LECTRÓNICA BÁSICA: EL TIMER NE555 y sus Encantos El temporizador 555 fue introducido al mercado en el año 1971 (hace más de 30 años!!!!.) por la empresa Signetics Corporation con el nombre: SE555/NE555 y fue llamado "The IC Time Machine" (el Circuito integrado máquina del tiempo"), que en esos momentos era el único integrado de su tipo disponible. Hoy día sigue tan vigente como entonces y tiene múltiples aplicaciones en los mas variados entornos y cometidos.
Prácticamente cada fabricante de circuitos integrados tiene su propia versión del “555”, Según el
fabricante recibe una designación distinta, tal como TLC555, LMC555, uA555, NE555C, MC1455, NE555, LM555, etc. aunque generalmente se lo conoce como "el 555"o “NE555”.
Descripción del NE555
La constitución interna del NE555 puede verse en la l a figura inferior. Está constituido por una combinación de comparadores lineales, Flip-Flops (básculas digitales), un transistor de descarga y el excitador de salida. Las tensiones de referencia de los comparadores se establecen en 2/3 V para el primer comparador C1 y en 1/3 V para el segundo comparador C2, por medio m edio del divisor de tensión compuesto por 3 resistencias iguales R.
Vea el interior de un NE555 en pleno funcionamiento en esta simulación animada.. animada
La función de cada uno de los pines es: o
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1.- Tierra o masa. 2.- Disparo (trigger): Es en esta patilla, donde se establece el inicio del tiempo de retardo, si el 555 es configurado como monoestable. Este proceso de disparo ocurre cuando este pin va por debajo del nivel 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. 3.- Salida (output): Aquí veremos el resultado de la operación del temporizador, ya sea que este conectado como monoestable, astable u otro. Cuando la salida es alta, el voltaje será el voltaje de aplicación (Vcc) menos 1.7 Voltios. Esta salida se puede obligar a estar en casi 0 voltios con la ayuda de la patilla # 4 (reset). 4.- Reset (reset): Si se pone a un nivel por debajo de 0.7 Voltios, pone la patilla de salida # 3 a nivel bajo. Si por algún motivo esta patilla no se utiliza hay que conectarla a Vcc para evitar que el 555 se "resetee". 5.- Control de voltaje (control voltage): Cuando el temporizador se utiliza en el modo de controlador de voltaje, el voltaje en esta patilla puede variar casi desde Vcc (en la practica como Vcc -1 voltio) hasta casi 0 V (aprox. 2 Voltios). Así es posible modificar los tiempos en que la patilla # 3 esta en alto o en bajo independiente del diseño (establecido por las resistencias y condensadores conectados externamente al 555). El voltaje aplicado a la patilla # 5 puede variar entre un 45 y un 90 % de Vcc en la configuración monoestable. Cuando se utiliza la configuración astable, el voltaje puede variar desde 1.7 voltios hasta Vcc. Modificando el voltaje en esta patilla en la configuración astable causará la frecuencia original del astable sea modulada en frecuencia (FM). Si esta patilla no se utiliza, se recomienda ponerle un condensador de 0.01uF para evitar las interferencias. 6.- Umbral (threshold): Es una entrada a un comparador interno que tiene el 555 y se utiliza para poner la salida (Pin # 3) a nivel bajo bajo. 7.- Descarga (discharge): Utilizado para descargar con efectividad el condensador externo utilizado por el temporizador para su funcionamiento. 8.- V+ (Vcc): Es el pin donde se conecta el voltaje de alimentación que va de 4.5 voltios hasta 16 voltios (máximo). Hay versiones militares de este integrado que llegan hasta 18 Voltios.
El NE555, se nos presentan en distintos encapsulados, siendo el mas usual de ellos el DIP4. Existe también una versión de 14 pines, llamadaNE556 que contiene dos NE555 en su interior, compartiendo sus dos pines de alimentación. Dado que hay muchas aplicaciones en las que son necesarios más de un temporizador, es importante tener presente esta versión doble del NE555. Los pines en estos encapsulados es:
Métodos de Uso del NE555.
Configuración como oscilador Astable 1 (1)
Multivibrador que no tiene ningún estado estable, lo que significa que posee dos estados "quasi-estables" entre los que conmuta, permaneciendo en cada uno de ellos un tiempo determinado. La frecuencia de conmutación depende, en general, de la carga y descarga de condensadores. Ver definición en Wikipedia Astable modelo 1:
Esta configuración es la que produce en su salida una secuencia de pulsos, un tren de pulsos, cuya frecuencia depende de los valores de las resistencias R1 y R2 y del condensador C que aparecen en el bloque timing components en el siguiente esquema de funcionamiento:
La frecuencia, número de pulsos completos por segundo, es perfectamente calculable mediante la siguiente fórmula:
Es interesante recordar que el periodo T de un pulso, o tiempo que transcurre desde el inicio de un pulso hasta el inicio del siguiente, de frecuencia f es el inverso de la frecuencia o T = 1 / f
Asimismo puede calcularse el tiempo que cada pulso permanece en alto o en bajo, siendo accesibles cada uno de ellos mediante las siguientes formulas:
La relación entre estos dos tiempos es lo que se conoce como Duty Cycle. Se expresa en tanto por ciento el tiempo que permanece en alto con respecto al que lo hace en bajo. Un Duty Cycle del 50% significa que ambos tiempos son iguales y estamos ante un tren de pulsos simétricos.
Duty Cycle = HIGH time / (HIGH time + LOW time)
Recuerda que en estas fórmulas estamos utilizando las unidades fundamentales, o sea Frecuencia en Hertzios, Resistencia en Ohmios,Capacidad en Faradio s y Tiempo en Segundos. Si en cambio utilizamos múltiplos o submúltiplos de alguna de ellas debemos tener en cuenta dicha relación según se muestra en la siguiente tabla: Resistencia
Capacidad
Tiempo
Frecuencia
F
s
Hz
µF
s
Hz
µF
ms
KHz
Con la resistencia expresada en M y la capacidad en µF entonces la frecuencia nos saldrá expresada en Hz. Si en cambio usamos los valores de resistencia en K y la capacidad en µF entonces la frecuencia nos vendrá como Khz.
Una baja frecuencia de oscilación puede ser utilizada para hacer destellar un LED, y una frecuencia un poco mas alta (mayor a 20 Hz. aunque menor a los 20KHz.) se puede emplear para hacer sonar un parlante o buzzer conectado al pin 3 y de esta manera construir una alarma audible fácilmente.
Astable modelo 2:
Una variación muy interesante y efectiva del esquema inicial que propusimos consiste en colocar un diodo en paralelo con R2. Esto hace que el condensador C solo se carga a través de R1 y solo se descarga a través de R2.
Esta modificación hace que nuestra fórmula para el cálculo de la frecuencia de oscilación quede de la siguiente forma:
y los respectivos tiempos en HIGH y LOW del pulso quedan de la siguiente forma:
Con este circuito el Duty Cycle puede conseguirse con cualquier valor que deseemos. Si R1 = R2 entonces tendremos un Duty Cycle del 50%. Si R1 > R2 entonces el Duty Cycle será mayor que el 50%, y si R1 < R2 entonces tendremos un Duty Cycle menor que el 50%.
Astable modelo 3:
Hay aún una simplificación posible en este esquema básico si deseamos poder ajustar la frecuencia de oscilación pero no el Duty Cycle, siendo éste siempre igual al 50%, un tren de pulsos simétricos. Para ello eliminamos la resistencia entre Vcc y el pin 7 de descarga (discharge) quedándonos solo con una resistencia que uniremos al pin 3 de salida (output) en lugar de a Vcc.
En este caso particular la frecuencia de oscilación viene dada por la fórmula:
Y el tiempo en HIGH o en LOW, aproximadamente iguales el uno al otro, podemos calcularlo con:
Digo aproximadamente iguales y no exactamente iguales debido a que los tiempos de carga y descarga no serán iguales ya que la salida (output) no es exactamente igual a Vcc y eso hace que nuestro pulso permanezca ligeramente mas tiempo en HIGH que en LOW. Nota: Si necesita un oscilador astable cuya frecuencia puede ser ajustada a un frecuencia exacta este NO es un circuito a utilizar.
Astable modelo 4:
Otra curiosa configuración posible para el oscilador Astable consiste en conseguir una vibración amortiguada, recordando el movimiento vibratorio armónico simple, en el que la oscilación comienza con una frecuencia determinada pero que va menguando conforme pasa el tiempo hasta detenerse dicha vibración.
Añadiendo una resistencia, un condensador y un pulsador a nuestro esquema básico podemos obtener este resultado:
Cuando accionamos el pulsador " go" el condensador de 47 µF en paralelo con la red R1-R2-C se carga muy rápidamente a través de la resistencia de 100 . Cuando soltamos el pulsador el oscilador astable continua oscilando pero la carga almacenada en el condensador de 47 µF se va descargando muy lentamente con el resultado de que cada vez tarda mas en cargar el condensador C de la res R1-R2-C. Para disparar el siguiente pulso el voltaje de C debe incrementarse hasta los dos tercios de Vcc. Después de un tiempo el voltaje a través del condensador de 47 µF baja de este valor y los pulsos se detienen.
Con los valores empleados en este ejemplo la frecuencia inicial es de unos 100 Hz y los pulsos se van espaciando hasta detenerse tras unos 40 segundos.
La frecuencia inicial puede ser calculada mediante las fórmulas anteriormente descritas. Para el tiempo de elongación de la señal de salida prueba con distintos valores de condensadores hasta obtener los resultados que deseas.
Astable con botón de "oscila" usando el Reset:
Hasta ahora hemos ido conectando la patilla #4 del Reset a Vcc directamente para un funcionamiento " normal " de nuestro oscilador. Si la patilla #4 del Reset baja por debajo de 0.7V aproximadamente entonces la patilla #3 Output también pasa a nivel bajo.
Para testear la función de este pin #4 os propongo este circuito en el que conectamos el pin Reset a GND mediante un resistencia pull-downy a Vcc mediante un pulsador.
Sin pulsar el pulsador nuestro NE555 permanece " reseteado", pero al pulsar el botón el pin reset es conectado a Vcc y nuestro NE555 comienza a oscilar. Cuando soltemos el botón cesará también la oscilación y el pin Output pasará a Low.
Ejemplos prácticos del NE555 en modo Oscilador Astable:
Control de un Motor de corriente continua mediante PWM
Como hemos visto anteriormente podemos generar con el NE555 un pulso de forma que la relación entre el tiempo que permanece en alto y el que lo está en bajo o Duty Cycle es configurable. Esto se conoce como PWM o Pulse Width Modulation o modulación del ancho del pulso.
Configurando el NE555 como oscilador Astable podemos generar un tren de pulsos que actuando sobre el potenciómetro R1 podemos variar la relación HIGH-LOW del pulso.
El pin 4 del Reset lo conectamos directamente a Vcc para que no interfiera en nuestro circuito.
D1 y D2 hacen que nuestro condensador C1 se cargue solo mediante la
parte derecha del cursor del potenciómetro R1, y se descargue solo a través de la parte izquierda de dicho potenciómetro. Por ello la relación entre altos y bajos será siempre complementaria. Con el potenciómetro en su punto central ambos semi-periodos serán iguales y tendremos un Duty Cycle del 50%.
Como sea cual sea la relación entre ambas partes del potenciómetro la suma de ellas será siempre la misma e igual al valor R1 podemos calcular la frecuencia de oscilación como f = 1.44 / (R1 * C1) y serán solo los semiperiodos los variables, permaneciendo la frecuencia estable.
Recuerde que el pin 3 Salida (output) y 7 Descarga (discharge) están altos o bajos al mismo tiempo siguiendo el estado de oscilación. Así el pin 3 Salida (output) que tiene una configuración interna totem-pole y puede actuar como fuente o como sumidero de corriente es la que usamos para cargar y descargar el condensador C1. Y utilizamos en cambio el pin 7 Descarga (discharge), que es del tipo Open-Collector, conectada a Vcc mediante la resistencia pull-up R2 para actuar de Driver del transistor de potencia MOSFET Q1.
Configuración como oscilador Monoestable 1
(1)
El monoestable es un circuito multivibrador que realiza una función secuencial consistente en que al recibir una excitación exterior, cambia de estado y se mantiene en él durante un periodo que viene determinado por una constante de tiempo. Transcurrido dicho periodo de tiempo, la salida del monoestable vuelve a su estado original. Por tanto, tiene un estado estable (de aquí su nombre) y un estado casi estable. Ver definición en Wikipedia Monoestable modelo 1:
Un circuito monoestable produce un único pulso bajo-alto-bajo cuando es disparado. Cómo se produce el disparo y cuánto dura el pulso en alto es lo que pretendemos contestar con esta configuración de nuestro NE555:
Como puede verse la entrada #2 trigger, o disparo en español, es mantenida a HIGH, alto, mediante una resistencia pull-up, y es conectada a GND cuando pulsamos el botón de disparo. El circuito es disparado por un Flanco de Bajada, o lo que es lo mismo: una transición de HIGH a LOW. El pulso de disparo debe ser mas corto que el periodo del pulso de salida del NE555 que genera.
El periodo T del pulso de salida puede ser calculado con la siguiente fórmula:
Es importante recordar las unidades de medida que usamos en nuestras fórmulas
Resistencia
Capacidad
Tiempo
F
s
µF
s
µF
ms
Si R1 = 1 MOhmio y C = 1µF entonces la salida permanecerá en HIGH durante 1.1 segundos.
Monoestable modelo 2:
Hay veces en que el pulso de disparo en mayor que el pulso de salida generado en el NE555. Debemos entonces intercalar entre el pulso original y el NE555 un pequeño circuito que nos adecue el uno al otro según nuestras necesidades de un pulso de disparo corto. La imagen inferior nos muestra la relación entre el pulso de disparo original, el "aliñado" por nosotros y el de salida del NE555:
El circuito con el que logramos este efecto adaptador del pulso de disparo es el siguiente:
La red detectora del disparo original detecta el flanco de caída al final de cada pulso en V in y produce un corto pico que dispara al circuito monoestable con una
longitud adecuada del disparo. El periodo del pulso monoestable es mas o mucho mas corto que el periodo de los pulsos de V in.
Monoestable modelo 3:
Y por último, hay veces en que deseamos que que nuestro monoestable se dispare con un Flanco de Subida , en lugar del de bajada como hasta ahora. Esto podemos conseguirlo muy fácilmente con solo insertar a la entrada de nuestra red detectora del disparo un Transistor INVERSOR mantenga el circuito de disparo a HIGH mientras falte el pulso de disparo V in y que conecte a GND dicha red al producirse el pulso V in.
Ejemplos prácticos del NE555 en modo Oscilador Monoestable:
Secuenciador de pulsos por diferentes líneas
Hay ciertos circuitos digitales requieren una serie de pulsos en cadena, cada uno de ellos se inicia cuando ha terminado el anterior, con igual o distinta longitud cada uno de ellos, pero por líneas distintas en paralelo.
La imagen inferior muestra un cronograma de ejemplo de lo que se necesita:
El flanco de bajada en ÏNPUT produce el disparo del pulso en A que cuando acaba genera a su vez el pulso en B y éste igualmente lo hace a su final en C ... y así sucesivamente.
Esto se consigue montando una cadena de NE555 de forma tal que cada OUTPUT sea además el TRIGGER del siguiente. Si todas las redesTIMING COMPONENTS tienen iguales valores RC generarán pulsos de igual longitud espaciados homogéneamente. Diferentes valores de la redRC generarán pulsos de longitud proporcional a dichos valores.
Si deseamos que dos o mas pulsos se disparen al mismo tiempo solo hay que conectar en paralelo los correspondientes TRIGGER , mientras que aquellos que deban ir sindicados al final de otro de ellos los conectaremos como en el caso anterior.
En el siguiente esquema ....
En este caso los pulsos monoestables generados en A y en B se inician al mismo tiempo al tener sus respectivos TRIGGERS conectados en paralelo a INPUT, mientras que el pulso en C se generará al finalizar el pulso de B. Si además los valores RC de A y B son distintos pero A y Biguales podremos obtener cronogramas del estilo de:
Si el pulso inicial en INPUT es generado por un NE555 en configuración de Oscilador Astable esta secuencia de pulsos se repetirá cíclicamente una y otra vez. Como veis las posibilidades son infinitas.
