Estructura del 555.
El NE555 (también conocido como LM555, CA555 y MC1555) es el circuito integrado de temporización más comúnmente usado. El NE555 es un circuito integrado de 8 pines. A continuación se muestra el esquema eléctrico del integrado.
Internamente está formado por diodos, transistores, comparadores, etc. Como puedes ver, el 555 tiene un divisor de tensión, dos comparadores, un flip-flop RS, y un transistor NPN. Como el divisor de tensión tiene las dos resistencias iguales, el comparador superior (PCS), tiene un punto de conmutación de:
PCS = 2Vcc ÷ 3
El comparador inferior entonces recibe un punto de comparación de:
PCI = Vcc ÷ 3
EL PIN 6 está conectado a un comparador superior por su entrada no inversora. La tensión que se aplica al PIN 6 se llama tensión umbral. Esta tensión umbral se aplica desde componentes externos. Cuando la tensión umbral es mayor que el PCS, el comparador superior tiene su salida a nivel alto.
El PIN 2 está conectado al comparador inferior. La tensión de éste pin se llama disparador ya que cuando la tensión de disparo cae por debajo del PCI, el comparador inferior tiene su salida en nivel alto.
El PIN 4 se usa para poner en RESET la salida (ponerla a cero). El PIN 5 puede emplearse para controlar la frecuencia de salida en modo astable. En muchas aplicaciones estos dos pines suelen estar desconectados.
Circuito en FLIP FLOP.
Entender el circuito temporizador es comprender el funcionamiento interno del mismo. El circuito FLIP - FLOP es un circuito electrónico que tiene dos estados estables.
En este circuito uno de los transistores está saturado mientras que el otro está al corte. Si el transistor Q2 está al corte, Q1 conduce a la saturación.
El transistor que conduce a la saturación tiene una tensión de colector aproximada a cero. Esto significa que por la base del otro transistor no conducirá corriente eléctrica. En el caso de que Q1 estuviese saturando, Q2 está al corte porque no pasa corriente por su base. Además como Q2 está al corte, la tensión de colector será máxima por lo que mantiene una alta corriente de base en el transistor Q1 manteniéndolo a la saturación.
Observa que el circuito tiene dos salidas marcadas por Q y q. Estas son las salidas de sus estados con nivel alto y nivel bajo. Además las salidas siempre son opuestas. Cuando Q está a nivel bajo, q lo está a nivel alto, y viceversa. Este estado de las salidas se llama salidas complementarias, y en el ejemplo Q está a nivel bajo y q a nivel alto.
Se pueden controlar los estados de los transistores mediante las entradas de las resistencias de base Rs y Rr. De tal forma que si aplicamos una tensión positiva a la entrada Rr, Q2 comenzará a conducir a la saturación, cortando el transistor Q1. Las salidas ahora están que Q está a nivel alto y q a nivel bajo.
Ahora si quitamos la alimentación por Rr, se mantendrá el estado actual de Q2 a la saturación y Q1 al corte.
Si aplicamos una tensión positiva por Rs ocurrirá el mismo proceso.
Como el circuito es estable en cualquiera de sus dos estados, se le denomina multivibrador biestable. La característica principal de un multivibrador biestable es que pertenece en su estado si no se aplica un pulso en una de sus entradas Rs ó Rr que lo cambien de estado.
La entrada Rs se conoce como entrada de Set porque pone al multivibrador en la salida Q a nivel alto. La entrada Rr se conoce como entrada de Reset ya que pone a Q a nivel bajo.
Funcionamiento del 555 en monoestable.
La siguiente figura muestra el funcionamiento del circuito 555 en monoestable.
Inicialmente el temporizador 555 tiene una tensión de salida baja en la cual puede permanecer indefinidamente. Cuando recibe un disparo (pulsador), la tensión de salida en el PIN 3, cambia a alta, lo cual se muestra como un pulso rectángular. El pulso durará un tiempo t, antes de volver a bajo nivel de nuevo. Una vez llegada a bajo nivel se mantendrá así hasta que se produzca otro dispado en el PIN 2.
Se dice multivibrador a un circuito con dos estados lógicos: cero y uno, o dos estados de salida astables. Cuando se usa el temporizador 555 en modo monoestable como el descrito anteriormente, se le conoce como multivibrador monoestable, dado que tiene un único estado astable (cada disparo produce un pulso).
Astable significa que se mantiene a nivel bajo hasta que recibe un disparo que cambie su nivel a alto temporalmente. El nivel alto, sin embargo, no es estable, ya que la salida vuelve a un nivel bajo pasado un tiempo.
Cuando el temporizador 555 funciona en modo monoestable, se le llama también multivibrador de disparo único debido a que se produce un único pulso por cada disparo. La duración de dicho pulso de salida puede controlarse con una resistencia y un condensador externos.
Como puedes ver el circuito tiene dos resistencias y dos condensadores externos que son los que ofrecen el pulso de salida por el PIN 3. La tensión del condensador C1, se utiliza como tensión umbral conectado al PIN 6.
Con el disparo en el PIN 2, se produce un pulso rectangular a la salida del PIN 3. Inicialmente, Q está a nivel alto. Esto satura el transistor interno y descarga el condensador C1 al conectarlo a tierra. El circuito mantiene este estado hasta que recibe un pulso de disparo.
Debido al divisor de tensión interno, los puntos de conmutación son los de PCS: 2/3 Vcc y PCI: 1/3 Vcc.
Cuando la entrada de disparo se corta, o es inferior a la del PCI, el comparador inferior reinicia el FLIP-FLOP. Como Q cambia a nivel bajo, el transistor interno pasa al corte, permitiendo que se cargue C1. En este momento q, cambia a nivel alto.
Cuando la tensión del condensador sea superior a la del PCS, el comparador superior pone a nivel alto el FLIP-FLOP. El nivel alto de Q, satura al transistor lo que descarga casi instantáneamente al condensador C1. Al mismo tiempo q, vuelve a su estado bajo y el pulso de salida termina hasta que aparezca otro pulso por el PIN 2.
La anchura del pulso rectangular depende del tiempo que tarde en cargarse el condensador C1 a través de la resistencia R2. La constante de tiempo será mayor, cuando más tiempo tarde el condensador en alcanzar el valor de 2/3 Vcc.
La formula que indica la duración del pulso viene establecida por la formula:
t = 1,1 x R2 x C1
Resumiendo, el temporizador en modo monoestable produce un único pulso con una anchura que vendrá determinada por los valores de R2 y C1.
Funcionamiento del 555 en astable.
Para utilizar el circuito como temporizador, se debe de utilizar en modo astable. En este modo requiere de dos resistencias y un condensador para establecer una frecuencia de oscilación.
Los puntos de conmutación son los mismos para el modo monoestable.
PCS = 2Vcc ÷ 3
PCI = Vcc ÷ 3
Cuando Q está a nivel bajo, el transistor está en corte y el condensador se carga a través de la resistencia total suma de ambas resistencias R1 y R2. La constante de tiempo es (R1 + R2) x C2, y como el condensador esta cargado a la tensión umbral del PIN 6 aumenta.
Con el tiempo, la tensión umbral superará el valor de 2/3 Vcc. Entonces el comparador superior activa el FLIP - FLIP. Con Q a nivel alto, el transistor se satura y pone a tierra al PIN 7. El condensador se descarga a través de R2. La constante de descarga será R2 x C2. Cuando la tensión alcance la tensión de 1/3 Vcc, el comparador inferior hará reset en el FLIP - FLOP.
La salida de la señal es una onda rectangular producida por la tensión exponencial creciente y decreciente entre los valores PCS y PCI que oscila entre los 0 voltios y Vcc.
Las ecuaciones para la carga y descargas están establecidas según los valores de R1, R2 y C2. El ciclo de trabajo viene dado por la formula:
D = (R1 + R2) ÷ (R1 + 2R2)
Cuando R1 es mucho mayor que R2, el ciclo de trabajo se aproxima al 50%. Consecuentemente, cuando R2 es mucho mayor que R1, el ciclo de trabajo se aproxima al 100%.