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CFGS de Sistemas de Telecomunicaciones e Informticos

Prctica: El temporizador 555.

Objetivo:

Estudiar las diversas posibilidades de uso que nos proporciona el CI555.

Fundamento terico:

El circuito 555 es un circuito integrado monoltico pensado y desarrollado para construir diversas aplicaciones como multivibradores (astables y monoestables), alarmas, confor-mador y/o detector de pulsos. Fabricado inicialmente por la firma Signetics (filial de Phi-llips) en 1972 y construido por otros fabricantes posteriormente como National Semi-conductors. Podemos distinguir como particularidades del C.I.555 que para el desarrollo de aplica-ciones, como por ejemplo, un multivibrador astable, requiere tan slo de cuatro compo-nentes pasivos. Adems posee un control total sobre la frecuencia de la seal de salida, permitiendo controlar los tiempos de los dos semiciclos. El circuito integrado 555 utiliza varios tipos de encapsula-do. El ms comn es el encapsulado MINIDIP en plstico con 8 patillas, pudindose encontrar en el mercado tam-bin la versin dual, el C.I.556 en encapsulado DIP con 14 patillas, que tiene dos 555 idnticos. Adems tenemos la versin cudruple el C.I.558 (DIP 16 patillas) que se com-pone de cuatro 555. El 555 es un integrado muy utilizado en la actualidad para mltiples aplicaciones del mercado. Este particular circuito est clasificado como circuito integrado lineal porque se puede disparar por una seal lineal o digital y su salida siempre es digital: en forma de onda cuadrada o por pulsos.

1. Descripcin. El 555 est constituido por los siguientes elementos: una red divisoria de tres resisten-cias de 5k, dos amplificadores operacionales trabajando en modo de comparadores de tensin, un biestable R-S que se emplea su salida complementaria, un transistor en con-mutacin para provocar la descarga del condensador y un buffer inversor para propor-cionar la alta corriente de salida.

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Caractersticas: - Estabilidad trmica: 0,005% / C - Rango de tensin [4,5v...16v] - Corriente de salida 200mA La red de resistencias: Tienen como finalidad di-vidir la tensin de alimentacin (Vcc) en tensio-nes referencia en las entradas de los dos compa-radores. Al tener el mismo valor hmico, la cada de tensin en cada una de ellas es igual a 1/3 de Vcc. Comparadores: Son dos amplificadores opera-cionales a modo de comparador. Considerando que el circuito tiene una polaridad simple, los po-sibles estados de salida son digitales y adoptan los valores de nivel alto "1" o nivel bajo "0". No se contempla el caso de V(+) = V(-) puesto que una pequea variacin entre ambas hace que la salida cambie su estado.

V(+) > V(-) o = 1

V(+) < V(-) o = 0

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Biestable R-S: Sus entradas son R (RESET puesta a "0") y S (SET puesta a "1") utili-zando su salida Q en modo normal de funcionamiento, pero el 555 interna-mente utiliza su salida complementada Q. A grandes rasgos, el funcionamiento del biestable es el siguiente: Si se aplica una entrada alta1 (cercana a la alimentacin Vcc) en el terminal SET mientras se aplica una entrada baja2 (cercana a cero) en el terminal RESET, produciremos lo que se conoce como una condicin de set en el circuito, obtenindose una salida al-ta en el terminal Q mientras que obtendremos una valor bajo en Q:

(R = 0) y (S = 1) Q = 0 Por otro lado, una entrada alta en el terminal de RESET y una entrada baja en el terminal de SET, produce un reset en el biestable de manera que las salidas sern Q = 0 y Q = 1:

(R = 1) y (S = 0) Q = 1 Ninguna de las otras dos combinaciones de entrada produce cambio alguno en la salida. Buffer: Es un inversor que proporciona un aumento en la corriente de salida. La red resistiva establece las tensiones de referencia en las entradas de los comparado-res. A su vez los comparadores se encargan de recoger la informacin de las variaciones producidas por las tensiones de umbral y disparo, provocando los cambios en las entra-das del biestable y este a su vez lo refleja directamente sobre la salida.

(o1 = 1) y (o2 = 0) Q = 1 Vsalida = 0

(o1 = 0) y (o2 = 1) Q = 0 Vsalida = 1

2. Operacin como astable. El circuito de la figura muestra al 555 en la configuracin de oscilador astable. Como se ve, hay una red RC que es la que fija el comportamiento del multivibrador. El funciona-miento del circuito se basa precisamente en la carga y descarga del condensador C1 a travs de las resistencias R1 y R2.

1 Lo que se conoce como una entrada a 1.

2 Lo que se conoce como una entrada a 0.

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El clculo y control del circuito es sencillo de determinar. Se trata de polarizar con la red de resistencias R1 y R2, las entradas de los comparadores fijando las tensiones de Um-bral y de Disparo. El funcionamiento se centra principalmente en el condensador C1. De-terminando las constantes de tiempo de carga y descarga, controlamos la seal de salida, la cual es totalmente dependiente de dichas constantes.

La razn de que la seal sea asimtrica, es porque ambas constantes de tiempo (la de carga y la de descarga) son diferentes: el condensador se carga a travs de R1 y R2 y se descarga a travs de R2:

1211arg CRRac

122arg CRadesc

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Las entradas de disparo (trigger) y de umbral (threshold) estn unidas al condensador, que inicialmente se encuentra descargado, por lo que ambos terminales se encuentran a

nivel potencial de masa. Con esta configuracin, la salida del comparador o1 = 0 y la

del comparador o2 = 1, es decir, las entradas del biestable R-S sern R = 0 y S = 1, lo que provoca que la salida Q = 0, el transistor est en corte y la salida (3) est a nivel alto (recuerda que el buffer invierte la salida). A partir de la puesta en marcha del circuito astable, el condensador comienza a cargarse a travs de (R1+R2), y cuando la tensin de carga alcance un valor igual o mayor a 1/3 Vcc la entrada (S) del biestable pasa a nivel bajo, pero no afecta a la salida del biestable hasta que la entrada (R) se encuentre a nivel alto. La tensin de carga del condensador seguir aumentando y cuando adquiera una tensin igual o superior a (2/3)Vcc la entrada (R) del biestable pasar a nivel alto. En este mo-mento, R = 1 y S = 0 producindose el basculamiento del biestable, lo que provoca que la salida Q = 1. En estas condiciones el buffer invierte la seal, y provoca que en la salida (3) del circuito tengamos un nivel bajo, o potencial 0. Este cambio de estado de la salida (3) produce la saturacin del transistor, poniendo a un potencial de aproximadamente cero voltios el terminal de descarga (7) y el condensador comenzar a descargarse por R2 y el transistor. Inmediatamente la entrada (R) del bies-table pasa a nivel bajo, pero no afecta en la salida (R = 0 y S = 0), por lo que el con-densador sigue descargndose hasta que la tensin en sus bornes sea igual a (1/3)Vcc, momento en el que la entrada (S) del biestable pasar a nivel alto. En este instante R = 0 y S = 1 por lo que el biestable bascular, pasando la salida Q = 0 la salida (3) del circuito a nivel alto por el efecto del buffer. El transistor pasar al estado de corte, repi-tindose el ciclo de forma indefinida. Si aplicamos la frmula genrica para evoluciones exponenciales a la tensin en el con-densador C1 o terminal 6 (Umbral o Threshold) cuando se carga a su valor mximo (2/3 de Vcc) y teniendo en cuenta la constante de tiempo de carga 1:

/)( tfinalinicialfinal eVVVv

1/1

3

1

3

2 teVccVccVccVcc

De donde:

1212ln2ln11 CRRt Por otro lado, si ahora consideramos la descarga del condensador C1 cuando hasta que alcanza su valor mnimo (1/3 de Vcc) y la correspondiente constante de tiempo de des-carga, tendremos:

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2/203

20

3

1 teVccVcc

De donde:

122ln2ln22 CRt El perodo de la seal de salida ser:

12212ln21 CRRttT Y la frecuencia de salida:

122144.11

CRrTf

Un parmetro til al disear generadores de impulsos con el 555 es el ciclo de trabajo (duty cycle). Este parmetro se define como el cociente entre el tiempo que est la salida en nivel alto y el perodo de la seal.

221

21

21

1

RR

RR

tt

tCT

En el caso de que R1 = R2, se cumplir que t1 = 2 t2 Con el 555 fundamentalmente se generan ondas rectangulares. Ajustando los valores de R1 y R2 podremos obtener ciclos de trabajo de algo ms del 50% hasta valores cercanos al 100%. Es decir, podremos generar seales casi cuadradas haciendo que R1

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La figura siguiente proporciona informacin acerca de la frecuencia de la seal de salida en funcin de la capacidad del condensador C1 y la relacin (R1+2R2).

3. Oscilador controlado por tensin. Un oscilador controlado por tensin, VCO (Voltage Controlled Oscillator) es un dispositi-vo que proporciona una salida oscilante siendo su frecuencia una funcin de la tensin de entrada aplicada al mismo. Normalmente se desean dependencias lineales con esta tensin de control, sin embargo, relaciones no lineales son tambin de gran inters prctico, puesto que pueden permitir un mayor rango de variabilidad de la frecuencia de oscilacin. La figura siguiente muestra una configuracin como VCO del 555. En ella se destaca co-mo novedad con respecto a la configuracin astable, el hecho de que el terminal de con-trol aparece conectado a un potencimetro, de manera que la tensin que pongamos

aqu, VCTRL, fijar las entradas a los comparadores o1 y o2 de la siguiente forma: en-

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trada V(-) de o1 al valor VCTRL y entrada V(+) de o2 al valor VCTRL/2 (ver esquema del 555 en el apartado Descripcin).

Si aplicamos la frmula genrica para evoluciones exponenciales a la seal en el terminal 6 (Umbral o Threshold):

/)( tfinalinicialfinal eVVVv

Y teniendo en cuenta que las constantes de tiempo del circuito son:

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1211 CRR 122 CR

Obtendramos el siguiente perodo de oscilacin:

21 ttT

Siendo:

CTRL

CTRL

VVcc

VVcct

2/ln11

2ln22 t

4. Operacin como monoestable. El circuito de la figura muestra la configuracin monoestable ms bsica para el 555.

Cuando la entrada de Disparo (Trigger) del circuito es ligeramente inferior a Vcc/3, el com-

parador o2 proporcionar una salida alta 1 (ver esquema del 555 en el apartado Descrip-cin), lo que produce un SET en el biestable poniendo su salida Q a 0. El transistor de des-carga pasa al estado de corte provocando la carga del condensador C1 a travs de la resis-tencia R1 (el terminal Umbral o Threshold se ha unido con el terminal de Descarga con este propsito).

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Este proceso de carga hace que la tensin en el terminal Threshold vaya subiendo. Cuando

suba por encima de (2/3)Vcc, el comparador o1 proporcionar una salida alta 1, lo que provoca un RESET en el biestable poniendo su salida Q a 1, saturando el transistor y fijan-do en el terminal de Umbral o Threshold (6), unido al de Descarga (7), un potencial prcti-camente cero. Esto provoca una descarga muy rpida del condensador C1 ya que se descar-ga solo a travs de este transistor. El ancho del pulso de salida puede calcularse de manera anloga a cmo se ha hecho en ca-sos anteriores y resulta ser:

3lnSALt

Observa que dejamos libre el terminal de Control, de manera que el umbral de duracin del pulso queda fijado a (2/3)Vcc. El condensador de 10 nF aadido solo se incluye para filtrar ruido en la ten-sin de control.

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Procedimiento:

a) Configuracin astable.

Para el circuito de la figura y las combinaciones de resistencias que se muestran en la tabla, encuentra cules seran los valores esperados para la frecuencia de oscilacin y el ciclo de trabajo (duty cycle) del oscilador.

Monta el circuito para los valores que aparecen en la primera fila de la tabla y mide el perodo3 de la seal de salida, as como el ciclo de trabajo. Anota los resultados en la tabla.

R1 (k) R2 (k) fteo Dfteo fexp Dfexp

10 100

100 10

10 10

Observa la tensin entre los bornes del condensador conectado al terminal 6 (thres-hold) y mide sus valores mximo y mnimo. Coinciden con lo que esperabas medir? De qu tipo es la forma de onda que observas? Dibuja el resultado en la grfica si-guiente.

3 Este valor te permitir obtener la frecuencia.

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V/div: _______ s/div: _______

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b) Oscilador controlado por tensin.

Monta el circuito de la figura y observa la forma de onda de la seal de salida en el osciloscopio.

Vara la resistencia ajustable para modificar el valor de la tensin en el terminal de

control del 555. Se produce el fenmeno de control de frecuencia mediante una tensin? Anota los valores mnimo y mximo de frecuencia que puede producir.

Usa un voltmetro para medir la tensin en el terminal de control. Genera 10 valores distintos de tensin de control lo suficientemente separados para cubrir todo el ran-go de variacin de la misma y tome los valores de frecuencia a los que oscila el circui-to. Representa grficamente frecuencia/tensin y comenta las similitudes y discre-pancias con lo que esperabas segn el desarrollo de la prctica.

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c) Configuracin monoestable.

La figura siguiente muestra un 555 conectado como monoestable. El montaje incluye un Trigger Schmitt con un amplificador operacional 741 para general la seal de dis-paro.

Conecta el generador de seales a la entrada inversora del amplificador operacional.

Selecciona una seal senoidal de 1 kHz de frecuencia y ajusta su amplitud hasta que la salida del disparador tenga un duty cycle aproximado del 90%, es decir, que est en alto el 90% del perodo.

Una vez obtenida la seal de disparo adecuada, mide el ancho del pulso de salida pa-ra el primer valor de R1 en la tabla siguiente.

Repite el procedimiento para el resto de los valores de la tabla.

R1 (k) tSAL (terico) tSAL (experimental)

20

47

56

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d) Duty Cycle 50%.

Ya hemos visto que un problema que presenta la configuracin astable es el hecho de producir seales cuadradas con un duty cycle distinto del 50%. Para solucionar esto, existen otras configuraciones algo ms complejas. Entre ellas se proponen dos.

Una de ellas es la mostrada en la figura siguiente. Explica su funcionamiento y deter-mina los valores que deben tomar las resistencias R1 y R2 para conseguir un ciclo de trabajo del 50%.

La segunda configuracin se muestra en la figura siguiente. Monta el circuito y de-

termina los tiempos que caracterizan a la seal de salida.