Vijftig jaar timer IC 555

Wat krijg je als je een Zwitserse innovator laat werken voor een Amerikaans halfgeleidergeleiderbedrijf? Laten we eens kijken naar de geschiedenis van het timer IC 555.

Tijd is een fascinerend onderwerp. Verschillende culturen zien tijd in verschillende manieren. In de VS is 'tijd geld'. Zuid-Europese culturen lijken een meer flexibele benadering van tijd te hebben. In Japan veroorzaakte een spoorwegbedrijf een opschudding toen zijn trein 25 seconden te vroeg vertrok - het tweede dergelijke voorval in zes maanden! De Zwitsers staan bekend om stiptheid, horloges en koekoeksklokken. Wat gebeurde er toen de Zwitserse emigrant Hans Camenzind begon met het bouwen van 's werelds eerste geïntegreerde timer circuit, het timer IC 555, voor een Amerikaans halfgeleiderbedrijf?

Signetics NE555 Retro Electro Print with SOIC Device — Signetics NE555 Retro Electro Print met SOIC-package. Bestel de jouwe vandaag bij Elektor zolang de voorraad strekt!

Een beetje achtergrond informatie

Het begin van de jaren zeventig was een opwindende tijd voor natuurkundigen en technici in de jonge halfgeleiderindustrie. Het planaire proces was uitgevonden, waardoor complexe circuits op een enkel stuk silicium konden worden gebouwd. Iedereen was bezig met het ontwikkelen van miniatuurschakelingen en tegelijkertijd met het optimaliseren van het fabricageproces. Hans Camenzind werkte als onderzoeker in de VS bij PR Mallory, bekend van droge cel batterijen.

Hij verhuisde in 1968 naar Signetics, een bedrijf dat in 1961 werd opgericht door een team van ex-Fairchild-technici. De oprichters hadden het gevoel dat Fairchild te veel gefocust was op transistors en dat de toekomst bij geïntegreerde schakelingen lag. In Zwitserland had Camenzind een opleiding gevolgd om radio-technicus te worden. Nadat hij naar de VS was geëmigreerd, doceerde hij circuitontwerp terwijl hij studeerde voor een master in bedrijfskunde. Hij begreep de uitdagingen van het ontwerpen van radio's en, na onderzoek te hebben gedaan naar PLL's, slaagde hij erin Signetics ervan te overtuigen een PLL te bouwen toen hij in 1968 bij hen kwam werken. Dit leidde tot twee producten: de 565 en 566. Deze hadden een oscillator nodig om te functioneren, waarbij een weerstand-condensator circuit werd gebruikt om de frequentie in te stellen. In die tijd waren de component toleranties in IC's relatief hoog vanwege de grote variatie in het fabricageproces. Het ontwerp van de oscillator moest dus tolerant zijn voor deze onnauwkeurigheden, evenals voor temperatuur en voedingsspanning.

Signetics wankeld

In de jaren 60 had Signetics een sterke portfolio opgebouwd van lineaire IC's, zoals operational amplifiers en phase-locked loops (PLL), en een goede verzameling digitale logische chips. Ze waren de standaard geworden in veel apparaten en Fairchild had sindsdien besloten dat IC's de moeite van het nastreven waard waren, had veel van hun ontwerpen gekopieerd. Tegen het einde van de jaren zestig kwamen ze in financiële moeilijkheden omdat ze probeerden te concurreren met Fairchild en anderen. Camenzind had PLL's ontwikkeld, maar raakte gedesillusioneerd door zijn rol toen zijn werkgever ondanks de technische voordelen in de problemen kwam. Hij vertrok in 1971 met plannen om een boek te schrijven en liet de deur open om voor hen te blijven werken als ontwerpadviseur.

De oscillator die voor de PLL's werd gebruikt, leek de moeite waard om een individueel product te maken in de ogen van Camenzind. Bij zijn eerste adviesproject voor Signetics stelde hij een oscillatorontwerp voor dat ook als timer zou kunnen functioneren. Sommigen voelden zich onzeker om verder te gaan, omdat het ontwerp mogelijk van invloed zou kunnen zijn op de verkoop van andere chips in het product assortiment, zoals op-amps. De andere persoonlijkheid in dit verhaal, Art Fury, een marketing manager, vond echter ook dat het product de moeite waard was om te bouwen. Fury was ongebruikelijk onder marketingmensen omdat hij thuis een laboratorium had, circuits kon bouwen en een natuurlijk gevoel voor de markt had.

Tijd voor een oscillator

Camenzind ging door met het ontwerpen van zijn oscillator, zij het met een lager inkomen dan hij eerder als werknemer had gehad. Vanwege de sterke recessie van de jaren zeventig had Signetics echter een aanzienlijk deel van hun technische team ontslagen. Hierdoor bleef ongebruikte apparatuur in het lab achter dat ze hem leenden om aan zijn ontwerp te werken.

Het eindproduct bestond uit twee comparatoren, een ontladingstransistor, een weerstandsdeler en een set-reset flip-flop, die drie bedrijfsmodi bood: monostabiel ( one-shot), astabiel (oscillerend) en tijdvertraging. De frequentie of tijdvertraging werd geconfigureerd met enkel een weerstand en een condensator. Met de monostabiele modus konden technici vertragingen tot een uur bereiken. In de praktijk had een counter circuit echter de voorkeur voor het implementeren van dergelijke lange vertragingen vanwege de kosten van hoogwaardige condensatoren met een lage lekstroom. In astabiele modus waren frequenties tot 1 MHz haalbaar. Echter, application note AN170 in het Signetics-datasheet uit 1985 adviseerde een bovengrens van 500 kHz vanwege de temperatuurstabiliteit.

555: Marketing wonder

De gedenkwaardige productnaam 555 wordt toegeschreven aan Fury, die er willekeurig voor koos. Desondanks koppelen veel teksten en bronnen de naam nog steeds ten onrechte aan het gebruik van drie weerstanden van 5 kΩ in de schakeling. Het werd gelanceerd in 1972 in een 8-pins plastic DIP (NE555V) voor het commerciële temperatuurbereik en een metalen TO5-behuizing (SE555T) voor het militaire temperatuurbereik. Tegen het einde van het jaar hadden National Semiconductor, Fairchild en anderen vergelijkbare versies op de markt. Later werden meer variaties gelanceerd die twee timers (556) en vier cut-down timers (558/559) in een behuizing integreerden.

De 555 bestaat nog steeds in zowel het oorspronkelijke bipolaire ontwerp als in CMOS-varianten. Er zijn zelfs varianten met een hoge betrouwbaarheid (XTR650) gebouwd op silicium-on-isolator (SOI)-technologie voor gebruik in het bereik van -60°C tot +230°C. Het gebruik van de 555 is bijna een vanzelfsprekendheid geworden voor studenten in hun avonturen met elektronica en is ingebouwd in servocontrollers, speelgoed, ruimtevaartachtige toepassingen en klasse-D versterkers. Het ontwerp is zelfs verkrijgbaar in een kit versie met behulp van discrete componenten. Dus, wat krijg je als je een Zwitserse ingenieur laat werken voor een Amerikaans bedrijf voor halfgeleiders? Miljarden timer chips die naar schatting de afgelopen 50 jaar zijn verkocht, en die veel geld hebben opgebracht!

Interesse in de 555? NE555 Retro Electro-afdruk

Elektor verkoopt een Retro Electro print ter ere van een van de eerste ICs van Signetics. De NE555, ontworpen door Hans Camenzind, is een startpunt geweest voor veel elektronica-technici en -makers.