Fünfzig Jahre 555 Timer IC

Was erhält man, wenn man einen Schweizer Innovator mit einem US-Halbleiterunternehmen mischt? Betrachten wir die Geschichte des 555 Timer IC.

Zeit ist ein faszinierendes Thema. Verschiedene Kulturen nehmen die Zeit auf unterschiedliche Weise wahr. In den USA ist "Zeit Geld". Südeuropäische Kulturen scheinen einen elastischeren Umgang mit der Zeit zu haben. In Japan sorgte ein Bahnbetreiber für einen Aufschrei, als sein Zug 25 Sekunden zu früh abfuhr - der zweite derartige Vorfall innerhalb von sechs Monaten! Die Schweizer sind bekannt für ihre Pünktlichkeit, ihre Uhren und ihre Kuckucksuhren. Was geschah also, als der Schweizer Emigrant Hans Camenzind sich daran machte, für ein amerikanisches Halbleiterunternehmen den weltweit ersten integrierten Timer-Schaltkreis, den 555 Timer Integrated Circuit (IC), zu bauen?

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Ein kleiner Hintergrund

Anfang der 1970er Jahre war eine aufregende Zeit für Physiker und Ingenieure in der noch jungen Halbleiterindustrie. Das planare Verfahren war erfunden worden und ermöglichte den Aufbau komplexer Schaltungen auf einem einzigen Stück Silizium. Alle entwickelten Miniaturschaltungen und optimierten gleichzeitig den Herstellungsprozess. Hans Camenzind hatte als Forscher bei P. R. Mallory, bekannt für Trockenbatterien, in den USA gearbeitet. Er wechselte 1968 zu Signetics, einem Unternehmen, das 1961 von einem Team ehemaliger Fairchild-Ingenieure gegründet worden war. Die Gründer waren der Meinung, dass Fairchild sich zu sehr auf Transistoren konzentrierte und dass die Zukunft in integrierten Schaltkreisen lag.

In der Schweiz hatte Camenzind eine Ausbildung zum Radioingenieur absolviert. Nach seiner Auswanderung in die USA unterrichtete er Schaltungsdesign, während er einen Master in Business Administration machte. Er erkannte die Herausforderungen des Funkdesigns und konnte Signetics, nachdem er über PLLs geforscht hatte, davon überzeugen, dass sie ein solches Gerät bauen sollten, als er 1968 zu ihnen kam. Dies führte zu zwei Produkten: dem 565 und 566. Diese Geräte benötigten zum Betrieb einen Oszillator, dessen Frequenz über eine Widerstands-Kondensator-Schaltung eingestellt wurde. Damals waren die Bauteiltoleranzen in ICs wegen der großen Schwankungen im Herstellungsprozess relativ hoch. Daher musste der Oszillator so konstruiert sein, dass er diesen Ungenauigkeiten sowie der Temperatur und der Versorgungsspannung standhielt.

Signetics stolpert

In den 60er Jahren hatte Signetics ein starkes Portfolio an linearen ICs, wie Operationsverstärker und Phasenregelschleifen (PLL), und eine gute Sammlung von digitalen Logikbausteinen aufgebaut. Sie waren in vielen Geräten zum Standard geworden, und Fairchild, das inzwischen beschlossen hatte, dass ICs ein lohnendes Geschäft waren, hatte viele ihrer Designs kopiert. Gegen Ende der 1960er Jahre geriet das Unternehmen in finanzielle Schwierigkeiten, weil es versuchte, mit Fairchild und anderen zu konkurrieren. Camenzind hatte PLLs entwickelt, war aber von seiner Rolle desillusioniert, da sein Arbeitgeber trotz seines technischen Vorsprungs scheinbar strauchelte. Er verließ das Unternehmen 1971 mit dem Plan, ein Buch zu schreiben, wobei er sich die Möglichkeit offen ließ, weiterhin als Designberater für das Unternehmen zu arbeiten.

Der für die PLLs verwendete Oszillator schien in Camenzinds Augen das Zeug zu einem eigenständigen Produkt zu haben. In seinem ersten Beratungsprojekt schlug er Signetics einen Oszillatorentwurf vor, der auch als Timer fungieren konnte. Einige waren sich unsicher, ob sie das Projekt weiterverfolgen sollten, da der Entwurf möglicherweise den Verkauf anderer Geräte in der Produktpalette, wie z. B. Operationsverstärker, beeinträchtigen könnte. Die andere Persönlichkeit in dieser Geschichte, Art Fury, ein Marketing-Manager, war jedoch der Meinung, dass das Produkt es wert war, gebaut zu werden. Fury war unter den Marketingfachleuten insofern ungewöhnlich, als er zu Hause ein Labor hatte, Schaltungen bauen konnte und ein natürliches Gespür für den Markt hatte.

Zeit für einen Oszillator

Camenzind machte mit der Entwicklung seines Oszillators weiter, wenn auch mit einem geringeren Einkommen, als er es zuvor als Angestellter hatte. Aufgrund der scharfen Rezession in den 1970er Jahren hatte Signetics jedoch einen großen Teil seines Ingenieurteams entlassen. Dadurch blieben im Labor ungenutzte Geräte übrig, die sie ihm für die Arbeit an seinem Entwurf liehen.

Das Endprodukt bestand aus zwei Komparatoren, einem Entladetransistor, einem Widerstandsteiler und einem Set-Reset-Flipflop, das drei Betriebsarten bot: monostabil (einmalig), astabil (oszillierend) und zeitverzögert. Die Frequenz oder die Zeitverzögerung wurde mit nur einem Widerstand und einem Kondensator konfiguriert. Der monostabile Modus ermöglichte es den Ingenieuren, Verzögerungen von bis zu einer Stunde zu realisieren. In der Praxis war jedoch aufgrund der Kosten für hochwertige Kondensatoren mit geringem Leckstrom ein Countdown-Schema für die Realisierung derart langer Verzögerungen vorzuziehen. Im astabilen Modus konnten Ausgänge von bis zu 1 MHz erreicht werden. Die Application Note AN170 im Signetics Applications Manual von 1985 empfahl jedoch im Interesse der Temperaturstabilität eine Obergrenze von 500 kHz.

555: Das Marketing-Genie

Der einprägsame Produktname 555 wird Fury zugeschrieben, der ihn willkürlich wählte. Trotzdem verbinden viele Texte und Quellen den Namen immer noch fälschlicherweise mit der Verwendung von drei 5 kΩ-Widerständen in der Schaltung. Er wurde 1972 in einem achtpoligen Kunststoff-DIP (NE555V) für den kommerziellen Temperaturbereich und einem TO5-Metallgehäuse (SE555T) für den militärischen Temperaturbereich auf den Markt gebracht. Bis Ende des Jahres hatten National Semiconductor, Fairchild und andere Versionen auf dem Markt. Später kamen weitere Varianten auf den Markt, die zwei Timer (556) und vier Cut-Down-Timer (558/559) in einem einzigen Gehäuse integrierten.

Den 555er gibt es heute noch sowohl in seiner ursprünglichen bipolaren Ausführung als auch in CMOS-Varianten. Es gibt sogar hochzuverlässige Varianten (XTR650), die auf der Silicon-on-Insulator (SOI)-Technologie basieren und im Temperaturbereich von -60°C bis +230°C arbeiten. Seine Verwendung ist für Studenten auf ihrem Weg in die Elektronik fast schon zu einem Initiationsritus geworden und wurde in Servosteuerungen, Spielzeug, Raumfahrtanwendungen und Klasse-D-Verstärkern eingebaut. Das Design ist sogar als Bausatz mit diskreten Komponenten erhältlich.

Was bekommt man also, wenn man einen Schweizer Ingenieur mit einem US-Halbleiterunternehmen zusammenbringt? Mit Milliarden von Chips, die in den letzten 50 Jahren schätzungsweise verkauft wurden, Zeit(en) und Geld!

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