRES電圧はCRA直列回路に電圧Vccを印加し、
時間tが経過時のコンデンサ充電電圧になります。
V(THRES)＝2／3×Vcc になる時の時間tがタイマー時間になるので、
になります。
タイマー時間tは時定数CRAの1割増程度なので、
時定数CRA≒タイマー時間と考えることができます。
以上から、計算上は、タイマー時間はCとRAだけで決まりますが、
実際には温度や電源電圧による変動が僅かながら存在します。
タイマーの精度
タイマーの精度については、NE555のデータシートを見ると、
単安定モード時の初期精度が最大3％となっています。
この精度は555単体での値であり、抵抗やコンデンサの精度による影響を受けます。
精度1%の抵抗、5%のコンデンサにした場合、10％程度の精度になります。
このため、正確なタイマー時間を設定したい場合は、
図のように可変抵抗VRを追加することで、調整することができます。
しかし、先ほど述べたように温度や電源電圧による影響を受けるため、
VRで調整しても、周囲温度の変化や電源電圧の値によって、
タイマー時間は変動してしまいます。
この変動の大きさは、それぞれ温度安定性、電圧安定性として定義されています。
NE555の場合、温度安定性は平均50ppm/℃です。
つまり、1℃で0.005%変動するので、使用温度範囲を0～60℃とした場合、
使用時の周囲温度によって、タイマ時間は約0.3％違ってきます。
電源安定性は最大0.5%／Vとなっています。
これは、タイマー動作中の電圧変動ではなく、
555の電源電圧を5V～15Vの間で設定した場合のタイマー時間への影響を示すものです。
つまり、Vccの設定電圧を1V変えた場合、タイマ時間が0.5%変化することを意味します。
例えば、使用する電源の仕様が5V±5%なら、
Vccの設定電圧に0.5Vの差が生じるため、タイマ時間は0.25％変化します。
但し、これはタイマ動作（コンデンサ充電期間）中にVccが変化しないことが前提です。
動作中にVccが変動すると、タイマー時間は大きく変動していまいます。
このため、出力変動の少ない電源を使用すると共に、
電源ピン（1－8ピン間）にバイパスコンデンサC1を入れて電源を安定化させます。
（0.01uF～0.1uFのセラミックコンデンサを使用）
タイマー時間の設定範囲
タイマー時間を長くするには、CやRAを大きくする必要がありますが、
RAを大きくした場合、充電電流が小さくなり過ぎると、
回路の漏れ電流によりタイマが正しく動作しなくなります。
回路の漏れ電流とは、THRES入力に流れ込む電流と、
コンデンサの漏れ電流になります。
THRES入力はコンパレータに入力されているので、
理想的には入力インピーダンス無限大で入力電流ゼロなのですが、
NE555の場合、スレッショルド電流として定義されており、
THRES入力に0.25uA流れ込みます。
このため、例えばRAが20MΩだとすると、電圧降下が20MΩ×0.25uA＝5Vとなります。
これによって、Vcc＝15Vの場合、THRES電圧が10Vまで低下してしまい、
THRES入力がHレベルとなる閾値の2／3×Vcc（つまり10Ｖ）を超えることができず、
タイマーが終了できなくなります。
また、Cを大きくした場合、
100μFを超えてくると電解コンデンサを使う必要が出てきますが、
コンデンサの漏れ電流が大きい（数十uA程度）ため、
充電電流が小さいと、充電電圧の上昇に影響が出ます。
逆にタイマー時間を短くするには、CやRAを小さくしますが、
RAが小さすぎると、TRがオン時に過大電流が流れてICが故障します。
以上の理由から、NE555のデータシートを見ると、
RAが1k～10MΩ、Cが0.001u～100uFで設定されており、
タイマー時間は10us～10sが推奨範囲となっています。
また、LMC555などのCMOSタイプの場合、
スレッショルド電流が10pAと、バイポーラタイプに比べ桁違いに小さく、
漏れ電流による影響が小さくなるため、タイマー時間を長くできます。
TRIG入力について
TRIGがLになり、タイマーが開始されると、
その後、TRIGがHやLに変化しても、タイマー動作に影響しません。
このため、タイマー出力中に再度、TRIGがLになっても、
タイマー時間は延長しません。
この特徴は、TRIG入力をスイッチで行う場合、チャタリングが発生しても
タイマー動作に影響しないという利点になります。
※チャタリング：信号がH／Lにバタつく現象のこと
しかし、TRIGがLのままだとRS-FFをリセットできないため、
タイマー出力OUTがLに戻らなくなります。
また、NE555のデータシートを見ると、
「タイマ時間終了の10us以上前にTRIGをHにしておくこと」と記載があります。
従って、TRIGのL期間は、「タイマ時間(1.1CRA)ー10us」以内にする必要があります。
一方、TRIGがLと認識するのに必要な最小L期間ですが、
CMOSタイプのLMC555では20nsとされています。
バイポーラタイプのNE555には記載がありませんが、
低速動作のため、それよりも十分長い時間が必要です。
（2us程度あれば十分と考えます）
以上の様にTRIG信号のL期間は制約があることから、
TRIGへのL入力を押しボタンスイッチにした場合など、
L期間がタイマー時間より長くなる恐れがある場合、
微分回路を使って、TRIG信号のL期間を短くします。
この回路の動作ですが、SWをオンして、SETが0Vになると、
R3を経由してC3が充電されることで、TRIG電圧は上昇します。
このTRIG電圧がHレベルとなる1／3×Vccまで上昇する時間tは
以下の式で求まります。
この時間が2usより長く、
タイマー時間（1.1CRA）－10usより短くなるようにR3,C3を設定します。
その後、SWをオフし、SETがHになった瞬間、
HレベルであるTRIG電圧にC3の充電電圧Vcc分上昇することで
2×Vccとなり、TRIGに過電圧が入力されてしまいます。
これを防ぐため、D1によるダイオードクランプを設けることで、
TRIG電圧がVcc以上にならないようにします。
（実際はD1の順方向電圧VF分、上昇します）
RESET入力について
タイマー期間中にRESETをLにすると、
タイマーは強制終了（出力L）します。
（TRIG入力があっても無視されます）
RESETのLレベル電圧はTRIG電圧のLレベルと違い、電源電圧Vccとは無関係で、
NE555の場合、0.3V以下でL、1V以上でHレベルになります。
RESTをLレベルにするのに必要なリセット電流は最大1.5mAと比較的大きいため、
REST信号を出力するICのLレベル出力電流（シンク電流）が十分あるものを選びます。
また、電源投入時のRS-FFの状態（リセットｏｒセット）は未定なので、
TRIG入力が無くてもタイマー出力OUTがH出力される恐れがあるため、
起動時はRESETをLにして、リセットさせる必要があります。
このため、図のようなパワーONリセット回路を設けることで、
電源投入時のタイマー誤出力を防ぐことができます。
電源投入時のRESETがLである期間をtとすると、
時定数R4,C4は電源の立上り時間より十分長くなるように選びます。
ここでは、R4 ：10kΩ C4：0.1uF とすると、
t＝60us
となり、起動から60usはRESETがLレベルになります。
CONT入力について
CONT端子に外部から電圧Vcを入力することで、
タイマー動作中にタイマ時間を電圧制御できることから、
PWM出力回路として利用することができます。
また、発振器モード時は、電圧で周波数を制御できるので、
VCO（電圧制御発振器）やFM（周波数変調）回路に応用できます。
しかし、CONT電圧ータイマ時間・周波数特性が直線的でないため、
調整がし難く、調整幅も小さいです。
また、CONT電圧を変えると、
TRIG入力の閾値も同時に変わってしまうので注意が必要です。
無安定モード
Astable（アステーブル）モードとも呼ばれ、
安定状態が無いことを意味し、
出力L及びH共に不安定状態になります。
つまり、出力LとH状態共に外部から信号を加えなくても、
一定時間が経つと、もう一方の状態に移ってしまう事を意味します。
この特徴により、一定時間毎にHとLに切替わる発振器として使用できます。
発振器動作
・初期状態
RESETがLレベルの時、RS-FFが強制リセット（/Q＝H）されるため、
DISCHがGNDショートとなるので、コンデンサCの電圧は0Vとなり、発振器出力OUTはLです。
・動作開始
その後、RESETをHにした時、THRESとTRIG入力が0Vなので、
COMP1はL、COMP2はHが出力され、RS-FFはセット状態になります。
出力OUTはH、DISCHのトランジスタTRはオフとなります。
これによって、VccからRA,RBを経由して電流がCに流れることで充電され、
C電圧は上昇していきます。
C電圧が1／3×Vccを超えるとCOMP2はLになりますが、
COMP1もLのままなので、RS-FFは変化せず、C電圧は上昇を継続します。
・出力切替（Ｈ→Ｌ）
C電圧が2／3×Vccを超えるとCOMP1はHになるため、
RS-FFはリセットされるので、OUTはLとなり、DISCHがGNDショートとなります。
この時、タイマー動作時と違い、RBがあることで放電電流が制限されるため、
C電圧はすぐ0Vとならず、徐々に下降していきます。
・出力切替（Ｌ→Ｈ）
C電圧が1／3×Vccを下回るとCOMP2はHになるので、
RS-FFは再びセット状態になり、OUTはH、DISCHはオフになります。
以上から、C電圧は1／3×Vccと2／3×Vccの間で上下変動し、
OUTはH／Lを繰り返し出力することでクロック出力になります。
また、RESET入力をLにすると、発振器は強制的に停止します。
H期間とL期間について
OUTがHである期間は、初期状態（C電圧が0V）からの1回分を除き、
C電圧が1／3×Vccから2／3×Vccまで充電されるまでの時間tHとして、以下の式で求められます。
L期間は、C電圧が2／3×Vccから1／3×Vccまで放電されるまでの時間tLとして、
以下の式で求められます。
つまり、H期間tHは、RAがある分、L期間tLよりも長くなります。
RA＝0にすれば、tH＝tLで50%DUTYになりますが、
DISCH出力がオンするとVccがショートとなり、過大電流が流れてICが壊れるため、
この回路では50%DUTYにはできません。
周期TはHとL期間の合計なので、
T＝tH＋tL＝ln2×(2RB+RA)×C≒0.69(2RB+RA)×C
周波数fは
ｆ＝1／T＝1.44／[(2RB+RA)×C]
になります。
上記の式より、周波数やDUTYはRA、RBとCで決まりますが、
タイマー動作と同様、実際には温度や電源電圧によって変動します。
周波数の精度と設定範囲
周波数の精度については、
NE555のデータシート（前述した「タイマー時間の精度」参照）を見ると、
無安定モード時の初期精度が2.25%となっており、
単安定モード（タイマー動作時）の1%に比べ劣っています。
また、温度安定性や電源安定性も単安定モード時より悪く、あまり高精度にできません。
設定範囲は0.1～10kHz程度と、デジタル回路としては低速です。
50% DUTY発振器
上記で説明した通り、先程の基本回路ではONデューティーを50%にできません。
50% DUTYのクロック出力が必要な場合、
以下の回路がデータシートに記載されています。
（動作は確認していないので、精度や安定性については不明です）
この回路はダイオードD1,D2を追加することで、
C充電時にVccからの電流がD1を経由することでRBが無視できます。
これにより、H期間の式にRB＝0を入れると、
tH＝0.69×(RA+RB)C＝0.69RAC
となります。
L期間はtL＝0.69RBC なので、
RA＝RBにすれば、tH＝tLになり、
50% DUTYとなります。
D2を設ける理由は充電時にD1の順方向電圧VF分、低下するので、
放電時もD2を経由させてVF分低下させることで、HとLに差が生じない様にしています。
もう一つの50% DUTY回路は、CMOSタイプの555で使用できます。
この回路はクロック出力に使用していたOUTをCの充放電に使用し、
DISCHをオープンコレクタ出力として利用するため、プルアップ抵抗をつけます。
CMOSタイプである理由ですが、出力電流が小さければ、
OUT電圧がVccから0Vまで出力できるからです。
バイポーラタイプだと、出力電圧がTTLレベルなので、
H出力がVccより低く、L出力は0Vより高くなるため、この回路に向きません。
CMOSの場合、OUT端子のH出力電圧は、ほぼVccなので、
RCを経由してCが充電されるので、H期間tH＝0.69RcCとなります。
OUT端子のL出力電圧は、ほぼ0Vなので、RCを経由してCが放電されるので、
L期間tL＝0.69RcCとなることから、tH＝tLとなり50% DUTYとなります。
双安定モード
Bistable （バイステーブル）モードとも呼ばれ、
安定状態が２つあることを意味し、
出力がH状態とL状態が共に安定を保ちます。
つまり、外部から信号を加えない限り、
出力がH、もしくはL状態のままであることを意味します。
このモードは、555をタイマーや発振器としてではなく、
コンパレータやフリップフロップ等の
内部回路の機能を利用したい場合に使います。
例えば、THRESとTRIGを接続し、入力として使うと、
シュミットトリガ・インバータになります。
シュミットトリガについて説明します。
通常のIC入力は、閾値を基準にして、
入力信号が高ければHレベル、低ければLレベルと判断しますが、
入力電圧が閾値付近をふらつくと、Hレベルになったり、
Lレベルになったりすることで、出力がバタついてしまいます。
（信号がH／Lにバタつく現象をチャタリングと呼びます）
シュミットトリガは、Hレベルと判断する閾値と、
Lレベルと判断する閾値が異なります。
これによって、一度Hレベルになったら、
入力電圧が少しくらい低下してもLレベルになりません。
逆にLレベルになったら、
Hレベルにするには十分に入力電圧を上げる必要があります。
そうすることで、入力電圧が多少ふらついても、
出力がバタつかなくなり、チャタリングの発生を防止できます。
このシュミット・トリガ・インバータの出力ですが、
OUT端子とDISCH端子の２つが利用できます。
OUT端子の方はプッシュプル出力なので、出力電流を多く流すことができます。
（バイポーラタイプで200mA、CMOSタイプで100mA）
このように出力電流が大きいことから、リレーやLED等を直接接続して制御したり、
FETを駆動させるドライバICとして使えます。
ドライバ出力が1点だけ必要な場合、これを使えば、
複数出力を持つトランジスタアレイを使うことなく、小型で無駄の無い回路を構成できます。
但し、本記事の最初で説明しましたが、出力電流が大きいと出力電圧が低下し、
相手先のICが、H／Lレベルを正しく認識できない場合があるので注意が必要です。
もう一つの出力であるDISCH端子はオープンコレクタ出力なので、
別電圧+Vでプルアップすることにより、
Vccとは別の電圧レベルで信号を出力できます。
（相手先の入力電圧レベルに合わせられる）
但し、DISCH端子は本来、タイマー時間を決めるコンデンサ充放電回路用であり、
出力として使用することを前提としていないので、
データシートに出力電流や電圧の規定が記載されてない場合が多いです。
NE555のデータシートにはDISCH端子のオン電圧規定時の条件として、
Vcc＝5V、8mA としていることから、
OUT端子と違い、大きな電流は流せないです。
次にフリップフロップとして使う場合です。
TRIGとRESETをプルアップすることで、それぞれが、
ローアクティブ（Lで有効）のセット入力、リセット入力になります。
この時、RS-FFのもう一つのリセット入力Rを無効にするために、
THRESはGNDに接続します。
出力OUT及びプルアップされたDISCH出力は、
セット入力でH、リセット入力でLとなります。
セット、リセット同時入力の場合はリセットが優先されます。
一度、セット又はリセットされると、
入力がHに戻っても、出力はそのままの状態を維持します。
以上のように、双安定モードは、
タイマICをシュミットトリガやフリップフロップとして使えますが、
入力の論理レベルがTTLレベルでないことや、動作速度が遅いといった欠点があります。
以下の記事で、半田付けのコツや部品の外し方を解説しています。
工作時に役立つ工具類を紹介しています。
