Informe Laboratorio 2, Curso Integrador, Ing. Gabriela Sierra 12
Informe Laboratorio 2 (Circuito Integrado 555)
Miguel Laguado 1161100, Cesar Ramírez 1161098
I. Introducción
El circuito integrado IC 555 se utiliza en una variedad de temporizador y se aplica en la generación de pulsos de oscilaciones. El 555 puede ser utilizado para proporcionar retardos en el tiempo, como un oscilador, y como un circuito integrado flip-flop. Su derivador proporciona hasta cuatro circuitos de sincronización en un solo paquete. En el presente trabajo se analizara el NE 555 ampliamente, desde conocer la función de todo su patillaje, hasta la aplicación de este como modulador de ancho de pulso y posición de pulso.
La manera en la que se presenta es mediante el montaje en un protoboard de las dos configuraciones establecidas en la guía de apoyo, las cuales corresponden a una configuración como monoestable No-Redisparable y otra configuración como astable (oscilador); se tendrá como apoyo fotografías tomadas tanto al montaje como a las señales generadas en cada uno de los casos con el objetivo de facilitar la comprensión del lector sobre el análisis realizado y a la vez para ser más didácticos. Además se presenta la construcción de dos aplicaciones con su respectivo análisis y material de apoyo; estas aplicaciones se basan en la guía de apoyo y las cuales corresponder a un modulador de ancho de pulso y de posición de pulso (anteriormente mencionados).
Como consecuencia se espera haber estudiado y analizado ampliamente el circuito integrado NE 555, además de sus aplicaciones configuraciones. Se espera que sea de agrado y de gran ayuda al lector.
II. Objetivo General
Construir en una protoboard y comprender las diferentes configuraciones posibles con el circuito integrado NE 555.
III. Objetivos Específicos
Analizar y comprender las gráficas obtenidas de la configuración del 555 como monoestable No-Redisparable.
Examinar e interpretar las gráficas obtenidas de la configuración del 555 como astable (oscilador).
Aplicar y estudiar el comportamiento del NE 555 como modulador de ancho de pulso.
Reconocer el funcionamiento de NE 555 como modulador de ancho de pulso.
Aplicar y observar el comportamiento del NE 555 como modulador de posición de pulso.
Reconocer el funcionamiento del NE 555 como modulador de posición de pulso.
IV. Planteamiento del Problema
Por medio del siguiente informe se espera realizar un análisis a las diferentes funciones que puede tener el circuito integrado NE555 al realizarse diferentes montajes sobre este, por lo que el problema que se plantea para el informe es sobre la manera en la que el grupo de trabajo puede utilizar o de qué forma aplicar los conocimientos que se conseguirán con la realización del laboratorio y el respectivo informe.
Debido a que el grupo de trabajo nunca ha utilizado un circuito integrado 555, el desarrollo de la práctica de laboratorio será un poco complicada debido a que se desconoce totalmente qué tipo de reacción se observara en el osciloscopio al hacer funcionar el circuito correspondiente usando un NE555, por lo que se investigara de manera profunda acerca de las características más importantes del circuito integrado 555, además de sus funciones y aplicaciones que serán probadas en el transcurso del laboratorio.
La importancia del laboratorio recae en que el uso del circuito integrado NE555 es algo imprescindible para un estudiante de Ingeniería Electrónica debido a los futuros proyectos que se realizaran gracias al uso de este, incluyendo el proyecto que se está realizando actualmente, por lo que la formulación del problema se realizara con base a las aplicaciones que se podrán realizar de ahora en adelante gracias al aprendizaje de este tipo de circuito integrado.
V. Formulación del Problema
¿Qué tipo de aplicaciones podrá realizar el grupo de trabajo por medio de la asimilación de los datos y funcionamiento del integrado NE555?
VI. Marco Teórico
Circuito integrado 555:
El temporizador IC 555 es un circuito integrado (chip) que se utiliza en una variedad de temporizador 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 un billón de unidades se fabricaban cada año.
Historia:
En 1970, Hans Camenzind, un ingeniero nacido en Suiza, quién después de terminar su educación secundaria viajó a Estados Unidos para realizar los estudios de ingeniería, se tomó un mes de vacaciones de su empleo en Signetics (ahora Phillips) para escribir un libro, pero en vez de volver al final de las vacaciones, le pidió a la compañía que lo contratase como consultor durante un año, para usar los principios del oscilador controlado por tensión o VCO en el desarrollo de un circuito integrado temporizador; esta idea no era del agrado del departamento de ingeniería de Signetics, pero afortunadamente a Art Fury, el responsable de Mercadotecnia de la empresa, la idea le entusiasmó y le dio el contrato a Camenzind, quien después de seis meses, completó el diseño final (los primeros diseños no hacían uso de redes RC para la temporización y por ello preveían un circuito integrado de 14 patillas que era mucho más complejo y caro)
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 DaveBingham en Intersil, se sigue usando también la versión bipolar original, especialmente en aplicaciones que requieran grandes corrientes en la salida del temporizador.
Descripción de las entradas del temporizador 555:
GND (normalmente la 1): es el polo negativo de la alimentación, generalmente tierra (masa).
Disparo (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 (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 (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 (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 (normalmente la 6): Es una entrada a un comparador interno que se utiliza para poner la salida a nivel bajo.
Descarga (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.
Multivibrador astable:
Este tipo de funcionamiento se caracteriza por una salida con forma de onda cuadrada (o rectangular) continua de ancho predefinido por el diseñador del circuito. El esquema de conexión es el que se muestra. La señal de salida tiene un nivel alto por un tiempo t1 y un nivel bajo por un tiempo t2. La duración de estos tiempos dependen de los valores de R1, R2 y C, según las fórmulas siguientes:
y
La frecuencia con que la señal de salida oscila está dada por la fórmula:
El período es simplemente:
También decir que si lo que queremos es un generador con frecuencia variable, debemos variar la capacidad del condensador, ya que si el cambio lo hacemos mediante los resistores R1 y/o R2, también cambia el ciclo de trabajo o ancho de pulso (D) de la señal de salida según la siguiente expresión:
Hay que recordar que el período es el tiempo que dura la señal hasta que ésta se vuelve a repetir (Tb - Ta).
Para realizar un ciclo de trabajo igual al 50% se necesita colocar el resistor R1 entre la fuente de alimentación y la patilla 7; desde la patilla 7 hacia el condensador se coloca un diodo con el ánodo apuntando hacia el condensador, después de esto se coloca un diodo con el cátodo del lado del condensador seguido del resistor R2 y este en paralelo con el primer diodo, además de esto los valores de los resistores R1 y R2 tienen que ser de la misma magnitud
Multivibrador monoestable:
En este caso el circuito entrega un solo pulso de un ancho establecido por el diseñador.
El esquema de conexión es el que se muestra. La fórmula para calcular el tiempo de duración (tiempo en el que la salida está en nivel alto) es:
Nótese que es necesario que la señal de disparo sea de nivel bajo y de muy corta duración para iniciar la señal de salida.
VII. Desarrollo de la práctica
-Primer montaje: Configuración del 555 como Monoestable No-Redisparable
En el osciloscopio se mostraba lo siguiente:
Al mover la perilla del osciloscopio muestra lo siguiente:
-Segundo montaje: Configuración del 555 como Astable
En el osciloscopio se mostro lo siguiente:
Al mover las perillas del potenciómetro, esta gráfica variaba la proximidad de cada ciclo y la altura de la misma, pero debido a realizar esa prueba se perdió la imagen del osciloscopio y resulto imposible volver a restablecer la figura, por lo que no se tienen imágenes al respecto.
-Tercer montaje: Aplicación: Modulador de ancho de pulso y de posición de pulso
Se debía medir una señal de 3Vpp y luego si conectarlo para energizar el circuito.
Luego se midió la señal de salida
También se midió con el osciloscopio la entrada moduladora:
En el tercer montaje, al ser un montaje con resistencia con una señal constante y una resistencia constante, se usaron los siguientes acomodos en el osciloscopio:
TimeDiv=0,5 v
TimeDiv=50 µS
Frecuencia=2246 Hz
-Cuarto montaje: Aplicación, Modulador de ancho de pulso y de posición de pulso
Debido a que RB debía ser de 3K , se utilizaron resistencias acomodadas en serie con un valor igual debido a que no se tenía otro potenciómetro a disposición.
El Osciloscopio debía mostrar una señal triangular de 3Vpp antes de conectarlo al circuito
Luego se midió la señal que entraba por la entrada moduladora por medio del pin OUT
En el tercer montaje, al ser un montaje con resistencia con una señal constante y dos resistencias constantes, se usaron los siguientes acomodos en el osciloscopio:
TimeDiv=0,5 v
TimeDiv=50 µS
Frecuencia=8605 Hz
VIII. Análisis de Resultados
-Primer montaje: Configuración del 555 como Monoestable No-Redisparable
1. Modificando el valor de la resistencia variable RA (medirla con el multímetro) y disparando el 555 mediante una señal de reloj de baja frecuencia (unos 10 kHz) introducida en TRIG, construir una gráfica en que aparezca el tiempo de duración tH de los impulsos de salida frente al valor de la resistencia RA (tomar unos veinte valores y ajustar para obtener la constante de proporcionalidad del comportamiento lineal esperado).
Rta: Con la formula:
tH=1,1*RA*C
Con un capacitor cerámico 104
RA( )
tH(µs)
RA( )
tH(s)
500
55
5500
605
1000
110
6000
660
1500
165
6500
715
2000
220
7000
770
2500
275
7500
825
3000
330
8000
880
3500
385
8500
935
4000
440
9000
990
4500
495
9500
1045
5000
550
10000
1100
Gráfica correspondiente:
2. Comentar el resultado obtenido y explicar el mecanismo de funcionamiento (a partir del esquema de bloques del 555) de su comportamiento como monoestable (analizar los procesos de carga y descarga del condensador C).
Rta: El Circuito Monoestable funciona como un disparador. Al aplicar un pulso negativo en la pata 2 (trigger) menor a 1/3 Vcc la salida se pone en estado alto.
El voltaje a través del capacitor crece exponencialmente en un periodo de tH = 1,1 RA C
Al final de ese tiempo el voltaje es igual a 2/3 Vcc.
Este tipo de circuitos se basa en la carga y descarga del capacitor C. Al aplicar un pulso negativo (menor a 1/3 Vcc) en el terminal 2 (trigger) el flip-flop interno del integrado coloca la salida en estado alto y levanta el cortocircuito a través del capacitor.
En ese momento el capacitor comienza a cargarse exponencialmente, durante un periodo igual a t=1,1RAC Al finalizar ese tiempo el capacitor estará cargado con un valor de 2/3 Vcc. Entonces el comparador resetea el flip-flop el cual lleva la salida a estado bajo y descarga el capacitor.
Tanto la carga como el límite del comparador son ambos directamente proporcional al voltaje de alimentación, el intervalo de tiempo es independiente de dicho voltaje
Durante el ciclo temporizado cuando la salida esta a nivel alto cualquier aplicación de un pulso negativo en el trigger no tendrá efecto sobre el temporizado siempre y cuando el nivel del trigger regrese al nivel alto 10uS antes del fin del tiempo temporizado.
Sin embargo el circuito puede ser reseteado durante el ciclo temporizado aplicando un pulso negativo en el terminal de reset. La salida volverá a estar a nivel bajo, hasta que se produzca otro pulso sea aplicado al trigger.
Cuando la función de reset no se use, es recomendable conectarla a Vcc para evitar activaciones en falso. En la operación monoestable el trigger deberó estar en el nivel alto antes del fin del ciclo temporizado.
En las gráficas obtenidas se puede apreciar una forma muy similar a lo que se aprecia normalmente en la gráfica de carga de un capacitor, lo diferente de la imagen puede ser causado por cualquier interferencia producida al energizar el montaje.[3]
3. Modificar la frecuencia de reloj en el rango 5 15kHz y medir el valor de RA cuando el ciclo de trabajo se hace prácticamente del 100%. Construir una gráfica con los datos y razonar su comportamiento.
Rta: Con una frecuencia de 9758 Hz y con un valor de RA de 9,3 K se obtuvo la siguiente gráfica que fue la más estable, por lo que se supuso es el 100% del ciclo de trabajo, ya que muestra también la carga y descarga del capacitor.
-Segundo montaje: Configuración del 555 como Astable
1. Medir el periodo, T y el tiempo de alta tH, de la señal de salida para distintos valores de RA y RB (primero dejar una de ellas fija y modificar la otra para construir una gráfica, después hacer lo mismo para la otra, medir unos veinte valores para cada gráfica).
Obtener en ambos casos la constante de proporcionalidad del comportamiento lineal esperado para la variable T con:
T = 0,7(RA + 2RB)*C
¿Qué relación hay entre las pendientes de ambas gráficas?
Rta: Tabla 1 dejando RA fijo en 10 K
RB( )
T(µs)
RB( )
T(µs)
200
728
3200
1148
500
770
3500
1190
800
812
3800
1232
1100
854
4100
1274
1400
896
4400
1316
1700
938
4700
1358
2000
980
5000
1400
2300
1022
5300
1442
2600
1064
5600
1484
2900
1106
5900
1526
Tabla 2 dejando RB fijo en 10K
RB( )
T(µs)
RB( )
T(µs)
200
1414
3200
1624
500
1435
3500
1645
800
1456
3800
1666
1100
1477
4100
1687
1400
1498
4400
1708
1700
1519
4700
1729
2000
1540
5000
1750
2300
1561
5300
1771
2600
1582
5600
1792
2900
1603
5900
1813
-Gráfica tabla 1
-Gráfica tabla 2
-Operaciones de la pendiente
m1=1526-7285900-200=0,14
m2=1813-14145900-200=0,07
La relación que hay entre las pendientes de ambas gráficas es que la primera pendiente (cuando RA era un valor fijo) es el doble que la segunda pendiente.
2. Calcular, con algunos de los valores ya medidos, el ciclo de trabajo (% del tiempo en que la señal de salida es ALTA) de la señal de salida del 555 configurado como oscilador, compararlo con el valor teórico que se obtendría para los valores de RA y RB.
Rta: Por medio de la formula:
CT%=tHtH+tL=RA+RBRA+2RB
Usando los valores de cuando:
2 valores de cuando RA es estable y RB varia
2 valores de cuando RB es estable y Ra varía
RA ( )
RB ( )
CT (%)
10000
200
0,98
10000
5900
0,72
200
10000
0,50
5900
10000
0,61
3. Explicar, a partir del esquema de bloques del 555, el funcionamiento del temporizador como oscilador (analizar los procesos de carga y descarga del condensador C)
Rta:
En este modo se genera una señal cuadrada oscilante de frecuencia:
F = 1/T = 1.44 / [C*(Ra+2*Rb)]
La señal cuadrada tendrá como valor alto Vcc (aproximadamente) y como valor bajo 0V.
Si se desea ajustar el tiempo que está a nivel alto y bajo se deben aplicar las fórmulas:
Salida a nivel alto: T1 = 0.693*(Ra+Rb)*C
Salida a nivel bajo: T2 = 0.693*Rb*C
Este comportamiento también es llamado como Astable. [4]
-Tercer montaje: Aplicación: Modulador de ancho de pulso y de posición de pulso
1. ¿En qué modo de operación se encuentra el 555 y por qué?
Rta: Según el comportamiento presentado por la figura debido a que la señal Vcc se mantiene en un nivel alto y estable durante el periodo hallado tH., además de las similitudes con lo que respecta a la figura mostrada por el osciloscopio a la que se mostro con el primer montaje ya que solo se diferencian por ciertas interferencias de la gráfica cuando se está mostrando la entrada moduladora, la operación de este es monoestable.
2. Dibujar la forma de onda de la entrada moduladora y la de salida. Explicar el resultado obtenido.
Rta:
La forma de onda de la salida (Pin 3 OUT), es una señal cuadrada común y corriente, tomando en cuenta que está siendo alimentado con una frecuencia senoidal de 3Vpp.
La forma de onda de la entrada moduladora (Pin5), es muy similar a la del funcionamiento monoestable del primer montaje con unas interferencias, pero aun así sigue siendo una señal cuadrada a pesar de alimentarse con una senoidal.
-Cuarto montaje: Aplicación, Modulador de ancho de pulso y de posición de pulso
1. ¿En qué modo de operación se encuentra el 555 y por qué?
Rta:
Tomando en cuenta el diagrama circuital usado en esta aplicación con el utilizado en el segundo montaje, además de la similitud entre las gráficas y su comportamiento, se dice que la operación del 555 en este montaje es "Astable".
A diferencia del montaje anterior, solo se tomo en cuenta la salida por medio del pin OUT en la figura.
2. Dibujar la forma de onda de la entrada moduladora y la de salida. Explicar el resultado obtenido.
Rta:
La forma de onda obtenida es una onda cuadrada, lo que no concuerda al energizarse con una señal triangular, aunque puede obtener esa forma en ciertas condiciones, y lo que muestra es un comportamiento de un temporizador como oscilador.
IX. Conclusiones
En el transcurso de la práctica de laboratorio se realizaron 4 montajes para aprender sobre las características y funcionamientos del circuito integrado NE555, en donde los dos primeros montajes se conocía sobre la función que cumplía el circuito al acomodarlo de cierta manera, mientras que en los últimos dos se debía diferenciar la función que estaba cumpliendo el NE555 al acomodarlo con valores constantes, ya que los primeros montajes usaban resistencias variables.
El condensador adicional que se utilizaba en cada montaje tenia la función de disminuir el ruido provocado por el circuito, pero al utilizarse ya no sonaba ruido alguno, por lo que el ruido sin el capacitor ya era lo suficientemente bajo.
Las aplicaciones que se pueden realizar gracias al uso del integrado NE555 son un temporizador, oscilador, divisor de frecuencia, modulador de frecuencia y generador de señales triangulares, pero por medio del informe se realizaron solamente las aplicaciones de oscilador y de modulador de frecuencia, por lo que se pueden utilizar esos conocimientos para aplicarse en la creación de diversos proyectos.
X. Referencias Bibliográficas
[1] Wikipedia la enciclopedia libre, Página Web, Circuito Integrado 555 http://es.wikipedia.org/wiki/Circuito_integrado_555
[2] Datasheet catalog, página web, NE555 http://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/N/E/5/5/NE555.shtml
[3] Zona Tecno, Página Web, Recursos de electrónica http://www.zonatecno.net/Electronica/Recursos/Circuito-Monoestable-con-el-555.html
[4]Uv, Página Web, Electrónica, 555 http://www.uv.es/marinjl/electro/555.htm
RA( )
tH (µs)
RA ( )
tH (µs)
RB( )
tH (µs)
