NE555. El temporizador más usado

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1. Introducción

Este circuito integrado lleva usándose unos 50 años (1971) debido a su sencillez para usos de temporización, generación de pulsos y osciladores. Con un solo chip puedes proporcionar retardos de tiempo, como un oscilador, o usarlo como circuito flip flop. En total, puedes conseguir con sus derivados hasta cuatro circuitos de sincronización en un solo encapsulado. Sus principales modos de operación son multivibrador astable o monostable, de los cuales hablaremos más adelante.

Temporizador

 2. Estructura interna

 

El CI está formado en resumidas cuentas por 3 resistencias principales, dos amplificadores operacionales, un circuito RS, un transistor y una puerta NOT tal y como se ve en la siguiente figura con las conexiones de las patillas.

 Diagrama conexiado

Diagrama conexionado

·        Bloque 1 - Divisor de tensión

 

En un primer bloque, nos encontramos esas 3 resistencias principales de 5k, las cuales se dice que marcan el nombre del chip. Estas se encargan de formar un divisor de tensión entre la tensión de alimentación y masa, para la entrada de referencia en los operacionales. Al ser resistencias iguales, la relación de va a ser por igual entre las 3. Entonces el voltaje en la unión entre las resistencias y los operacionales tiene una relación 2/3Vcc (marcado en azul) y 1/3Vcc (marcado en rojo).

 Diagrama funcional

Diagrama funcional del 555

 

·        Bloque 2 - Comparadores de voltaje

Los Amplificadores operacionales (AO) son usados como comparadores de voltaje. Un comparador es un circuito que compara una entrada, con una tensión de referencia y envía una señal baja o alta en función de, 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»(trigger) de entrada a un voltaje de referencia de 1/3Vcc y el comparador conectado al pin 6 compara el «umbral»(threshold) de entrada a un voltaje de referencia de 2/3Vcc del divisor de tensión.

 

·        Bloque 3 - flip-flop RS

El siguiente bloque, flip-flop, usa un circuito RS (Biestable Reset-Set) para cambiar entre dos estados estables, de ahí lo de biestable, en función de las entadas. Este circuito del 555 da una señal a estado alto o bajo en función de la salida del bloque anterior, los 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.

Esquema_circuito

Esquema circuito RS básico.

 

·        Bloque 4 - Búfer de salida

La etapa de salida del temporizador 555, indicado en el diagrama funcional anterior tiene como propósito actuar como un amortiguador o búfer entre el propio temporizador 555 y las cargas que se puedan conectar al pin de salida. Este proporciona la corriente al pin de salida, de modo que no lo tenga que hacer otro componente funcional del NE555.

 

·        Bloque 5 - Transistor

En el diagrama anterior se pueden observar bastantes transistores. El Q14 cuyo colector está conectado a la patilla 7, es un NPN, y por esta configuración se dice que está en “colector abierto” o “drenaje abierto”. Esta patilla está normalmente conectada a un condensador y es utilizada para descargar el condensador cada vez que el pin de salida pasa a nivel bajo.

El transistor Q15 conectado a la patilla de Reset (pin 4), por el contrario, es un transistor PNP y su propósito 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.

 

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.

3. Principio de funcionamiento del NE555

 

El NE555 en sí mismo no puede hacer nada directamente constructivo, para su uso se debe configurar con elementos externos. Los valores y la disposición de las conexiones de estos elementos determinan las funciones que puede realizar este chip. Tiene muchas configuraciones y posibilidades, pero en este caso, las dos principales y más importantes son generador modo monoestable o modo astable: 

 

  • Generador monoestable.

En este modo el generador proporciona una salida estable de un solo pulso cuya anchura viene determinada por el diseño. Este modo es ideal para crear retardos de tiempo.

La fórmula para calcular el tiempo de duración (tiempo en el que la salida está en nivel alto) es:

Forumla

Que proviene de la ecuación de descarga de un circuito RC.

 Esquema de aplicacion

Esquema de la aplicación de multivibrador monoestable del 555.

 

El trigger, en este caso, es un disparador externo el cual hace que el temporizador 555 genere un pulso de una duración ajustable. El condensador externo está inicialmente descargado por un transistor interno del propio temporizador. Tras la aplicación de un disparo negativo al pin 2 donde el pulso será 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, lo cual 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 R y el condensador C en la imagen, los cuales se diseñan usando la fórmula anterior.

Una vez dado lo anterior, el voltaje del condensador (su carga) comienza a aumentar exponencialmente durante el periodo T, hasta llevar al voltaje 2/3Vcc. 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.

Situacion

Cuando el pin de disparo esta alto, hace que el pin de descarga (pin 7) pase a drenar toda la carga del condensador (C 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 anterior.

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 R y C en el esquema anterior. Un ejemplo pondrá de relieve, el cálculo del tiempo de retardo del pulso en la salida del 555 en modo monoestable:

Si elegimos R = 10KΩy C = 100uF, tendremos:

formulas_3

Esto quiere decirnos que con una resistencia de 10KΩ 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 Ω a la salida, se encienda durante 1’1 segundos. En un osciloscopio podríamos ver este ejemplo de señales de la siguiente forma, siendo la señal de en medio la de salida:

VCC

La siguiente gráfica es muy útil para obtener un valor aproximado del tiempo de retardo conociendo los valores del condensador (100uF) y la resistencia (10k), donde en rojo está marcados los 1m1 segundos.

Generador_astable

  • Generador astable

Este modo, como su nombre indica, se basa en una salida no estable, la cual es continua y de forma cuadrada (o rectangular) a una frecuencia específica.

Esquema de aplicacion

Esquema de la aplicación de multivibrador astable del 555.

El resistor R1 está conectado a la tensión designada como VCC y al pin de descarga (pin 7); el resistor R2 se encuentra conectado entre el pin de descarga (pin 7), el pin de disparo (pin 2); el pin 6 y el pin 2 comparten el mismo nodo. Asimismo el condensador se carga a través de R1 y R2, y se descarga solo a través de R2. La señal de salida tiene un nivel alto por un tiempo t1 y un nivel bajo por un tiempo t2, esto debido a que el pin 7 presenta una baja impedancia a GND durante los pulsos bajos del ciclo de trabajo. Un multivibrador astable no tiene estado estable y varia, por tanto una y otra vez entre dos estados inestables, sin utilizar un circuito de disparo externo.

El ciclo de trabajo presenta los estados alto y bajo, la duración de los tiempos en cada uno de los estados depende de los valores de R1, R2 (expresados en ohmios) y C (en faradios), con base en las fórmulas siguientes:

Formulas

La frecuencia de oscilación (f) está dada por la fórmula:

Temporizador

Hay que recordar que el período, la inversa de la frecuencia, es el tiempo que dura la señal hasta que ésta se vuelve a repetir, es la suma del tiempo alto y el tiempo bajo (Ta + Tb).

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 cátodo apuntando hacia el condensador, después de esto se coloca un diodo con el ánodo 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.

Hondas

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 totalmente exactas, están lo suficientemente cerca del valor para ser utilizadas sin preocupación. Para simplificar los cálculos te recomendamos acudir a esta web.

 

En realidad, el modo astable, se considera un sencillo generador de frecuencias, cuya frecuencia se puede controlar, modificando el valor de R2 (sustituyéndolo por ejemplo por un potenciómetro) o cambiando el valor del condensador, para cambiar el rango de las frecuencias.

 

  • Otras configuraciones:

Otras configuraciones también usadas con el CI 555 son el generador de tono y el modo biestable.  La primer es usada para, con pocos componentes, generar frecuencias audibles. El modo biestable, también llamado disparador de Schmitt, el cual como su nombre indica tiene dos estados estables (alto y bajo) y tiene diversas aplicaciones prácticas.

Pulsando la entrada de disparo a bajo, hace que la salida del circuito vaya a alto. Pulsando la entrada de reset a bajo, hace que la salida del circuito vaya a bajo. Este tipo de circuito es ideal para su uso en un modelo automatizado donde se requiere un movimiento en dos sentidos de una dirección. Un botón (o interruptor reed con un imán o fin de carrera en el recorrido máximo del objeto) se coloca en cada extremo de la pista de manera que cuando uno es golpeado por el objeto, se establece o restablecer el biestable. La salida de la 555 podría controlar un relé DPDT que sea cableado como un inversor, para invertir el sentido de la corriente sobre el objeto, invirtiendo así la dirección del mismo.

 

Primer proyecto en NE555

 

Un ejemplo práctico sencillo es el hacer parpadear un LED. Para ello usaremos los siguientes componentes:

-        Chip NE555

-        2 Resistencias de 1kΩ

-        1 Potenciometro de 10kΩ

-        1 Condensador de 100µF

-        1 Diodo LED

-        Fuente de alimentación de 9 o 12V.

 

 

Conectamos los componentes como se indica a continuación, teniendo en cuenta para los pines del CI que el punto donde la muesca indica el primer pin.

El primer pin

El potenciómetro debemos conectarlo como se indica, siendo la patilla de la flecha la de en medio.

Potenciometro

Una vez conectados los componentes, enchufamos por último la fuente de alimentación. Ahora podremos observar como el LED parpadea, y podemos variar su frecuencia haciendo el parpadeo más rápido o más lento.

 

Otro ejemplo práctico podría ser precisamente con el último modo comentado, el disparador de Schmitt, con el cual haremos también parpadear un LED de otro modo.

En el esquema siguiente se puede ver la conexión y la gráfica donde se muestra el funcionamiento.

Para ello, usaremos los siguientes componentes:

-        Chip NE555

-        2 Resistencias de 10kΩ

-        1 Resistencias de 470Ω

-        1 Condensador de 0,1µF

-        1 Diodo LED

-        2 Botones pulsadores

-        Fuente de alimentación de 9 o 12V.

 Primero

Primero conecta los componentes, y el osciloscopio si se dispone, por último la alimentación.

Una vez montado, pulsa el botón conectado al pin 2 (trigger). El LED debe encenderse, indicando que la salida se encuentra ahora en un estado alto. Suelta el botón del disparador, la luz permanece encendida. A continuación, pulsa el botón de reinicio, esto hará que la salida vaya a estado bajo y se apague el LED. Suelta el botón de reinicio, el LED debe permanecer apagado. Ahora, has creado un circuito que alterna entre dos estados estables basados en que se ha pulsado un botón.

 

La salida (pin 3) del circuito biestable anterior, puede estar en uno de los dos estados en cualquier momento, lo que significa que es una salida digital. Se puede conectar directamente a las entradas de otros circuitos integrados digitales, o puede controlar otros dispositivos con la ayuda de unos pocos componentes adicionales. Como ya sabemos, un flip-flop es un circuito que permite cambiar entre dos estados estables, en función del estado de las entradas.

 

Aplicaciones

 

Sabiendo cómo funciona el circuito de una configuración a otra, podemos resolver cualquier problema lógico. Las aplicaciones que pueda tener el 555, en estas configuraciones, son muchas. Ya que con el 555 combinado con otros circuitos electrónicos como pueden ser puertas, operacionales, transistores, podemos resolver cualquier tipo de automatismos. Entre estas aplicaciones podemos nombrar, por ejemplo, las siguientes:

Detector de agua, cambio de sentido de motores, detector de subida o bajada de una tensión, (especialmente de las baterías), sensor de luz, Fusible electrónico, alarmas, para puesta en marcha de motores con solo pulsador, etc.

 

Con nuestro Módulo Temporizador NE555 puedes probar cualquiera de ellas usando su relé.

 

6.Pros y contras de NE555

 

Como hemos podido ver, el circuito integrado 555 es muy útil y ampliamente utilizado para los juegos de luces, así como muy sencillo de utilizar debido a su amplia información existente por los años que se lleva usando.

Aunque este circuito jamás va a poder ser sustituido, hay quien habló de un nuevo sustituto, el SX8122, pero no ha conseguido hacerle sombra. Muchas empresas los fabrican ya en versión de transistores bipolares y también en CMOS de baja potencia, como el LCM555, TS555, TLC555, etc.

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