Circuito integrado 555

Introducción.

Cuando la industria necesitaba un temporizador, lo primero que se consideraba era la precisión en el tiempo, es una base muy importante para determinar los elementos que se debían utilizar en la concepción y diseño de un temporizador.

El ingenio de los técnicos siempre ha conseguido crear temporizaciones con elementos sencillos y la industria ha bebido de ellos, hasta la llegada al mercado del circuito integrado y como consecuencia el NE555, un circuito integrado muy peculiar, del que se ha escrito infinidad de volúmenes y quien sabe cuando se dejará de utilizar.

El temporizador IC 555 es un circuito integrado (chip) que se utiliza en una variedad de aplicaciones y se aplica en la generación de pulsos y de oscilaciones. El 555 puede ser utilizado para proporcionar retardos de tiempo, como un oscilador, y como un circuito integrado flip-flop. Sus derivados proporcionan hasta cuatro circuitos de sincronización en un solo paquete. Introducido en 1971 por Signetics, el 555 sigue siendo de uso generalizado debido a su facilidad de uso, precio bajo y la estabilidad. Lo fabrican muchas empresas en bipolares y también en CMOS de baja potencia. A partir de 2003, se estimaba que mil millones de unidades se fabricaban cada año.

Historia

Jack Kilby ingeniero de Texas Instrument en el año de 1950 se las ingenió para darle vida al primer circuito integrado, una compuerta lógica, desde entonces y hasta nuestros tiempos han aparecido innumerables circuitos integrados.

El 555 fue pionero en muchos aspectos, no solo fue el primer circuito integrado temporizador, también fue el primero en venderse desde su salida al mercado a bajo precio (US $0,75), cosa nunca hecha hasta entonces por ningún productor de semiconductores. Cabe acotar que por las diferencias entre Camenzind y el departamento de ingeniería de Signetics, el proyecto durmió durante un año antes de ser finalmente producido en masa por Signetics.

El temporizador fue introducido en el mercado en el año 1972 por Signetics con el nombre: SE555/NE555 y fue llamado "The IC Time Machine" (La Máquina del Tiempo en Circuito Integrado). Este circuito tiene muy diversas aplicaciones, y aunque en la actualidad se emplea más su remozada versión CMOS desarrollada por Dave Bingham en Intersil, se sigue usando también la versión bipolar original, especialmente en aplicaciones que requieran grandes corrientes en la salida del temporizador.

El temporizador NE555.

El 555 es un temporizador flexible, barato y fácil de encontrar (incluso se puede encontrar, casi, bajo las piedras). Es un buen punto de partida para multitud de proyectos de cualquier índole, debido a que su versátil salida, se puede conectar directamente a una carga a bajo o a alto. Tanto el principiante como el avezado técnico, hacen uso del temporizador 555, para utilizar cualquiera de los circuitos de información del fabricante o el ejemplo que se proporciona en algún tutorial como punto de partida para una demostración en un proyecto. Encapsulado en 8 patillas, este es el aspecto que tiene.

El NE555, es un dispositivo altamente estable, para generar retardos exactos de tiempo corto o generador de oscilación. Se proporciona un terminal adicional, para la activación o reposición (reset) si se desea. En el modo de operación de retardo de tiempo, el tiempo es controlado con precisión, por una resistencia y condensador externos.

Para la operación astable, como un oscilador, la frecuencia de funcionamiento libre y ciclo de trabajo, se controlan con precisión, con dos resistencias externas y un condensador. El circuito se pueden activar y restablecer las formas de salida de onda, y el circuito de salida puede ser fuente o drenador de hasta 200 mA o circuitos de accionamiento TTL.

En la figura que sigue, se muestran las conexiones de las patillas al temporizador 555, que se han tomado directamente de la hoja de datos del temporizador 555. Las conexiones de alimentación al dispositivo se hacen a través de los pines 1 (patilla a masa) y 8 (+ Vcc). La tensión de alimentación positiva (+ Vcc) debe estar entre 5 y 15V.

Aplicaciones

Oscilador

Temporizador

Modulador de frecuencia

Divisor de frecuencia

Generador de señales rectangulares y triangulares

Descripción de las pines del 555

GND (Ground) (normalmente la 1): es el polo negativo de la alimentación, generalmente tierra (masa).

Disparo (Trigger) (normalmente la 2): Es donde se establece el inicio del tiempo de retardo si el 555 es configurado como monoestable. Este proceso de disparo ocurre cuando esta patilla tiene menos de 1/3 del voltaje de alimentación. Este pulso debe ser de corta duración, pues si se mantiene bajo por mucho tiempo la salida se quedará en alto hasta que la entrada de disparo pase a alto otra vez.

Salida (Output) (normalmente la 3): Aquí veremos el resultado de la operación del temporizador, ya sea que esté conectado como monoestable, astable u otro. Cuando la salida es alta, el voltaje será el voltaje de alimentación (Vcc) menos 1.7 V. Esta salida se puede obligar a estar en casi 0 voltios con la ayuda de la patilla de reinicio (normalmente la 4).

Reinicio (Reset) (normalmente la 4): Si se pone a un nivel por debajo de 0.7 Voltios, pone la patilla de salida a nivel bajo. Si por algún motivo esta patilla no se utiliza hay que conectarla a alimentación para evitar que el temporizador se reinicie.

Control de voltaje (Control) (normalmente la 5): Cuando el temporizador se utiliza en el modo de controlador de voltaje, el voltaje en esta patilla puede variar casi desde Vcc (en la práctica como Vcc -1.7 V) hasta casi 0 V (aprox. 2 V menos). Así es posible modificar los tiempos. Puede también configurarse para, por ejemplo, generar pulsos en rampa.

Umbral (Threshold) (normalmente la 6): Es una entrada a un comparador interno que se utiliza para poner la salida a nivel bajo.

Descarga (Discharge) (normalmente la 7): Utilizado para descargar con efectividad el condensador externo utilizado por el temporizador para su funcionamiento.

Voltaje de alimentación (VCC) (normalmente la 8): es la patilla donde se conecta el voltaje de alimentación que va de 4.5 V hasta 16 V.

Modos de funcionamiento

Monoestable.

Astable.

MODO MONOESTABLE.

Es ideal para crear retardos de tiempo. En este modo, un disparador externo hace que el temporizador 555 genere un pulso de una duración ajustable. Igualmente, el temporizador funciona con un disparador, vea la figura de abajo. El condensador externo está inicialmente descargado por un transistor interno del propio temporizador. Tras la aplicación de un disparo negativo al pin 2, pulso de menos de 1/3 VCC, el flip-flop interno, se ajusta para que libere el cortocircuito a través del condensador y acciona la salida a alto.

En este estado, el temporizador 555 genera un pulso alto, que comienza cuando el pin de disparo se pone en bajo (menos de 1/3Vcc, como se explica en el paso anterior, esto es suficiente para cambiar la salida del comparador conectado con el pin de disparo). La duración de este pulso depende de los valores de la resistencia R1 y el condensador C1 en la imagen.

Entonces, el voltaje a través del condensador aumenta exponencialmente durante un periodo de T=1,1xRAxC, al final del cual el voltaje es igual a 2/3 VCC. El comparador a continuación, restablece el flip-flop que, a su vez descarga el condensador y acciona la salida en su estado bajo. La figura siguiente, muestra las formas de onda generada en este modo de operación. Puesto que la carga y el nivel de umbral del comparador son ambas directamente proporcionales a la tensión de alimentación, la temporización interna es independiente del suministro.

Cuando el pin de disparo esta alto, hace que el pin de descarga (pin 7) pase a drenar toda la carga del condensador (C1 en la imagen anterior). Esto hace que el voltaje en el condensador (y el voltaje del pin 6) sean igual a 0. Cuando el pin de disparo cambió bajo, el pin de descarga ya no es capaz de drenar corriente, esta carga tiende a acumularse en el condensador de acuerdo con la ecuación: t = 1,1*R*C.

Para obtener los resultados correctos, los valores de los condensadores, en los cálculos, se deben convertir, de modo que 1uF = 0.000,001 F = 1-6F.

Una vez que el voltaje en el condensador (el voltaje de pin 6) es igual a 2/3 de la tensión de alimentación (de nuevo, como se explica en el paso anterior, esto es suficiente para cambiar la salida del comparador conectado a la patilla 6), la salida del 555 es de nuevo llevado bajo. La salida permanece baja hasta que el pin de disparo es pulsado a bajo de nuevo, reiniciando el proceso que acabo de describir.

Durante el ciclo de temporización cuando la salida es alta, la posterior aplicación de un pulso de disparo, tan largo como la entrada de disparo, no tendrá efecto en el circuito, éste devolverá alto, al menos 10μs antes del final del intervalo de tiempo. Sin embargo, el circuito puede ponerse a cero durante este tiempo, por la aplicación de un pulso negativo al terminal de reposición (pin 4). La salida, permanecerá entonces en el estado bajo, hasta que se aplica un nuevo impulso de disparo.

La duración de este pulso de salida, depende de los valores de R1 y C1 en la figura anterior. Un ejemplo pondrá de relieve, el cálculo del tiempo de retardo del pulso en la salida del 555 en modo monoestable:

t = 1,1*R*C tiempo en segundos Si elegimos R = 10Kohms y C = 100uF, tendremos t = 1.1*10000*0.0001 t = 1'1 seg.

Esto significa que, con una resistencia de 10Kohm y un condensador de 100uF, un pulso bajo en el pin de activación (pin 2) del 555, es decir, tirando a masa un instante el pin 2, hará que un LED conectado a una resistencia de 270 Ohms a la salida, se encienda durante 1'1 segundos. La siguiente, es la grafica de este ejemplo.

En la imagen que sigue, disponemos de una herramienta de ayuda muy apropiada para obtener, por ejemplo: el valor aproximado del tiempo del retardo, conociendo los valores del condensador C1 (100uf) y la resistencia R1 (10k), en un monoestable, como en el esquema anterior. El la grafica se muestra el valor de 1'1 s tiempo de retardo.

Nota1. Durante parte de la operación del 555, el pin 7, internamente se conecta a masa 0V, a través de un transistor. Si la resistencia asociada en el circuito es muy baja (potenciómetro se gira), una elevada corriente fluirá a través del transistor y se puede daña.

MODO ASTABLE. El modo astable está estrechamente relacionado con el modo monoestable (discutido en el apartado anterior), se puede ver que el esquema es casi el mismo, como un multivibrador. La diferencia importante es que, en modo astable, el pin de disparo, pin 2, está conectado a la patilla umbral pin 6, lo que hace que la salida pase a alternar continuamente entre los estados alto y bajo.

En las hojas de datos del temporizador 555, se utilizan los valores de 1,44 y 0,7 como constantes en los cálculos de tiempos, dependiendo de la forma en que se escribía la ecuación. Si bien, estas cifras no son exactamente recíprocas una de la otra, están lo suficientemente cerca para ser utilizadas sin preocupación.

En el modo astable, la salida del temporizador 555, es una forma de onda de pulso continuo, de una frecuencia específica que depende de los valores de las dos resistencias (R1 - R2) y el condensador (C1) utilizados en el circuito de la figura que sigue, de acuerdo con la siguiente ecuación:

Frecuencia de oscilación = 1 / (0.7*(R1+2*R2)*C)

Si el circuito está conectado como se muestra en la anterior figura (pines 2 y 6 unidos), se disparará a sí mismo, como un multivibrador, funcionamiento libre. El condensador externo, se cargará a través de R1 + R2 y descargará a través de RB. Así, el ciclo de trabajo se puede ajustar con precisión por la relación entre estas dos resistencias.

En este modo de funcionamiento, el condensador se carga y descarga entre 1/3 VCC y 2/3 VCC. Como en el modo de disparo (monoestable), los tiempos de carga y descarga, y por lo tanto la frecuencia son independientes de la tensión de alimentación. El condensador C al que me referiré, se trata del condensador C1, salvo que se indique lo contrario.

El tiempo de carga (salida alta) viene dado por: t1 = 0.7 (R1 + R2) C Y el tiempo de descarga (salida baja) por: t2 = 0.7 (R2) C Así, el período total es: T = t1 + t2 = 0.7 (R1 +2R2) C La frecuencia de oscilación es: f = 1/T=1.44 / (R1 +2R2) * C

Algo complejo, describir los sucesos que ocurren, trataré de explicarlo por partes;

Inicialmente el condensador C está sin carga, por lo que la tensión en el condensador es cero. El voltaje del condensador C, es igual a la tensión en los pines, umbral (pin 6) y de disparo (pin 2), ya que los dos están unidos. Como los pines 2 y 6 están a 0V, la salida estará a alto.

Anteriormente hemos dicho que, cuando el pin de disparo está bajo, hace que el pin de descarga no pueda drenar la carga del condensador. Puesto que el condensador C está en serie con Vcc, R1 y R2, está siendo aplicada la Vcc y la corriente fluirá a través de las resistencias, hasta el condensador, empezando a acumular carga. Esto hace que el voltaje a través del condensador C, aumente de acuerdo con la siguiente ecuación:

(Tensión en el condensador) = (Vcc - V0) * (1 - e-t /((R1 + R2) * C))

Donde "tensión en el condensador" es el voltaje actual a través del condensador en el tiempo t, V0 es el voltaje inicial en el condensador, Vcc es la tensión total aplicada a las resistencias R1-R2, y la capacidad del condensador C.

De modo que, cuando el voltaje a través del condensador C es igual a 2/3Vcc hace que el pin umbral registre un alto (descrito más arriba), que invierte al comparador (dentro del 555) conectado a la patilla de umbral. Esto lleva la salida a bajo y habilita el pin descarga. El tiempo que tarda el condensador en acumular una tensión de 2/3Vcc, viene dada por:

2/3*Vcc = (Vcc - V0) * (1- e-t /((R1+R2)*C)), reduciendo. Para V0 = 0 V, esto viene a ser: t = 1.1*(R1+R2)*C en segundos.

Estando el pin de descarga activado (pin 7), la carga comienza a fluir, descargando el condensador, a través de R2, y el pin de descarga (pin 7) del 555. Esto, reduce la tensión en el condensador como se describe por la ecuación siguiente:

(Tensión en el condensador) = (voltaje pico en el condensador) * (e-t /(R2 * C))

Donde, la tensión pico en el condensador era el voltaje (2/3Vcc), justo antes de activar el pin 7 de descarga:

(Tensión en el condensador) = 2/3 * Vcc * (e-t /(R2 * C))

El tiempo que se tarda en descargar el condensador desde 2/3Vcc a 1/3Vcc, se obtiene con:

t = 0.7*R2*C segundos

Por lo tanto la duración total de ambos estados, alto y bajo de la salida es:

0.7*(R1+R2)*C + 0.7*R2*C y 0.7*(R1+2*R2)*C en segundos.

Entonces, la frecuencia se calcula como sigue: Frecuencia = 1/(0.7*(R1+2*R2)*C)

De esto, se deduce que, la frecuencia de la salida, se controla modificando los valores de las resistencias R1, R2 y el condensador C. Además, podemos controlar la anchura del pulso de salida (duración en alto, respecto de la duración en bajo), puesto que, la duración del estado alto depende tanto de R1 y R2, mientras que la duración del estado bajo sólo depende de R2.

En realidad, el modo astable, se considera un sencillo generador de frecuencias, cuya frecuencia se puede controlar, modificando el valor del potenciómetro o cambiando el valor del condensador, para cambiar el rango de las frecuencias. Con los valores de los componentes de la imagen de abajo, se puede ver los distintos cambios de frecuencia producidos al variar el porcentaje de VR1. La frecuencia se puede calcular con la formula: f = 1/T=1.44 / (R1 +2R2) * C

Para los mencionados valores y considerando VR1 como R2, obtendremos los siguientes valores:

Frecuencia de salida = 0.1311819493 Hertzios Periodo = 7.6229999999 seg. Salida Alto = 4.1579999999 seg. Salida Bajo = 3.465 seg. Duty Cycle = 54.5454 Porcentaje.

Circuito interno

El circuito interno del integrado 555 tiene 20 transistores, 15 resistencias y 2 diodos

dependiendo esto del fabricante.

Las tres resistencias resaltadas en la figura, son de 5k Ohmios. El propósito de estas

resistencias es la creación de un divisor de tensión entre Vcc y tierra. Puesto que las tres

resistencias tienen el mismo valor, sabemos que el voltaje en la unión entre las

resistencias son 2/3Vcc y 1/3Vcc. Estos voltajes se utilizan como tensiones de referencia

de los comparadores.

Como sabemos, un comparador es un circuito que compara una entrada, con una tensión de referencia y envía una señal baja o alta en base a, si la entrada es una tensión mayor o menor que la referencia. El temporizador 555 utiliza varios transistores para construir sus comparadores, por lo que en el diagrama funcional simplificado de la figura de bloques, están representadas por cajas etiquetadas "comparador". El comparador conectado al pin 2 compara la "activación" de entrada a un voltaje de referencia de 1/3Vcc y el comparador conectado al pin 6 compara el "umbral" de entrada a un voltaje de referencia de 2/3Vcc del divisor de tensión.

Si, un flip-flop, es un circuito que permite cambiar entre dos estados estables en función del estado de las entradas. El flip-flop del 555, da una salida a alto o a bajo, en base a los estados de los dos comparadores. Cuando el comparador disparador, está enviando una

señal baja (independientemente del estado del comparador de umbral), el flip-flop conmuta a alto, cuando ambos comparadores están generando una señal alta, el flip-flop cambia a bajo. El momento de la salida de pulso de alta desde el flip-flop también se puede restablecer manualmente (el comienzo de un pulso puede ser activado) mediante un pulso bajo la pin de reseteo.

En el diagrama funcional mencionado, también incluye dos transistores. El transistor conectado al pin 7 es un transistor NPN. Puesto que el pin 7 está conectado al pin colector del transistor NPN, este tipo de configuración se denomina colector abierto o drenaje abierto. Esta patilla está normalmente conectada a un condensador y se utiliza para descargar el condensador cada vez que el pin de salida pasa a nivel bajo. El transistor conectado al pin 4 es un transistor PNP. El propósito de este transistor es amortiguar el pin de reset, de modo que el 555 no tiene fuente de corriente de este pin y provocar que se extinga la tensión.

La etapa de salida del temporizador 555, indicado en las notas del diagrama anterior. Su propósito es actuar como un amortiguador (o búfer) entre el temporizador 555 y las cargas que, pueden estar conectadas a su pin de salida. La etapa de salida proporciona corriente al pin salida, de modo que el otro componente funcional del temporizador 555 no tiene que hacerlo.

Cuando la función de reset no está en uso (pin 4), se recomienda que sea conectado a VCC para evitar cualquier posibilidad de falsa activación.

Las configuraciones que se pueden lograr con o mediante el 555, son tan extensas que se podría ocupar un largo artículo hablando de ellas y sus posibilidades. Es por este motivo que, en este artículo, voy a describir lo puntos en los que además todas las publicaciones coinciden, resaltando ciertos puntos que considero relevantes para el conocimiento del 555.

Diagrama de bloques