Aplicaciones Del 555

10 El Tempo Tempori riza zado dorr 555 555 En esta práctica se pretende ilustrar las innumerables aplicaciones y configuraciones del circuito integrado temporizador 555. Este es un circuito de amplio uso en la práctica, por lo que un buen desarrollo y comprensión de la misma pueden serle de gran utilidad durante el diseño de sistemas electrónicos reales. Se montarán y medirán distintas configuraciones del 555 que convertirán al sistema en un astable o en un monoestable. Asimismo se explorarán configuraciones de osciladores controlados por tensión.

1. Introducción Teórica Teórica

Fig. 1 Esquemático

El objetivo de esta práctica es el estudio de las diversas posibilidades de uso que nos proporciona el IC555. En primer lugar debe debem mos acl aclara ararr que el IC555 es un circui circuito to relativamente complejo. Contiene un total de 27 transistores bipolares y 10 resistencias, que sirven para constituir un par de comparadores, un biestable RS y un circuito de desca descarga rga (ver Fi Fig. 1). L o más más usual es que que Fig. 2 Microf otog rafía del 555 555 todos estos com componente ponentes s vengan contenidos contenidos en un un úni único co circui circuito to inte integra grado do “chi “chip” (ver Fig. Fi g. 2), de ahí la l as si siglas glas I C ntegrated grated Cir Ci rcuit) en el título de la práctica. También es lo más común en la (I nte práctica, práctica, que este circui circuito to inte i ntegrad grado o venga suministrado nistrado en en una cápsula de plástico de 8 terminales —cuatro a cada lado. Para comprender comprender el funcionamiento básico del circuito es imprescindible que comprendamos primero la operación que realiza el biestable o “flip-flop” RS.

1.1. 1. 1. Fl Flip ip-f -flo lops ps RS

S

Q

R

Q

Fig. 3 Símbolo del flip-flop RS

L a Fig. Fig. 3 muestra uestra el símbol símbolo o del del biesta biestable ble RS RS. Básicam ásicamente, ente, éste es un circuito dinámico —su salida depende no solo de las entradas actuales sino de la historia anterior— no-lineal de segundo orden. Este circuito tiene 6 terminales. Dos terminales de alimentación, para polarización positiva y negativa, dos terminales de entrada R y S, y dos terminales de salida, Q y Q. No entraremos aquí aquí a estudiar estudiar el funciona uncionam miento ento interno interno y las las rutas rutas diná dinám micas de de este este bl bloque —cosa que Ud. es capaz de hacer gracias a los conocimientos adquiridos en la asignatura de Electrónica Básica—, sino que describiremos el funcionamiento del del mismo a muy alto nivel ni vel.. A grandes grandes rasgos el comportam comportamiento ento del del circui circuito to es

Técnicas Té cnicas Experimenta Experimentales les en Electrónica

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Dpto. de Electrónica y Electromagnetismo

2

El Temporizador IC555

el siguiente: • Si se aplica una entrada alta†i (cercana a la tensión de alimentación positiva del circuito) en el terminal de SET “S” mientras que se aplica una entrada baja†ii (cercana a la tensión de alimentación negativa del circuito) en el terminal de RESET “R”, produciremos lo que se conoce como una condición de “set” en el circuito, obteniéndose una salida alta en el terminal Q mientras que obtendremos un valor bajo†iii en Q. • Por otro lado, una entrada alta en el terminal de RESET y una entrada baja en el terminal de SET, produceun “reset” en el flip-flop demanera que las salidas resultan Q =0 y Q =1. • Ninguna de las otras dos combinaciones de entrada posibles produce cambio alguno de la salida. 1.2. Funcionamiento básico de la temporización

Observe el circuito de la Fig. 4., Suponga un estado inicial en el que Q está a“0”. En ese caso el transistor T estará en corte y el condensador C se cargará a través de R2 . Observe que la configuración del circuito hace que la tensión control sea, 2VCC Vcontrol = ------------3

(5.1)

mientras que la tensión threshold irá creciendo con el tiempo. En teoría tal crecimiento podría llevar esta tensión hasta VCC ; sin embargo, cuando la tensión de threshold cruza el valor de control, la salida del comparador se hace igual a “1”, el transistor entra en su zona de alta conducción y descarga, casi de manera inmediata, el condensador.

VCC R1 VCC

control

2R1 R2

−

threshold

S

Q

R

Q

+

output

C T

threshold

TD

output

R

TR Fig. 4 Operación del temporizador

Hagamos algunos números. Suponga, tal como muestra la Fig. 4, que se aplica un pulso de duración TR en la entrada de RESET del biestable. Esto provoca un

i. Lo que se conoce como una entradaa 1. ii. Lo quese conoce como unaentradaa 0. iii. El segundo terminal de salidaproporcionasiempreel valor complementario al del primero; alto =>bajo, bajo => alto. Técnicas Experimentales en Electrónica

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1. Introducción Teórica

reset del mismo que fuerza Q = “0”. El transistor se apaga y el condensador empieza a cargarse de acuerdo con la expresión, Vthreshold = VCC ( 1 – e– t/ τ )

τ = R2C

(5.2)

de manera que evolucionaría desde Vthreshold = 0 hacia Vthreshold = VCC . Sin embargo, para Vthreshold > 2VCC ⁄ 3, el comparador cambia su salida, SET cambia a “1” y se fuerza Q = “1”, con lo que se descarga el condensador. El tiempo que haestado en bajo la señal Q es, claramente, el tiempo que hatardado Vthreshold en alcanzar el valor 2VCC ⁄ 3 partiendo desde 0, esto es: TD = τ ⋅ ln( 3)

(5.3)

que, como podemos ver, resulta independiente de la duración del pulso en el terminal de R del biestable RS. Una vez comprendido esta operación podemos abordar el estudio del comportamiento de un temporizador 555 completo. 1.3. Diagrama de bloques del IC555

La Fig. 5 muestra el diagrama de bloques simplificado y el pinout†iv del IC555. Observe que el comparador Z1 tiene sus dos entradas accesibles mientras que el comparador Z2 sólo nos muestra (al exterior) su entrada negativa. En la mayoría de las aplicaciones prácticas, el nudo control se deja “flotante”, por lo que la tensión de control viene dada por 2 3

Vcontrol = --- ( VCC – VEE )

(5.4) En el símbolo del flip-flop RS podemos observar la aparición de un terminal nuevo llamado reset (no confundir con R). Este

VCC

R

+

threshold

discharge

− control

S

Z1

R

T

R

+ trigger

−

Q

Q output

reset

Z2

R = 5kΩ

R VEE

VEE

1

8

VCC

trigger

2

7

discharge

IC555 output

3

6

threshold

reset

4

5

control

Fig. 5 Esquemático y pinout del 555

iv. Disposición delas conexiones accesibles desdeel exterior en un circuito encapsulado.

Técnicas Experimentales en Electrónica

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terminal bloquea la operación del flip-flop cuando la tensión aplicada es baja. Esta opción, útil a veces, no va a ser usada en esta práctica. Por último los terminales VCC y VEE son las alimentaciones, positivas y negativas respectivamente, del circuito. Por lo general los 555 trabajan con cualquier diferencia VCC – VEE entre 4,5 y 16 V . 1.4. Operación como monoestable

El circuito de la Fig. 6 muestra la configuración monoestable más elemental para el IC555. El funcionamiento del circuito puede comprenderse fácilmente en virtud de lo explicado anteriormente. Cuando la entrada de trigger del circuito es ligeramente inferior a VCC ⁄ 3 el comparador Z2 en la Fig. 5 proporciona una salida alta “1”, lo que produce un reset en el flip-flop. El transistor de descarga T se apaga y el nudo threshold —cortocircuitado con discharge con este propósito— comienza a cargarse según la ley exponencial anteriormente citada Vthreshold = VCC ( 1 – e– t/ τ )

τ = RC

1

8

2

7

R

trigger output

IC555

3

6

4

5

threshold

C

10nF

(5.5)

2 --- V 3 CC

threshold

Cuando el proceso de carga hace que la V tensión threshold suba por encima de CC output TD 2VCC ⁄ 3 , el comparador Z1 proporcionará un valor alto “1” mientras trigger que Z2 dará un valor bajo “0”. Esto crea V CC una condición de SET en el flip-flop de TR manera que Q = “1”, con lo que el condensador será descargado muy Fig. 6 Configuración monoestable rápidamente debido a que el transistor T habrá entrado en la zona de alta conducción. El ancho del pulso de salida puede calcularse tal como hicimos en (5.3) y resulta ser TD ≈ τ ⋅ ln( 3) = 1,1τ

(5.6)

Observe que dejamos libre el terminal de control, de manera que el umbral de duración del pulso queda fijado a 2VCC ⁄ 3. El condensador de 10nF añadido sólo se incluye para filtrar ruido en la tensión de control. 1.5. Operación como astable

El circuito de la Fig. 7 muestra al 555 en la configuración de oscilador o astable. La operación es fácil de entender. Cuando la salida Q del flip-flop RS está en bajo, el transistor T está cortado y la tensión threshold crecerá de Técnicas Experimentales en Electrónica

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1. Introducción Teórica

acuerdo a la expresión†v: Vthreshold = VCC ( 1 – e–t ⁄ τ1)

(5.7)

τ 1 = ( Ra +Rb) C

2 con lo quela condición de Vthreshold = --- VCC se alcanza en un tiempo, 3 TR ≈ τ 1ln( 3) (5.8) Una vez alcanzado este valor, el comparador Z1 da una salida alta que produce una condición de SET en el flip-flop, de manera que el transistor T entra en la zona de alta conducción y empieza a descargar el condensador C. Observe que esa descarga se produce a través de Rb , por tanto la constante de tiempo durante esta segunda parte de la evolución temporal estará dada por τ 2 = RbC . En concreto la evolución de la tensión de threshold es†vi –t* ⁄ τ 2

2 3

Vthreshold = --- VCC e

1 2 output

Ra

8

IC555

7 threshold

3

6

4

5

Rb C

10nF 2VCC --------------3 V CC

threshold

-----------3

(5.9)

TF

output

TR de manera que el nudo threshold y el Fig. 7 Configuración astable trigger nudo —que están cortocircuitados— se van descargando. Cuando la tensión en el nudo trigger alcanza un valor ligeramente inferior a VCC ⁄ 3 , el comparador Z2 produce una salida en alto —una condición de RESET del flip-flop RS—, el transistor T entrará en corte y el nudo threshold empezará a cargarse de nuevo, volviéndose a las condiciones del principio. De esta forma el circuito proporcionará una salida oscilante, cuyo periodo será la suma del tiempo de carga TR (en estacionario —ver nota al pie v) y el tiempo de descarga TF . Este último viene dado por el tiempo que tarda la expresión en (5.9) en alcanzar un valor Vthreshold = VCC ⁄ 3, partiendo desde Vthreshold = 2VCC ⁄ 3 TF = τ 2ln( 2)

(5.10)

de manera que, substituyendo, se puede llegar a una expresión aproximada para la frecuencia de oscilación de salida, 1

1

1,44

f osc = ------------------- = ------------------------------------------- = ------------------------------ TR +TF τ 1ln( 2) +τ 2ln( 2) ( Ra +2Rb) C

(5.11)

v. Se haasumido que inicialmente threshold parte de0. Tal como muestra la Fig. 7, la operación en estacionario no partirá de 0, sino de VCC ⁄ 3 , por lo quese cumplirá TR ≈ τ 1ln( 2) . vi. t* hace referencia al tiempo medido desdeel principio de esta fase de la evolución temporal, t* = t – TR .


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6


Por último hemos de hacer hincapié en el hecho de que este oscilador no proporciona una salida que está el mismo tiempo en alto que en bajo — TR ≠ TF . Al cociente entre el tiempo en alto y el periodo se le conoce como duty cycle o ciclo de trabajo. Ajustando los valores de Ra y Rb podremos obtener duty cycles de algo más del 50% hasta valores cercanos al 100%. 1.6. Oscilador controlado por tensión

Un oscilador controlado por tensión, VCO , (Voltage Controlled Oscillator) es un dispositivo tal que proporciona una salida oscilante siendo su frecuencia una función de la tensión de entrada aplicada al mismo. Normalmente sedesean dependencias lineales con esta tensión de control, sin embargo, relaciones no lineales son también de gran interés práctico, puesto que pueden permitir un mayor rango de variabilidad de la frecuencia de oscilación.

output

La Fig. 8 muestra una configuración como VCO del 555. En ella se destaca como novedad con respecto a la configuración astable el hecho de que el terminal de control aparece conectado a un potenciómetro, de manera que la tensión que pongamos aquí, Vctrl , fijará las entradas a los comparadores Z1 y Z2 a los valores Vctrl y Vctrl ⁄ 2, respectivamente (ver Fig. 5). Así pues, usando la formula genérica para evoluciones exponenciales,

1

8

2

7

IC555

3

6

4

5

Ra Rb

threshold

C

control

V ctrl V ctrl

threshold

------------2

TF

output

TR Fig. 8 Configuración VCO

– t ⁄ τ

y( t) = yfinal +( yinicial – yfinal ) e

(5.12)

las evoluciones temporales durante estos tiempos vendrán dadas por t– n( TR +TF ) – -------------------------------

⎛ Vctrl

Vthreshold = VCC + ---------- – VCC⎞ ⋅ e

⎝ 2

⎠

τ1

τ 1 = ( Ra +Rb) C

(5.13)

t– TF – n( TR +TF )

– -----------------------------------------

Vthreshold = Vctrl e

τ2

τ 2 = RbC

de manera que el periodo de oscilación puede expresarse como T = TR +TF , siendo: VCC – Vctrl ⁄ 2 TR = τ 1ln⎛ ----------------------------------⎞ ⎝ VCC – Vctrl ⎠ Técnicas Experimentales en Electrónica

TF = τ 2ln( 2)

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(5.14)


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2. Cuestionario de Autoevaluación

2. Cuestio nario de Auto evaluación 1. ¿Cuánto vale la tensión decontrol en el circuito dela Fig. 4? 2. ¿Qué debe producirse en el flip-flop, un SET o un RESET, para que el transistor T entre en conducción? 3. ¿Cuál es el valor mínimo de la tensión en el terminal threshold, si se deja control libre, para mantener el transistor T en conducción? 4. Si VCC = 15V , el valor mínimo que produce un disparo efectivo en el circuito de la Fig. 6, es... 5. En la configuración astable, para obtener duty cycles cercanos al 50% Ra debe ser mucho _________________ queRb . 6. ¿Encuentra Ud. alguna limitación al uso de un potenciómetro para fijar la tensión del nudo control?

3. Montaje Experimental 3.1. Configuración astable

Para el circuito de la Fig. 9 y las combinaciones de resistencias que se muestran en la Tabla 1, encuentre†vii cuáles serían los valores esperados para la frecuencia de oscilación y el duty cycle del oscilador.

1 2 output

Usando VCC = 15V y VEE = 0V , monte en el laboratorio el circuito de la Fig. 9 para los valores de Ra y Rb que aparecen en la primera fila de la Tabla 1. Mida el periodo†viii de la señal de salida, así como el duty cycle de la misma y anote los resultados.

Ra( kΩ )

Rb( kΩ )

10

100

100

10

10

10

Ra

8

IC555

7

3

6

4

5

threshold

Rb 10nF

10nF

Fig. 9 Montaje astable

Tabla 1.

Operación astable

f teo

DTteo

f exp

DTexp

Observe la tensión entre los bornes del condensador conectado al terminal threshold y mida sus valores máximos y mínimos. ¿Concuerdan con lo que Ud. esperaba medir? ¿De qué tipo es la forma de onda que se observa? Dibuje el resultado en el dibujo de la Fig. 10. vii. Se exigirá a los alumnos la presentación de esos resultados antes del comienzo de la práctica. viii. Esto le permitirá obtener la frecuencia. Técnicas Experimentales en Electrónica

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Volts/div.

Secs/div. Fig. 10 Forma de ond a para thr eshol d

Repita las medidas anteriores (pero no vuelva a dibujar sobre la Fig. 10) para las otras combinaciones en la Tabla 1 y comente si los resultados se ajustan o no a lo esperado. 3.2. Oscilador controlado por tensión

Monte el circuito de la Fig. 11 y observe el valor de la señal de salida en el osciloscopio. Emplee un destornillador adecuado para ir variando el valor de la tensión en el terminal control del 555. ¿Se produce el fenómeno de control de frecuencia mediante una tensión? Anote los valores mínimos y máximos de frecuencia que puede producir.

1 2 output

10kΩ

8

IC555

7

3

6

4

5

threshold

100kΩ 10nF

1kΩ 1kΩ 1kΩ Use un voltímetro para medir la tensión en el terminal control . Genere Fig. 11 Mont aje VCO diez valores distintos de tensión de control lo suficientemente separados para cubrir todo el rango de variación de la misma y tome los valores de frecuencia a los que oscila el circuito. Represente gráficamente frecuencia/tensión y comente similitudes y discrepancias con lo que esperaba según el desarrollo teórico de la práctica.


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9

3. Montaje Experimental

3.3. Configuración monoestable

En la Fig. 12 se muestra un 555 conectado como monoestable. El montaje incluye un Schmitt trigger con un amplificador operacional 741 para generar la señal de disparo.

+15V

− 741 +

1

8

2

7

output

0V 10kΩ 1kΩ

IC555

3

6

4

5

threshold

R

10nF

10nF

0V

Fig. 12 Montaje mon oestable

Conecte el generador de señales a la entrada negativa del amplificador operacional. Utilice una forma de onda senoidal con 1kHz de frecuencia. Ajuste el nivel de la onda senoidal hasta que la salida del Schmitt trigger tenga un duty cycle aproximado del 90%; esto es, que esté en alto el 90% del período. Una vez tenga una señal de disparo adecuada, mida el ancho del pulso producido por el 555 para el primer valor de R en la Tabla 2. Repita el procedimiento para el resto de valores en la tabla. Tabla 2.

R( kΩ )

Operación monoestable

TD (teórico)

TD (experimental)

20 47 56

3.4. Duty Cycle 50%

Un problema que presenta la configuración astable que hemos visto anteriormente es el hecho de producir señales cuadradas con un duty cycle distinto del 50%. Para solucionar esto existen otras configuraciones algo más complejas. De entre ellas se proponen las dos en la Fig. 13 para que el alumno profundice en su modo de operación y montaje —en caso de haber terminado los montajes anteriores.


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1

8

2

7

output

IC555

3

6

4

5

Ra

1 2

Ra

output

10nF

8

IC555

7

3

6

4

5

10nF

51kΩ 22kΩ

10nF 10nF

threshold

threshold

Fig. 13 Montajes duty cyc le 50%

4. Referencias de Consulta A. S. Sedra, K. C. Smith: “Microelectronic Circuits”. Oxford University Press


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