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CURSO DE CIRCUITOS DIGITALES

LECCIÓN Nº 9

EL CIRCUITO INTEGRADO 555

 

 

VERSIONES STANDARD Y CMOS - VERSIÓN DOBLE (556) - TABLAS COMPARATIVAS - FABRICANTES - ENCAPSULADOS - FUNCIONAMIENTO DE TODAS LAS ETAPAS - CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS - TENSIONES DE REFERENCIA - RELACIÓN DE CICLO Y PERÍODO


 

Este circuito integrado, también denominado "el temporizador 555" es probablemente el de mas alta difusión en el ambiente de la electrónica, se lo encuentra en muchos circuitos de características digitales y también en esquemas analógicos y de control, dada la gran versatilidad operativa que puede lograrse con él.

Bien, vamos a tratar el tema de este importante circuito integrado con la seriedad y profundidad que merece.

El primer integrado de estas características que apareció en plaza fue fabricado por la firma Fairchild y la sigla asignada fue y sigue siendo NE 555, luego aparecieron otros fabricantes y cada uno de ellos le asignó la sigla propia que lo identifica con su empresa.

Por suerte la denominación principal que son los números, son los mismos, por lo que en los comercios se encuentran versiones del mismo integrado y con las mismas características pero con siglas distintas que identifican al fabricante, así por ejemplo se puede adquirir un NE 555, o un LM 555 etc. y tenemos la seguridad de que son iguales.

Desgraciadamente no sucede lo mismo con todos los integrados y aún con los transistores y así es que existen muchos que son iguales eléctricamente, incluso compatibles pin a pin pero tienen siglas y números totalmente distintos, por lo que es imprescindible recurrir a los manuales para buscar un reemplazo.

Mas adelante aparecieron los mismos integrados 555 pero en versión CMOS y fueron dotados de características eléctricas superiores a los 555 comunes como veremos luego, y naturalmente también cada empresa que los fabrica los identifica con siglas distintas, aunque al igual que los comunes también se comportan del mismo modo entre sí.

Hemos confeccionado una tabla con las siglas que cada fabricante identifica a sus integrados, en la que podemos observar la variedad de los comunes y también los CMOS y a que empresa pertenecen. Dicha tabla la podemos ver en la figura 1.

 

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Cualquiera de los esquemas y circuitos de aplicación que veremos en la presente lección, pueden funcionar utilizando indistintamente un 555 común (con transistores) o el de la versión CMOS.

Estos integrados se fabrican en tres tipos distintos de encapsulado, es decir que se pueden conseguir con una cápsula metálica del tipo TO 99, similar a un transistor, en cápsula plástica con 8 terminales y también en plástico pero de 14 terminales.

El mas común y corriente es el de plástico con 8 pines, los otros dos no todos los comercios los tienen.

En la figura 2 damos una imagen de las tres versiones de encapsulados.

Los dos de plástico están vistos desde arriba, que es la forma de presentación en todos los manuales de cualquier integrado, y el de cuerpo metálico está visto desde abajo, o sea desde donde salen los terminales. También en este caso, esta es la presentación en los manuales.

 

En el circuito interno de un 555 convencional se incluyen dos comparadores realizados con sendos amplificadores operacionales (AO) y tenemos acceso a las entradas operativas en los terminales 2, 5, y 6; Un flip flop RS, similar al CD4013 estudiado en este curso, pero además de tener las entradas set y reset normales dispone también de un reset maestro que lo habilita o lo inhibe por completo, según el estado lógico aplicado en la entrada del pin 4; Un buffer de salida, que no es otra cosa mas que un separador que suministra una alta salida de corriente, ya sea para abastecer o para recibir, con la salida en el terminal 3, y un transistor NPN dispuesto como colector abierto con acceso en la patita 7.

En el interior de un 555 CMOS, se encuentran los mismos componentes, pero todas las etapas están realizadas con tecnología CMOS, incluso el transistor NPN ha sido reemplazado por un Mosfet.

 

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En la figura 3 se observa el esquema interno de ambas versiones, luego haremos un análisis de la función de cada etapa.

 

PATITA 1: Corresponde al negativo general del integrado, es decir que se conecta a masa.

PATITA 2: Este terminal controla la entrada inversora del comparador Nº 2, la otra entrada, o sea la no inversora de este AO, (amplificador operacional), está alimentada con el divisor resistivo formado por las tres resistencias de 5K integradas en el interior del circuito. Como estas tres resistencias tienen un valor idéntico, la tensión de alimentación queda repartida en tres partes iguales que podríamos definir del siguiente modo. Entre el pin 1 y el 8, se da el máximo, o sea 3/3, entre el pin 8 y el pin 5 el valor será de 2/3, y entre la entrada no inversora del AO en el interior del integrado (no tiene acceso) y el pin 1 (masa) tenemos el resto que corresponde a 1/3 de la tensión de alimentación. Mas adelante ampliaremos este concepto. Generalmente se utiliza para el disparo o puesta en función del integrado.

PATITA 3: Corresponde a la salida del buffer interior. Suministra o drena hasta 100 ma en el 555 standard y hasta 150 ma en el CMOS.

PATITA 4: Es sencillo darse cuenta de la función de esta patita, sirve para resetear, o poner a 0 el integrado. Ya hemos dicho que este flip flop es similar al CD4013, pero aquí la función de reset se logra con 0, porque la entrada en el flip flop invierte la polaridad aplicada (en el 4013 es con 1 porque no invierte), vea el circulo en la misma entrada que nos indica que hay una inversión. Esto significa que un 1 en este terminal habilita el integrado, y un 0 lo resetea o lo mantiene inhibido.

PATITA 5: Está conectada con la entrada inversora del comparador Nº 1 y alimentada por el divisor resistivo ya mencionado. Según lo que se conecte en este terminal, se pueden modificar o controlar las tensiones de referencia de los comparadores 1 y 2, y de esta forma adelantar o retrasar las conmutaciones de la etapa de salida. Dicho de otro modo, se puede variar la frecuencia o el ancho de los pulsos de salida. Cuando esta patita no se utiliza, y son muchos los casos, hay que conectarla a masa a través de un capacitor de .1 µF, a fin de no dejarla al aire, pues una señal indeseada o espúreo, podría "colarse" por aquí y causar inestabilidades de funcionamiento.

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PATITA 6: Controla la entrada no inversora del comparador Nº 1. Se utiliza normalmente como umbral de conducción, o mejor dicho, de cambio de estado del AO Nº 1. Efectivamente, si en esta entrada se supera el umbral de los 2/3 de la tensión de alimentación, habremos superado los 2/3 de la tensión de referencia presente en la entrada inversora (patita 5) que ya hemos explicado, y en estas condiciones la salida de la patita 3 tendrá un nivel lógico 0. Si por el contrario, el umbral es inferior a los 2/3 de la tensión de alimentación, el operacional adoptará la salida contraria y por lo tanto en la salida de la patita 3 estará presente un nivel lógico 1. En la lección Nº 3 de este curso hemos tratado el tema de los comparadores, también llamados Schmitt Trigger, con AO, podría ser importante que repase esta lección.

PATITA 7: Como se puede observar en la figura 3, corresponde al colector de un transistor NPN en la versión standard, o al drenador de un mosfet en la versión CMOS. Este terminal sirve para descargar un posible capacitor que se conecte en las entradas de los comparadores internos, es decir en el pin 2 y/o en el pin 6.

PATITA 8: Corresponde a la alimentación de +B del integrado y se conecta al positivo de la fuente de alimentación.

Es importante recordar los parámetros de corriente de salida en el pin 3 (hasta 100 ma) y trabajar en lo posible alejados de este límite por las siguientes razones.

Los fabricantes comentan las bondades y flexibilidad de este integrado y dicen entre otras cosas que puede abastecer directamente un relé cuya bobina tenga una resistencia tal que consuma hasta 100 ma. Pero nosotros consideramos que este es un buen argumento publicitario, pero no se sostiene firmemente con las leyes eléctricas, ya que cualquier circuito inductivo, en este caso la bobina del relé, produce una fuerza contraelectromotriz de valores elevados en tensión en cada conmutación.

Esta tensión autoinducida, quedará aplicada a la salida de la patita 3 con el consiguiente riesgo de destrucción del buffer de salida.

Si bien se debe conectar un diodo en oposición en paralelo con la bobina para evitar este efecto, el riesgo existe verdaderamente, por lo que somos partidarios de utilizar un transistor para alimentar dicho relé en todos los casos, y utilizar la salida del pin 3 para atacar la base de este transistor a través de una resistencia.

De este modo se logran notables ventajas como son: Disminución de la corriente de salida del integrado a los valores de la corriente de base del transistor, que puede estar en el orden de 1 a 2 ma. El transistor soporta sin dificultad cualquier remanente que hubiera de la tensión autoinducida, y además cerrará el circuito de la bobina mas efectivamente. Utilizando un simple BC337 (NPN) o bien un BC327 (PNP) disponemos de una corriente superior a los 200 ma para uso constante, y de 800 ma como límite en conmutaciones de corta duración. Por otra parte el costo de estos transistores es muy reducido.

Veamos que sucede en el terminal 3 de salida si se opera en el límite de la corriente que entrega: Vamos a suponer que alimentamos el integrado con una fuente de 12 V.

Si la carga aplicada está activa cuando hay un 0 en la patita 3, es decir que recibe la corriente de 100 ma, el cero ya no será absoluto, y pasará a tener un valor residual positivo de alrededor de 1,7 V.

Si por el contrario, la carga está activa con un 1 en este terminal, o sea que suministra los 12 V, éstos se reducirán a un valor de unos 10,5 V.

Estos valores nos dicen claramente que la salida se encuentra exigida, y si bien la soporta, no es conveniente mantener este estado. Note que en esta condición, si se trata de alimentar la bobina del relé mencionado, ésta quedará alimentada con 10,5 ó 10,3 V, mientras que con el transistor estará con prácticamente los 12 V, de ahí el comentario de que cierra mejor.

Si con ésta salida, además de la situación expuesta (sometida a cargas de 100 ma), tuviéramos que alimentar una entrada de integrado TTL, tendríamos problemas en la interpretación del 0.

La versión CMOS de estos integrados ofrece ventajas importantes con respecto a los 555 standard, en cuanto a consumo propio, suministro y drenaje de corriente de salida, velocidad de actuación etc., por lo que habrá que tenerlos en cuenta en ciertas aplicaciones especiales donde se requiera de alguna de estas características.

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Si bien el precio es superior a los comunes, algunas veces será conveniente su utilización, aunque digamos que en la mayoría de los casos cualquiera funcionará, incluso uno en reemplazo del otro.

En la figura 4 exponemos una tabla con las características eléctricas comparativas de ambas versiones.

 

 

VERSIÓN DOBLE DEL 555 (556)

En muchas ocasiones nos encontramos con circuitos que utilizan para su funcionamiento dos circuitos integrados 555, y a veces más, pues bien, es posible reemplazar un par por uno solo, utilizando para ello el 556.

Este integrado contiene en su interior dos 555 totalmente independientes entre sí, de modo que respetando las patitas que corresponden a las entradas y la salida de cada uno de ellos, se puede realizar el circuito y obtener los mismos resultados.

Generalmente esta es una solución que se emplea cuando el espacio disponible en el circuito impreso es reducido y no da lugar a la colocación de dos 555, porque en definitiva el costo será prácticamente el mismo y la cantidad de componentes a utilizar también.

Esto nos dice que siempre que sea posible es mejor usar dos 555 que uno solo 556, y una razón de peso para esta aseveración es que en caso de que uno de ellos se queme o sufra algún deterioro, se reemplaza éste solamente, mientras que si fuera un 556 habrá que cambiar los dos.

En la figura 5 hemos realizado el esquema interno de un integrado 556 donde se observan las distintas etapas que componen a los dos 555 que contiene, como así también la identificación de sus patitas y la función que cumplen. Note que la mitad lateral de este integrado corresponde a un 555 completo, y la otra mitad al otro.

LAS TENSIONES DE REFERENCIA

Seguidamente vamos a ampliar el concepto sobre las tensiones de referencia que se emplean en los amplificadores operacionales, y que significado tienen las expresiones de 1/3, 2/3, y 3/3 de la tensión de alimentación.

Ya sabemos que en electrónica digital solo son posibles los estados lógicos alto (1) y bajo (0) y que la conmutación entre uno y otro estado debe efectuarse lo mas velozmente posible.

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Digamos de paso, por si alguien tiene dudas, que en la tabla comparativa de la figura 4, el renglón que dice TIEMPO DE SUBIDA, se refiere al tiempo de demora en establecerse el estado alto en las transiciones de 0 a 1, y en el siguiente, que dice TIEMPO DE DESCENSO, se refiere a la demora en las transiciones de 1 a 0, y que como vemos son mucho menores en la versión CMOS, lo que dice claramente que es mas rápido que la versión standard.

Los dos operacionales que utiliza un 555 y que como hemos dicho están dispuestos como comparadores (también denominados Trigger de Schmitt, o Trigger simplemente), se encargan de producir las transiciones antedichas con la velocidad requerida en circuitos digitales.

Estos cambios de estado se producen al comparar las tensiones presentes en la entrada no inversora del primer comparador, con la tensión fija presente en la entrada inversora, y también con la comparación de la tensión de la entrada inversora del segundo comparador con la tensión fija de la entrada no inversora.

Al decir tensión fija, nos estamos refiriendo a la obtenida en la red resistiva que forma el divisor internamente, pero en realidad la posibilidad de variar estas tensiones existe a través de la entrada de control en el terminal 5.

Por ejemplo, si se conecta una resistencia desde este terminal a masa, habrá un desvío de corriente en este punto que reducirá la tensión de referencia proporcionalmente al valor en ohm empleado, y tal reducción afectará a ambos comparadores, dado que los dos están alimentados por la misma red aunque en diferentes puntos.

En la mayoría de los circuitos de aplicación este terminal no se utiliza y se conecta a masa a través de un capacitor de .1 µF (ver patita 5 en página 3).

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Si no se produce ningún desvío de corriente en este terminal, entonces sí podemos decir que las tensiones de referencia son fijas, y que corresponden a 2/3 (dos tercios) de la tensión de alimentación del integrado en el comparador 1, y a 1/3 (un tercio) en el comparador 2.

Esto significa que si alimentamos el integrado con 12 V, las tensiones en la red quedan repartidas en tres partes iguales, porque las tres resistencias tienen el mismo valor (5K), es decir que la caída en cada resistencia es de 4 volt, pero, a no confundirse, midiendo con referencia a masa, en el terminal 5 habrá 8 V (2/3), y debemos suponer, ya que no tiene acceso, que en la entrada no inversora del segundo comparador, hay 4 V (1/3), luego entre masa y el terminal 8, que es la alimentación positiva, hay 12 V, (3/3 - tres tercios).

Si la alimentación fuera de 9 V, las tensiones respectivas serían de 6 V (2/3) y 3 V (1/3). El procedimiento a seguir es tan simple como dividir por 3 la tensión de alimentación para hallar el valor de un tercio.

La forma de actuar de los dos comparadores es la misma, pero debemos considerar la tensión de referencia en cada uno de ellos, y dicha tensión ya hemos visto que es distinta en ambos.

Tomando la alimentación de 12 V, en el primero la referencia es de 8 V, por lo que los cambios de estado en este operacional se producirán cuando la tensión en la patita 6 esté por encima de este valor, y volverá a cambiar cuando descienda de los 8 V.

En el segundo comparador la referencia es de 4 V, por lo tanto los cambios de estado se producirán cuando la tensión en el terminal 2 supere los 4 V, y luego cambiará nuevamente cuando descienda de 4 V.

Las salidas de ambos operacionales se conectan internamente con las entradas set y reset , también internas, del flip-flop y producen los cambios del mismo con una velocidad de actuación que va a depender del circuito externo realizado con todo el conjunto de etapas que componen el integrado.

Estas salidas siempre adoptarán estados complementarios, es decir, cuando una está en 1 la otra estará en 0, de lo contrario, si ambas tienen el mismo estado, el flip-flop no tendrá actuación, porque las entradas set y reset no lo permiten. Vea las primeras lecciones donde tratamos distintos circuitos de flip-flops.

Cada cambio de estado del flip flop produce un nivel alto y uno bajo alternativamente en su salida ; cuando se trata del alto (1) la base del transistor, que es un NPN, se torna positiva y conduce cerrando a masa lo que hayamos conectado en su colector, o sea en el pin 7. Esta misma salida ataca la entrada inversora del buffer de salida, y dada la inversión, la patita 3 estará con nivel 0.

Luego, en el próximo cambio del flip flop, se produce lo contrario; estando la salida en 0, el transistor está al corte, o sea que no conduce, por consiguiente el colector está en circuito abierto, y la salida del pin 3 pasará a 1.

Atención a esta definición; al decir colector abierto, significa que no tiene relación con nada, ni con positivo ni con negativo, es como si no existiera; también se denomina estado de alta impedancia.

No es lo mismo que la salida del terminal 3, que está en un 1 o está en un 0. Por ejemplo, si en la patita 3, cuando está en 0, le conectamos un diodo led con su resistencia de limitación desde el +B, encenderá, y si luego, cuando está en 1, lo conectamos hacia masa, también encenderá.

En cambio, si este mismo diodo led, lo conectamos en la patita 7, o sea el colector del transistor, solo encenderá conectado desde el +B, en el instante que la base sea positiva, con la base negativa, el colector queda abierto y no encenderá en ninguna posición.

De acuerdo a lo expuesto, si se instalan dos led, uno al terminal 3 y otro al terminal 7, y ambos desde el +B, encenderán los dos simultáneamente y se apagarán en el próximo cambio.

En las figuras 6 y 7 se expone un circuito práctico que resume las explicaciones de funcionamiento de las etapas estudiadas.

Es importante que el alumno lo realice y haga las pruebas indicadas y otras que se le puedan ocurrir, siempre con precaución, a fin de comprender bien las acciones que se desarrollan en su interior.

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Al regular el preset, se establecen tensiones de umbral entre 0 V y 12 V, ahora bien, entre los 4 y los 8 V, los dos operacionales estarán con sus salidas en 0 y como ya hemos dicho, en ésta condición

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el flip flop no actúa, siempre deben ser estados complementarios, por lo tanto se establece una indecisión en el mismo que se verá alterada por cualquier ruido eléctrico que se introduzca en las entradas de umbral, porque dicho ruido produce una señal de uno o más pulsos que momentáneamente provocan los estados complementarios necesarios, y lo harán de manera aleatoria en cuanto a los unos y ceros en las salidas de los operacionales por lo que en la salida los diodos led pueden quedar encendidos o apagados.

CIRCUITOS DE APLICACIÓN

Seguidamente veremos varios circuitos de aplicación en los cuales se exponen las fórmulas que sean necesarias para determinar los parámetros de funcionamiento, todo ello con la claridad y abundamiento que nos caracteriza a fin de que el alumno no tenga problemas en su utilización.

 

Hemos decidido mantener la imagen de las figuras anteriores con las etapas internas y la misma disposición de los terminales porque de este modo el alumno apreciará mejor y podrá deducir mas claramente las acciones que se desarrollan, de acuerdo a lo estudiado precedentemente.

En la figuras 8 presentamos un monoestable de tiempo de acción fijo, que se acciona mediante un pulso negativo aplicado en el terminal 2 de disparo. Ya sabemos que un monoestable cambia de estado por un tiempo preestablecido y luego retorna solo a su estado de reposo.

El tiempo de acción de la salida, en el pin 3, lo determina la red formada por R1 y C1, y según los valores que se utilicen se podrá variar entre menos de un segundo y varios minutos.

En realidad el circuito completo termina en los terminales indicados ENTRADA, que es donde se aplica el pulso negativo, luego hemos dispuesto dos resistencias de 10K y un capacitor de .1µF para poder realizar la práctica individual en la plaqueta de ensayos. En línea de puntos vemos que se conectan al terminal 2 y al +B, y luego mediante un alambre de conexiones se efectúan los "toques" a masa para generar el pulso negativo y poner en marcha el circuito.

El diodo led conectado en la salida del pin 3 nos permite visualizar el pulso positivo y el tiempo de sostenimiento, o dicho de otro modo, el tiempo de acción del monoestable.

Seguidamente veremos las fórmulas de aplicación para este circuito; las hemos preparado con expresiones en SEGUNDOS para el tiempo, en KILOOHM para las resistencias, y en MICROFARADIOS para los capacitores, porque de este modo las operaciones matemáticas se realizan mas fácilmente.

Las fórmulas para hallar el ancho del pulso de salida (tiempo de acción) que saldrá por la patita 3, para el capacitor y para la resistencia, son las siguientes.

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 El circuito de la figura 9 es el mismo, solo se lo ha dotado de un preset de 1 megohm, que es igual a 1000K para los fines de los cálculos, y de un pulsador de reset. (alambre de conexiones).

Mediante el preset se pueden lograr tiempos de acción mayores porque se suma este valor a la resistencia R1, y con el pulsador de reset se puede anticipar la vuelta a cero en cualquier instante anterior a que lo haga por sí mismo.

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MATRÍCULA ----------------------- NOMBRE Y APELLIDO ------------------------------------------------------------------

CALIFICACIÓN ----------------------------------- CALLE --------------------------------------------------- Nº -----------------

FECHA DE ENVÍO --------------------------CÓDIGO ----------------- LOCALIDAD ---------------------------------------


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EXAMEN DE LA LECCIÓN Nº 9

  1) Si un integrado 555 se alimenta con 15V, que tensión se presenta en la patita 5: A = 5V - B = 8V - C = 10V

2) Si se conecta una carga de 100 ma en la salida (pin 3), hacia masa, con fuente de 12V, que tensiones se obtienen en el estado alto y bajo respectivamente:A = 10,5V y 0V - B = 10,5V y 1,7V - C = 12V y 1,7V

3) Que consumo en reposo tiene un 555 CMOS alimentado con 15V: A = 3 ma - B = 10 ma - C = 500 µa

4) Si conectamos un diodo led desde el terminal 7 hacia masa, sucede que: A = Enciende cuando la salida está en 1 - B = Enciende cuando la salida está en 0 - C = No enciende nunca

5) En las figuras 8 y 9. Que sucede si en la entrada de disparo se realiza un toque a +B: A = No pasa nada - B = Cambia a 1 - C = Cambia a 0

6) En la figura 8. Que tiempo se obtiene si utilizamos para R1 220K: A = 9,4 segundos - B = 10,34 segundos - C = 16,5 segundos

  

RESPUESTAS AL EXAMEN DE LA LECCIÓN Nº 9

PREGUNTAS

1

2

3

4

5

6

A

 

 

 

 

 

 

B

 

 

 

 

 

 

C

 

 

 

 

 

 

Marque con una cruz la casilla que corresponde a la contestación correcta

NUNCA marque dos cruces en una misma columna


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