El CI 555

Hoy vamos a hablar del circuito integrado 555, un chip muy famoso en el mundo de la electrónica por la sencillez con que podemos construir circuitos aestables o monoestables, esto hace al 555 idóneo a la hora de diseñar temporizadores y osciladores.

Análisis

Captura
 

El chips consta de 8 pines. En su interior podemos ver un divisor de tensión formado por tres resistencias iguales, del que se sacan 2 voltajes, 1/3 y 2/3 de Vcc, que van conectados a la entrada no inversora e inversora de dos comparadores respectivamente, estos comparadores a su vez van conectados a las entradas Set y Reset de una báscula, de la que se usa la inversa de su salida para alimentar un transistor, encargado de poner a a tierra el pin descarga cuando esta activo. La salida de la báscula también se encuentra conectada a un buffer que invierte su valor y le da mas capacidad de potencia a la salida del componente.

Funcionalidad de los Pines

  • El pin 1 GND es el neutro y se corresponde con la conexión a tierra que vemos en la parte inferior de la imagen.
  • El pin 8 se corresponde con Vcc dotará de energía eléctrica al dispositivo. Dicha alimentación tiene que estar entre los valores de 4.5 y 18 voltios para su correcto funcionamiento.

  • El pin 2 es el trigger que va conectado a la entrada inversora del segundo comparador.
  • El pin 3 se corresponde con la salida del dispositivo y nos dará un voltaje igual al de alimentación.
  • El pin 4 se corresponde con el reset y como podemos observar esta invertido con lo que para que el dispositivo funcione debemos conectarlo a voltaje, de no ser así el pin 3 siempre dará cero.
  • El pin 5 se corresponde con el de control de voltaje, nos permite controlar el voltaje de referencia.
  • El pin 6 se corresponde con el threshold (umbral) y va directamente a la entrada no inversora del primer comparador.
  • El pin 7 es el de descarga y cuando la salida esta a cero el transistor al que esta conectado se activa y lo pone directamente al neutro.

Funcionamiento Báscula R-S

Este componente es una memoria de un bit, controlada por dos entradas, S (set) y R (Reset), con tres estados permitidos y uno no permitido. A continuación tenemos su equivalente en puertas lógicas y su tabla de la verdad:

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De manera que cuando la entrada R este en alto obtendremos un cero en la salida y cuando lo este la entrada S obtendremos un 1, si ambas se encuentran activas a la vez estaremos en el estado no permitido y si ambas se encuentran a cero la salida no cambiará.

Configuración en Monoestable

Monoestable, como su nombre indica consta de un único estado estable que será el reset, es decir, la salida a cero y cuando se introduzca un 1 en el set, la salida se activará por un tiempo especifico tras el que volverá a reset.

La siguiente imagen se corresponde con la configuración en monoestable:

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El funcionamiento es sencillo, la salida del circuito en su estado inicial es cero, si la salida es cero, antes del buffer tenemos un 1, de modo que el transistor esta activo, con lo cual los pines umbral y descarga están puestos a tierra y el condensador se encuentra descargando se, si consta de carga o simplemente sin recibir carga. Cuando por el trigger demos un pulso negativo, la entrada set de la báscula se pondrá a 1 al igual que su salida y la entrada del buffer a cero, con lo que se deshabilitará el transistor y el condensador comenzará a cargarse, cuando este haya llegado al 2/3 de Vcc, el comparador al que tenemos conectado el pin umbral pasará a dar 1, con lo que la salida se pondrá a cero y se volverá al estado inicial. El pin de voltaje de control no se utilizará, por lo que pondremos un condensador conectado a tierra para que no de perturbaciones al pin umbral.

La fórmula para saber el tiempo que mantendrá la salida activa en función de R1 y C1 es la siguiente:

Captura

Un ejemplo de la utilidad de esta configuración sería hacer un temporizador para un insoladora casera. Queremos que al pulsar un botón la insoladora se encienda durante 3:30 minutos. Para empezar debemos pasar el tiempo a segundos que serían 210, a continuación debemos darle un valor a uno de los componentes, normalmente se lo daremos al condensador ya que las resistencias tienen mas valores comerciales.

Captura1

El valor que nos ha salido no es muy común pero haciendo asociaciones en serie podemos alcanzarlo.

Ahora pasaremos al diseño del circuito, tenemos que tener en cuenta que a la configuración le tendremos que añadir correctamente el pulsador. A demás como la insoladora tiene un amperaje de 250mA, superior al que pueda proporcionar el 555, le tendré que poner transistor que estará controlado por la salida del 555.

El esquema del circuito es el siguiente:

Captura
Como se puede observar no le he dado ningún valor a la resistencia de base del transistor, ya que dependerá del modelo del transistor que elijamos.

También se puede ver que he añadido al esquema dos led a modo de testigos para saber visualmente el estado de la salida del 555 y si hay alimentación en el circuito, esto nos puede facilitar la detección de errores y la compresión del sistema.

Configuración en Aestable

Como se sobreentiende de su nombre no tiene ningún estado estable, sus estados variarán cíclicamente sin necesidad de una señal externa, se comportará como un oscilador. Ya que se funcionamiento se basa en la carga y descarga de un condensador se le denomina oscilador de relajación. A continuación veremos una imagen de su configuración:

Captura
El pin trigger y el treshold están conectados en el mismo punto y el pin de descarga está intercalo entre dos resistencias una conectadaa a los puntos mencionados anteriormente y la otra a Vcc.

En el caso inicial suponemos que el condensador esta descargado y la salida a cero, al estar la salida a cero como vimos anteriormente el transistor esta activado y el pin 7 se comportan como neutro, De manera que el trigger y el treshold se encuentran a cero, de modo que la bascula se pondrá a 1. Podemos tomar como conclusión que si el estado del condensador es descargado el oscilador siempre comenzará con la salida activa.
Una vez activada la salida, el transistor se deshabilitará y el condensador empezará a cargarse. Cuando el voltaje llegue a 1/3 de Vcc la entrada s de la báscula será 0 y cuando el voltaje del condensador sea 2/3 de vcc la entrada r de la báscula dará un 1, de manera que la salida se deshabilitará. Cuando esto suceda el transistor volverá activarse y comenzará la descarga del condensador, y el proceso se dará a la inversa cuando el voltaje este por de bajo de 2/3 de Vcc se deshabilitará la entrada r y cuando este por debajo de 1/3 de Vcc se habilitará la entrada s y se activará la salida del dispositivo y así cíclicamente.

Como veremos a continuación en las fórmulas del ciclo de carga del condensador intervienen las resistencias Ra y Rb y en el ciclo de descarga interviene únicamente la resistencia Rb. Dichas formulas son las siguientes:

Tiempo de Carga del condensador o Salida activada:

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Tiempo de Descarga del condensador o Salida a cero:

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Si sumamos ambos tiempos tendremos como resultado el periodo de la oscialción:
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Este dispositivo como oscilador tiene un inconveniente, que podemos ver a simple vista en las fórmulas, no podremos tener ciclos de trabajo menores al 50%. De hecho nunca llegaría a ser del 50%.

Como ejemplo de un uso para esta configuración, en muchas ocasiones cuando utilizamos dispositivos digitales síncronos, es decir que necesitan de una seña de referencia (reloj), a veces necesitamos de una señal de reloj lenta con un ciclo de 1 o 2 segundos, para poder ver manualmente si nuestro dispositivo funciona correctamente.

Utilizando esta configuración vamos construirnos nuestro propio reloj, que constará de un periodo de 1 segundo y a demás, en la salida incorporaremos un diodo led a modo de testigo para, poder ver visualmente la señal de nuestro reloj.

Lo primero que haremos pues es calcular las resistencias que requeriremos, para ello en primer lugar elegiremos un condensador, yo por ejemplo elegiré uno de 22uF:

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Como podemos ver hemos despreciado en el cáculo Ra ya que será mucho menor que Rb, para que el ciclo de trabajo sea lo mas cercano al 50%. Finalmente el circuito quedaría tal que así:

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El valor de la resistencia Ra tiene que ser el menor posible como dijimos antes para que el ciclo de trabajo sea lo mas cercano a 50% pero tenemos que tener en cuenta, que si la ponemos muy pequeña, cuando el condensador entre en su fase de descarga, está puesta a tierra y podría calentarse o fundirse, por lo cual tenemos que elegir un valor lo suficientemente alto para que esto no ocurra.

Finalmente para termina el tutorial vamos a ver una variante muy interesante de esta configuración que nos permitirá hacer un Generador de PWM. En primer lugar y para los que no lo sepan una señal PWM en español y sin abreviar “Ancho de pulso modulado” es una señal en la que controlamos el ancho o ciclo de trabajo de la onda para controlar la cantidad de energía que enviamos o enviar una señal de comunicación:

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Un ejemplo de uso típico de PWM es el control de la luminosidad de un led. Los led como se sabe son muy eficientes en cuanto a consumo, pero si tratamos de controlar su intensidad lumínica a través de una resistencia, para disminuir la intensidad que lo recorre, perdemos en gran medida esta eficiencia, por ello se recurre a controlarlos mendiante las PWM. En el siguiente ejemplo veremos un circuito con el que podremos controlar la intensidad lumínica de un lampara de leds con ayuda del 555:

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En este caso para hacer el efecto de PWM introducimos un potenciometro con dos diodos en diferentes sentidos esto hará que Rb, ahora sea el potenciometro y gracias a esos dos diodos, la resistencia de carga y descarga no sean la misma, y cuando giremos el potenciometro tendremos que con el incremento de una, la otra se hará mas pequeñas, o lo que es lo mismo cuando el aumente la resistencia de carga aumentará el tiempo en el que la salida se mantiene en alto y disminuirá el tiempo en el que permanece en bajo, todo este sin varias la frecuencia de la oscilación.

Con esto finalizamos el tutorial sobre el 555 y os animamos a que compréis uno y os divirtáis haciendo las configuraciones propuestas.

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