El oscilador 555 CIRCUITO OSCILADOR 555 1.- Introducción Nos proponemos estudiar a fondo uno de los chips más famosos desde su desarrollo; el circuito integrado 555. Desde su lanzamiento en 1972, por la compañía Signetics, ha sido utilizado en un gran número de sistemas electrónicos, tanto en sistemas de control industrial como en fabricación de aparatos electrónicos de consumo. Además de un gran número de aplicaciones, en todo este tiempo ha tenido un gran número de cambios. Su nombre se debe a la presencia internamente de resistencias de 5k cada una, que forman un divisor de tensión. 3 La gran importancia que conlleva el diseño de este circuito es su gran versatilidad, ya que es un circuito universal generador de pulsos que se adapta a diversas condiciones de trabajo, lo que unido a su económico precio lo convierten en un pequeño/gran componente a tener en cuenta por todos los diseñadores. En los próximos apartados estudiaremos más a fondo todos los aspectos que lo caracterizan. 1/18 El oscilador 555 2.- Descripción del circuito y características El circuito 555 se presenta normalmente en un encapsulado DIP de 8 patillas, aunque también es posible encontrarlo en encapsulado metálico, y cada vez menos en otros formatos menos utilizados. El encapsulado metálico se suele utilizar en aplicaciones militares e industriales principalmente. El chip está compuesto internamente por 23 transistores, 2 diodos y 12 resistencias, aunque nosotros estudiaremos una versión esquematizada. Estas características son tal cual para el modelo estándar, ya que, diversas compañías se han preocupado de modificarlo para adaptarlo a sus necesidades, creando así una gama de circuitos 555 modificados. Una de sus características más útiles es su rango de alimentación, que va desde 4,5v hasta 18 v, pudiendo además manejar corrientes de salida de hasta 200mA. Gracias a este rango el circuito es versátil, pudiendo trabajar externamente con lógicas como TTL o CMOS, además de impulsar relés, zumbadores y otros componentes. 2.2 Esquema eléctrico del 555 Puede trabajar con dos modos principales de trabajo: modo astable y monoestable. Dedicaremos un apartado de este documento al funcionamiento de ambos modos. - La descripción de las patillas es la siguiente: La patilla 1 es la conexión a tierra del circuito. La patilla 2, llamada entrada de disparo, se utiliza para trabajar en modo monoestable. Más adelante explicaremos su cometido. La patilla 3, es la salida del circuito. La patilla 4 sirve de señal de Reset, que normalmente se conecta directamente a Vcc. 2/18 El oscilador 555 - - La patilla 5, o entrada de modulación, sirve para producir modulación por anchura de pulsos (PAM). Es un uso particular del circuito, que explicaremos más adelante. La patilla 6, o señal de alcance máximo, se utiliza conjuntamente con la patilla anterior. La patilla 7, o descarga, se utiliza para descargar un condensador externo que se coloca en los distintos modos de trabajo. Por último, la patilla 8 será la alimentación (Vcc). Vamos a ver el funcionamiento a un nivel más interno. La fuente de alimentación se suele conectar a un circuito pasivo RC exterior, que proporciona descargando el condensador una señal de tensión que depende del tiempo. Ya dentro del circuito, la entrada de Vcc va a un divisor de tensión. Este divisor de tensión lleva al comparador B una señal de 1/3·Vcc, que será comparada en este componente con la tensión de la entrada 2 (disparo). El mismo divisor de tensión ofrece a la entrada del comparador A una señal de 2/3·Vcc, que será comparada contra la tensión de alcance máximo.(6) 2.1 – Esquema interno del circuito 555 Por otro lado, la señal 5, se utiliza para producir modulación por anchura de pulsos. La patilla 7 servirá para descargar un condensador externo cuando el transistor T1 se encuentra en saturación. Otra forma de descargarlo será polarizando el transistor 3/18 El oscilador 555 T2. Para ello se utiliza la patilla 4 (Reset). Si no queremos que se descargue antes de tiempo el condensador, debemos conectar esta patilla a Vcc, para mantener en corte al transistor T2. La salida del circuito (patilla 3) es la salida de una puerta inversora, lo que le da un alto nivel de versatilidad al 555, ya que la corriente máxima que se puede obtener será de 200 mA. Las salidas de ambos comparadores están conectadas al Reset y Set de un Flip-Flop de tipo SR. La salida de este flip-flop sirve de entrada al amplificador de corriente. Mientras que la tensión en la patilla 6 sea más pequeña que el nivel de voltaje con el que se compara (dependerá del nivel de la patilla 5, modulación), la entrada Reset del FF no se activará. Por otra parte, mientras que el nivel de tensión presente en la patilla 2 sea más grande que el nivel contra el que se compara (1/3 de Vcc), la entrada Set del FF, no se activará. El modo de trabajo a un nivel global no da una idea buena sobre las prestaciones del circuito. Deberemos estudiar más a fondo los dos modos de trabajo particulares del 555 para comprender su extendido uso. 4/18 El oscilador 555 3.- MODOS DE TRABAJO Como vimos anteriormente, para comprender la versatilidad de este circuito, deberemos antes entender sus modos de trabajo, independientemente. El 555 puede trabajar de dos formas principales: como multivibrador u oscilador astable y como multivibrador u oscilador monoestable. • Oscilador astable Un circuito oscilador astable es aquel que cambia de estado con un cierto periodo. Por decirlo de otra manera, puede funcionar como un reloj, dando una señal cuadrada de una frecuencia que estará determinada por los componentes externos que le conectemos. Estudiémoslo paso a paso. Para hacer el oscilador astable, necesitamos dos resistencias y un condensador. 3.1 – Oscilador Astable Inicialmente contamos con que C está descargado, la salida se encuentra a nivel alto, la salida /Q del biestable se encuenta a nivel bajo y el divisor de tensión proporciona 1/3 Vcc en la entrada del comparador B y 2/3 Vcc en la entrada del comparador A. El condensador C empieza a cargarse a través de Ra y Rb. Cuando alcanza una tensión superior a 1/3 Vcc, (t 1) la salida del comparador B pasa a nivel bajo, lo que lleva un 0 a la señal de Set del Flip-Flop. En este momento no pasa nada. El condensador sigue cargándose, hasta que llega a un nivel de 2/3 Vcc, (t 2) lo que lleva al “comparador A” a que de una salida positiva, llevando por lo tanto un ‘1’ a la entrada del Reset del flip- 5/18 El oscilador 555 Opcional 3.2 Oscilador Astable (esquema completo) flop. Eso conlleva a este a poner un ‘1’ en /Q, lo que convierte la salida del circuito en un ‘0’. Al llegar a este punto, tenemos, un ‘1’ a la salida /Q del FlipFlop, y un ‘0’ a la salida del circuito. El ‘1’ del FF hace que el transistor T1 entre en saturación, lo que conlleva a que el condensador empiece su descarga a través de Rb. Cuando la tensión en C es menor que 2/3 Vcc, el comparador A se satura negativamente, llevando un ‘0’ a la entrada Reset. Todavía no cambia el estado del FF. Pero cuando la tensión en el condensador es menor que 1/3 (t 3) Vcc, el comparador B cambia de nivel, lo que coloca a la salida /Q del FF a nivel bajo, y, por lo tanto, la salida del 555 a nivel alto. Hemos llegado al punto de partida. Para saber los periodos de trabajo y los tiempos de carga y descarga, estudiaremos la señal en el condensador. 6/18 El oscilador 555 • Temporización: Podemos observar 3 periodos de tiempo fundamentales en un ciclo de trabajo astable. Como hemos podido comprobar, estos tiempos dependerán del tiempo que tarda en cargarse y descargarse el condensador externo C. Partimos del tiempo de carga del condensador: V=Vcc(1-e -t/RC ) donde V es la tensión en bornes del condensador y Vcc es la tensión del generador. Para t1: Vcc/3 = Vcc (1-e -t1/RC ) è t 1=R·C·ln(3/2) Para t2: 2·Vcc/3 = Vcc (1-e -t2/RC ) è t 2=R·C·ln(3) Para estos dos casos R=Ra·Rb Para la descarga del condensador tenemos que t=t 3 – t2 Vcc/3=2·Vcc/3 · e-(t3-t2)/R·C è t 3 – t 2 = R·C·Ln2 Con R=Rb, ya que la resistencia Ra no influye en la descarga. 3.3 7/18 El oscilador 555 El periodo de la señal de salida será: T=(t 3 – t1) = (t3 – t 2)+(t 2 - t1) T= C·(Ra + 2Rb)·Ln2 F=T-1=1.44/C·(Ra+2Rb) Hay dos aspectos que debemos tener muy en cuenta: - En primer lugar, la frecuencia resulta independiente de la alimentación del circuito, y únicamente dependerá de los componentes externos asociados al circuito. Esto es un factor importante, ya que la calidad de la señal de salida será la misma sin importar para qué lógica la utilizamos. - En segundo lugar, el periodo de descarga será siempre menor que el de carga, por lo que el ciclo de trabajo (duty cicle) de la tensión de salida será siempre menor al 50%. Para reducirlo, podríamos añadir un diodo en paralelo con Rb. De este modo, durante el periodo de carga actúa únicamente Ra y durante la descarga Rb, pudiéndose ajustar independientemente los tiempos de bajada y subida, y, por lo tanto, el ciclo de trabajo. En cualquier otro caso, el ciclo de trabajo será (t 2-t 1)/T Ciclo de trabajo=[(1+Rb)/(Ra+Rb)]-1=(Ra+Rb)/(Ra+2Rb) 3.4 Circuito astable mejorado • Oscilador monoestable Este es el otro modo de trabajo más importante del integrado 555. Se basa en la producción de un pulso de salida de una duración determinada por los componentes externos (recordemos que es una de las características más importantes de este circuito), que será producido por un estímulo externo. Vamos a ver su funcionamiento. 8/18 El oscilador 555 Para el oscilador monoestable, hace falta una resistencia y un solo condensador. 3.5 Circuito monoestable básico Partimos de que la salida es un ‘0’ lógico. El condensador C está descargado, por lo que T1 deberá estar en saturación, y la salida /Q del biestable a nivel alto. 3.5 Esquema completo del oscilador monoestable Para empezar a funcionar, deberá existir en la entrada de disparo (2) una señal con una tensión menor que 1/3 Vcc, con lo que 9/18 El oscilador 555 el comparador B se satura positivamente, es decir, la señal Set=1, lo que hace que el biestable de un 0 en /Q. Así el transistor T1 pasa de saturación a corte, empezándose a cargar el condensador C a través de Ra. Cuando la tensión en el condensador alcanza 2/3 Vcc, el comparador A se satura positivamente, lo cual hace que el biestable vuelva a cambiar de estado, pasando a poner un ‘1’ en su salida /Q. Esto implica: - Vsalida a nivel bajo. - T1 pasa a saturación. El condensador se descarga a través de T1 y el comparador B se satura negativamente, con lo que el circuito vuelva a donde empezamos, a la espera de un nuevo pulso. Obsérvese que si en mitad del pulso llegara un nuevo disparo, no ocurriría nada. El tiempo característico del monoestable está relacionado con el periodo de carga del condensador, que a su vez depende únicamente de componentes externos. 2·Vcc/3 = Vcc(1-e -T/RC ) è T=Ra·C·Ln3 3.6 Gráfica del modo monoestable 10/ 18 El oscilador 555 4. MONTAJES CLÁSICOS Para profundizar en el estudio del funcionamiento del temporizador 555 vamos a estudiar varias configuraciones de montajes clásicos y típicos. • Modulador por posición de pulso Este circuito se realiza en la configuración astable. Su fundamento está en que el voltaje de la patilla 5 (modulación) no es constante como hemos visto anteriormente, sino que varía con el tiempo (en nuestro caso ponemos el ejemplo de una onda triangular). De ese modo la tensión del condensador no se compara con 2/3 Vcc, sino que lo hace con el valor instantáneo de la onda triangular. Cuanto mayor sea este valor, más tardará la tensión del condensador en alcanzarlo, por lo tanto la duración del pulso es mayor. 4.1 Modulador por posición de pulso Cuando el valor en la patilla 5 es negativo, (semiciclo negativo de la onda triangular) la salida está en nivel bajo, ya que el 555 no trabaja con tensiones negativas. Por tanto, la salida del comparador A siempre estará en el nivel alto, lo que implica que el biestable también lo hará. Así pues T1 está siempre en saturación y el condensador nunca llega a cargarse. 11/ 18 El oscilador 555 • Circuito modulador por anchura de pulso Otra aplicación dentro del extenso campo de la modulación es la de modular una señal dependiendo de la anchura de sus pulsos, y no de la posición de estos. Igual que en el circuito anteriormente expuesto, podemos lograr este propósito aplicando una señal al conector 5, que será la entrada a modular, solo que esta vez utilizamos el oscilador en modo monoestable. En la patilla de disparo (2) pondremos un tren continuo de pulsos. Dependiendo del valor en tensión de la entrada (5) obtendremos pulsos de más o menos ancho. (vease figura) 4.2 Modulador por anchura de pulso • OSCILADOR CON CICLO DE TRABAJO 50% Como vimos anteriormente cuando estudiamos el modo astable, el ciclo de trabajo de la salida no será del 50%, ya que el tiempo de descarga del condensador externo será menor que el de carga. Existe, sin embargo, una manera de hacer que estos dos tiempos sean iguales. Simplemente habrá que cambiar la posición de las resistencias conectadas al circuito, y ponerlas tal y como está el esquema. Como vimos antes, el tiempo que está la salida en alto es de: t1= 0.693·Ra·C Con la configuración aconsejada, conseguimos que el tiempo que está la salida en bajo, que es de: 12/ 18 El oscilador 555 t2= [(Ra·Rb)/(Ra+Rb)]·C·Ln[(Rb-2Ra)/2Rb-Ra)] sea igual a t1è t 1=t2 4.3 Astable con un ciclo de trabajo del 50% Debemos de tener en cuenta que el circuito no oscilará si Rb es mayor que ½·Ra, ya que la unión de Ra y Rb no llevaría al pin 2 a 1/3 de Vcc, lo que a su vez haría que el comparador interno no se disparase. • Temporizador secuencial Muchas aplicaciones, tales como ordenadores, requieren señales para las condiciones iniciales durante el arranque. Otras, como equipos de testeo, requieren la activación de señales de test secuencialmente. Para estas tareas podemos usar estos circuitos temporizadores secuenciales. Los osciladores pueden ser conectados en varias combinaciones de astable y monoestable, con o sin modulación, para un control de forma de onda extremadamente flexible. 4.4 Circuito secuencial 13/ 18 El oscilador 555 Salidas para el circuito secuencial • Circuito anti-rebote Una posible aplicación del 555 es la de circuito anti-rebote. Realmente no es una aplicación utilizada, ya que los circuitos antirebote normalmente utilizados son más simples y, por lo tanto, más baratos. No obstante, este circuito tiene un alto nivel educativo a la hora de comprender mejor el funcionamiento del integrado. Lógicamente, utilizaremos el modo de trabajo respondiendo al estímulo nuestro 555. monoestable, El circuito de la figura, más concretamente, nos muestra un antirebote que dará a su salida (tras presionar el pulsador) un pulso de 0.1 segundos. Es un clásico montaje monoestable. 4.5 Circuito anti-rebote 14/ 18 El oscilador 555 • Detector de pulso perdido Este circuito muestra a un oscilador en modo monoestable que está siendo continuamente redisparado por una serie de pulsos entrantes. Cuando uno de esos pulsos se retrasa o no llega, el circuito lleva su salida a nivel bajo hasta que un nuevo pulso llega a la entrada. Se suele usar en sistemas de alarmas y testeadores de continuidad, así como en aplicaciones de comunicaciones sícronas. 4.6 Detector de pulso perdido 15/ 18 El oscilador 555 5.- EXTENSIÓN DEL 555 Ya que conocemos bien el funcionamiento del oscilador 555, vamos a hacer una breve reseña a dos modelos existentes del integrado. • Circuito integrado 556 El 556 se puede considerar primo-hermano del 555, ya que realmente es un integrado, generalmente de 14 patillas que contiene interiormente dos 555. Su utilidad es lógica, ya que para la mayoría de tareas complejas del circuito, se suelen utilizar varios integrados 555. Con la utilización del 556, conseguimos una reducción en los costes y espacio. 5.1 Esquema externo del integrado 556 • Circuito 555 versión CMOS Debemos señalar que existe la versión del integrado 555 fabricada con tecnología CMOS. Esta versión permite un tiempo de trabajo más eficaz, así como un consumo muy inferior de potencia. Incluimos un esquema muy básico de esta versión CMOS. Nos permitimos el no explicar su funcionamiento, ya que no difiere apenas del ya visto, y sería redundar demasiado en el tema. 5.2 Circuito 555 versión CMOS 16/ 18 El oscilador 555 6.- CONCLUSIONES FINALES El circuito 555 fue en su tiempo un gran avance dentro del campo de la circuitería integrada. Un oscilador cuyos parámetros de temporización solamente dependieran de parámetros externos, ofrecía todo un universo de posibilidades a la hora de realizar nuevos y modernos diseños en la era de la integración. Sin embargo, esta gama de posibilidades se veía limitada debido a una serie de restricciones técnicas, que pasamos a detallar y explicar: - - - La frecuencia máxima en modo astable es del orden de 1 Mhz. En las versiones más modernas (CMOS), puede llegar a los 3 MHz, velocidad que hoy en día es ridícula comparada con la velocidad de los sistemas actuales, que se mide por Gigahercios. Su precisión en modo astable es del 1%. Esto conlleva a que en tareas que precisen una temporización más apurada se pasen a usar osciladores de cristal de cuarzo, lo que nunca ha afianzado al 555 como oscilador por excelencia. Su impedancia de salida es muy baja (10Ω), lo que hace posible que el oscilador alimente a su salida un pequeño altavoz (8Ω). Hoy en día su uso se destina a tareas que precisen una temporización poco estricta, como puede ser el cierre de la puerta de un ascensor, que deberá permanecer abierta unos segundos. También se emplea en aparatos destinados al ocio, como generador de tonos para realizar ruidos de ciertas frecuencias. Entre los aficionados a la electrónica es un circuito útil y valioso para diversas tareas. 17/ 18 El oscilador 555 ANEXO A: Componentes internos. El comparador y el Flip-Flop RS - Comparadores Ofrecen a su salida dos estados perfectamente diferenciados (alto y bajo) en función de las tensiones aplicadas a sus entradas (+ y -), de tal forma que: Si V(+) > V(-), la salida toma nivel alto Si V(-) > V(+), la salida toma nivel bajo No se contempla el caso en que V(+)=V(-), ya que una pequeña variación entre ambas partes hace que la salida tome el nivel determinado por el sentido de dicha variación. El tema de los comparadores es algo muy amplio, en el que no vamos a profundizar más por razones obvias. - Flip-Flop RS Es un biestable con dos entradas (R y S) y dos salidas (Q y /Q, donde /Q es la inversa de Q). Se caracteriza principalmente porque, al llevar un ‘1’ a su entrada R, la salida Q tendrá un ‘0’. Sin embargo, si llevamos un ‘1’ a la entrada S, la salida Q tendrá un ‘1’. Otra de las características de este biestable es que, al llevar un ‘0’ a ambas entradas, conservará el último valor establecido en sus salidas. 18/ 18