10 – Integrovaný obvod

Poprvé v sérii BASIC nemusíš nic mačkat — LED bliká sama. Za tím stojí malý černý čip, který v sobě skrývá celý obvod.

Zapojení

Tahle deska je jiná

Tato část desky je oddělena od zbytku a zapojení je na ní nakresleno tak, jak vypadá ve skutečnosti — ne jako schematické symboly. Rezistory jsou obdélníky, kondenzátory jsou válečky, vodiče jdou po desce viditelně. Je to záměrně: takhle vypadá skutečná elektronika uvnitř.

Časovač IC1 (555) v astabilním módu:

• +5 V → R1 (10 kΩ) → Pin 7 (DIS) → R2 (100 kΩ) → Pin 2/6 (TRIG/THR) → C1 (10 µF) → GND
• Pin 3 (OUT) → R4 (1 kΩ) → Gate T1 — výstupní signál řídí tranzistor
• +5 V → R3 (4,7 kΩ) → LED1 → Drain T1 → Source T1 → GND — LED svítí, když T1 sepne
• C2 (10 µF) blokuje VCC, C3 (10 nF) blokuje Pin 5 (CV)

Tlačítka:

• SW1 → Pin 2 (TRIG) — stisknutí okamžitě spustí nový cyklus (LED se rozsvítí)
• SW2 → Pin 4 (RST) — stisknutí zastaví časovač (LED zhasne), uvolnění obnoví blikání

Součástky na desce

• IC1 (NE555DR) — časovač 555, integrovaný obvod v pouzdře SOIC-8
• R1 (10 kΩ) — nabíjecí rezistor, horní větev RC sítě
• R2 (100 kΩ) — nabíjecí a vybíjecí rezistor, dolní větev RC sítě
• R3 (4,7 kΩ) — sériový rezistor LED
• R4 (1 kΩ) — ochranný rezistor hradla MOSFETu
• C1 (10 µF) — časovací kondenzátor
• C2 (10 µF) — blokovací kondenzátor napájení
• C3 (10 nF) — blokovací kondenzátor řídicího napětí (Pin 5)
• T1 (IRLML6346) — N-kanálový MOSFET, spíná LED podle výstupu IC1
• LED1 (zelená) — výstupní LED, bliká s frekvencí danou RC sítí
• SW1 — tlačítko trigger: okamžitě spustí nový cyklus
• SW2 — tlačítko reset: zastaví časovač, dokud je stisknuté
• M1, M2, M3 — měřicí body

---

Součástky, které znáš — a jeden čip, který je řídí

Přiveď napájení. LED1 začne sama od sebe blikat — přibližně jednou za 1,5 sekundy. Nepotřebuje tlačítko, nepotřebuje tě. Bliká automaticky, pořád dokola.

Prohlédni si desku. Součástky jsou ti povědomé:

• Rezistory R1, R2, R3, R4 — jako na desce 01 a 03
• Kondenzátory C1, C2, C3 — jako na deskách 04 a 05
• MOSFET T1 — jako na desce 09
• LED dioda LED1 — jako na desce 02

Ale je tam ještě jedna věc, kterou jsi na předchozích deskách neviděl: IC1. Černý obdélník s osmi nožičkami. To je integrovaný obvod (IC — integrated circuit, nebo jednoduše čip).

Uvnitř tohoto čipu jsou tranzistory, rezistory a komparátory — dohromady asi 25 součástek, na ploše menší než milimetr čtvereční. Jmenuje se časovač 555 a dělá jednu věc opravdu dobře: měří čas.

Jak to funguje — zjednodušeně

555 sleduje, jak se kondenzátor C1 nabíjí a vybíjí. Jakmile se C1 nabije dost — 555 přepne výstup dolů a kondenzátor se začne vybíjet přes R2. Jakmile se vybije — 555 přepne výstup nahoru a C1 se znovu nabíjí přes R1 a R2. Pořád dokola.

Toto střídání výstupu HIGH a LOW ovládá MOSFET T1, který spíná LED.

Tlačítka

SW1 (trigger): Stiskni ho — 555 se okamžitě přepne do HIGH, LED se rozsvítí. Je to jako zkratovat cyklus na začátek.

SW2 (reset): Dokud ho držíš, 555 je zablokovaný — výstup je LOW, LED zhasne. Uvolni — blikání se obnoví.

Navazuje na první sekci

Víme, že 555 sleduje kondenzátor C1 a přepíná výstup. Teď si ukážeme přesně jak — a spočítáme frekvenci blikání.

Astabilní klopný obvod

Časovač 555 v astabilním módu pracuje se dvěma prahovými napětími:

• Horní práh: $\frac{2}{3} V_{CC} = \frac{2}{3} \times 5\,\text{V} = 3{,}33\,\text{V}$
• Dolní práh: $\frac{1}{3} V_{CC} = \frac{1}{3} \times 5\,\text{V} = 1{,}67\,\text{V}$

Uvnitř 555 jsou dva komparátory, které hlídají napětí na kondenzátoru C1.

Nabíjecí fáze (výstup HIGH, LED svítí): C1 se nabíjí přes R1 + R2. Jakmile napětí překročí 3,33 V — výstup se přepne LOW a vnitřní vybíjecí tranzistor (Pin 7) připojí uzel mezi R2 a C1 na GND.

Vybíjecí fáze (výstup LOW, LED nesvítí): C1 se vybíjí přes R2 (Pin 7 je spojený s GND). Jakmile napětí klesne pod 1,67 V — výstup se přepne HIGH a vybíjecí tranzistor se odpojí.

Výpočet frekvence

Doba nabíjení:

$t_H = 0{,}693 \times (R_1 + R_2) \times C_1 = 0{,}693 \times 110\,\text{k}\Omega \times 10\,\mu\text{F} \approx 0{,}76\,\text{s}$

Doba vybíjení:

$t_L = 0{,}693 \times R_2 \times C_1 = 0{,}693 \times 100\,\text{k}\Omega \times 10\,\mu\text{F} \approx 0{,}69\,\text{s}$

Perioda, frekvence a střída:

$T = t_H + t_L \approx 1{,}45\,\text{s} \qquad f \approx 0{,}69\,\text{Hz}$

$D = \frac{R_1 + R_2}{R_1 + 2\,R_2} = \frac{110\,\text{k}\Omega}{210\,\text{k}\Omega} \approx 52\,\%$

Obecný vzorec:

$f = \frac{1{,}44}{(R_1 + 2\,R_2) \cdot C_1}$

Chceš rychlejší blikání? Sniž R2 nebo C1. Desetinásobně jiná kapacita dá desetinásobně jiný čas.

Proč je tam MOSFET?

Výstup 555 dokáže dodat asi 200 mA — na jednu LED to stačí i bez tranzistoru. Ale T1 tu je záměrně: ukazuje, jak se IC s malým výstupním proudem kombinuje se silnějším spínačem. Kdybys chtěl spínat výkonovou LED, motor nebo relé, zapojení by bylo stejné — jen jiný MOSFET.

Blokovací kondenzátory

C2 (10 µF) stabilizuje napájení — rychlé přepínání výstupu způsobuje proudové špičky, C2 je tlumí. C3 (10 nF) sedí na Pinu 5 (Control Voltage) a zabraňuje rušení referenčního napětí. Bez C3 může být blikání nestabilní, zvlášť v rušivém prostředí.

Navazuje na obě předchozí sekce

Víme jak 555 pracuje navenek a jak spočítat frekvenci. Teď se podíváme dovnitř — co je v čipu, jak vznikly integrované obvody a co tě čeká v dalších sériích EduBoard.

Vnitřní struktura 555 a integrace

Co je uvnitř čipu

Časovač 555 obsahuje 25 tranzistorů, 2 diody a 15 rezistorů. Klíčové funkční bloky:

1. Odporový dělič — tři rezistory po 5 kΩ v sérii (odtud jméno „555") dělí V_CC na třetiny a vytváří referenční napětí $\frac{1}{3} V_{CC}$ a $\frac{2}{3} V_{CC}$
2. Dva komparátory — porovnávají napětí na C1 s oběma prahy; každý nastavuje nebo resetuje klopný obvod
3. SR klopný obvod — pamatuje si aktuální stav výstupu (HIGH nebo LOW) mezi přepnutími
4. Vybíjecí tranzistor (NPN, Pin 7) — při LOW fázi připojí uzel C1 přes Pin 7 na GND; kondenzátor se vybíjí jen přes R2
5. Výstupní stupeň — totem-pole: v HIGH stavu souruje proud z VCC, v LOW stavu sinkuje proud do GND; maximálně ±200 mA

CMOS vs. bipolární varianta

Původní NE555 (1972) je bipolární — klidový odběr je asi 5 mA bez ohledu na zátěž. Modernější CMOS varianty jsou výrazně úspornější:

Typ	Technologie	Klidový proud	Max. frekvence
NE555	bipolární BJT	~5 mA	~500 kHz
TLC555	CMOS	~170 µA	~2 MHz
LMC555	CMOS	< 1 µA	~3 MHz

Pouzdro SOIC-8 na desce 10 je SMD varianta — piny jsou na boku čipu, pájí se přímo na desku. Klasická DIP-8 verze má výstupy dole a dá se zapíchnout do nepájivého pole.

Integrace: od jedné součástky k miliardě

Časovač 555 navrhl Hans Camenzind v roce 1972 pro Signetics Corporation. Je jedním z nejčastěji vyráběných integrovaných obvodů v historii — v některých letech přes miliardu kusů ročně.

Co se od té doby změnilo? Počet tranzistorů na čip:

Éra / úroveň integrace	Transistory na čip	Příklad
SSI — Small Scale Integration	< 100	555 timer, TTL logické brány
MSI — Medium Scale Integration	100 – 10 000	čítače, dekodéry, 7-segmentové drivery
LSI — Large Scale Integration	10 000 – 100 000	kalkulačky, paměti
VLSI — Very Large Scale Integration	100 000 – 1 000 000	Intel 4004 (1971): 2 300 tr.; 8086 (1978): 29 000 tr.
ULSI / moderní procesory	miliardy	Apple M4 (2024): ~28 miliard tr. na 3nm procesu

Každý tranzistor v moderním procesoru má kanál délky asi 3 nm — to je 10 atomů křemíku vedle sebe. 555 má tranzistory s délkou kanálu přibližně 10 µm, tedy třítisíckrát větší.

Co tě čeká dál

EduBoard LOGIC — logické integrované obvody (74xx série). Každý čip obsahuje 1–4 logické brány (AND, OR, NOT, NAND, NOR, XOR). Skládáním bran vznikají sčítačky, dekodéry, klopné obvody (flip-flop), čítače — základní kameny digitální elektroniky. Cokoliv počítá nebo rozhoduje, je uvnitř postaveno z těchto bran.

EduBoard ANALOG — operační zesilovače (op-amp). LM358, TL071 a podobné. Zesilují signály, porovnávají napětí, tvarují vlny, filtrují frekvence. Analogová elektronika je tam, kde digitál nestačí — senzory, audio, napájecí regulátory, měřicí přístroje.

Doporučená literatura

• Horowitz & Hill: The Art of Electronics — kapitola o 555 timeru, integrovaných obvodech a přechodu do digitální domény
• Floyd & Buchla: Electronics Fundamentals — přehledný úvod do digitálních a analogových IC
• Razavi: Design of Analog CMOS Integrated Circuits — vnitřní struktura čipů, pro hlubší ponoření do analogových IC