El 555. El circuito más utilizado en 50 años.

Introducción.

Cuando la industria necesitaba un temporizador, lo primero que se consideraba era la precisión en el tiempo, es una base muy importante para determinar los elementos que se debían utilizar en la concepción y diseño de un temporizador.

El ingenio de los técnicos siempre ha conseguido crear temporizaciones con elementos sencillos y la industria ha bebido de ellos, hasta la llegada al mercado del circuito integrado y como consecuencia el NE555, un circuito integrado muy peculiar, del que se ha escrito infinidad de volúmenes y quien sabe cuando se dejará de utilizar.

Una marea de fabricantes, ha estado siempre detrás de este pequeño «temporizador». El temporizador 555 fue desarrollado por la firma Signetics en el 1971 con el nombre SE555/NE555 y se le conoce como el «Circuito Integrado Máquina del Tiempo» (The IC Time Machine).

El temporizador NE555.

El 555 es un temporizador flexible, barato y fácil de encontrar (incluso se puede encontrar, casi, bajo las piedras). Es un buen punto de partida para multitud de proyectos de cualquier índole, debido a que su versátil salida, se puede conectar directamente a una carga a bajo o a alto. Tanto el principiante como el avezado técnico, hacen uso del temporizador 555, para utilizar cualquiera de los circuitos de información del fabricante o el ejemplo que se proporciona en algún tutorial como punto de partida para una demostración en un proyecto. Encapsulado en 8 patillas, este es el aspecto que tiene.

El NE555, es un dispositivo altamente estable, para generar retardos exactos de tiempo corto o generador de oscilación. Se proporciona un terminal adicional, para la activación o reposición (reset) si se desea. En el modo de operación de retardo de tiempo, el tiempo es controlado con precisión, por una resistencia y condensador externos.

Para la operación astable, como un oscilador, la frecuencia de funcionamiento libre y ciclo de trabajo, se controlan con precisión, con dos resistencias externas y un condensador. El circuito se pueden activar y restablecer las formas de salida de onda, y el circuito de salida puede ser fuente o drenador de hasta 200 mA o circuitos de accionamiento TTL.

En la figura que sigue, se muestran las conexiones de las patillas al temporizador 555, que se han tomado directamente de la hoja de datos del temporizador 555. Las conexiones de alimentación al dispositivo se hacen a través de los pines 1 (patilla a masa) y 8 (+ Vcc). La tensión de alimentación positiva (+ Vcc) debe estar entre 5 y 15V.

El dispositivo, contiene en una serie de elementos diferentes: resistencias, transistores, comparadores, un flip-flop, y una etapa de salida que, se pueden ver en la figura que sigue.

 

Las tres resistencias resaltadas en la figura, son de 5k Ohmios. El propósito de estas resistencias es la creación de un divisor de tensión entre Vcc y tierra. Puesto que las tres resistencias tienen el mismo valor, sabemos que el voltaje en la unión entre las resistencias son 2/3Vcc y 1/3Vcc. Estos voltajes se utilizan como tensiones de referencia de los comparadores.

Como sabemos, un comparador es un circuito que compara una entrada, con una tensión de referencia y envía una señal baja o alta en base a, 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» de entrada a un voltaje de referencia de 1/3Vcc y el comparador conectado al pin 6 compara el «umbral» de entrada a un voltaje de referencia de 2/3Vcc del divisor de tensión.

Si, un flip-flop, es un circuito que permite cambiar entre dos estados estables en función del estado de las entradas. El flip-flop del 555, da una salida a alto o a bajo, en base a los estados de los dos 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.

En el diagrama funcional mencionado, también incluye dos transistores. El transistor conectado al pin 7 es un transistor NPN. Puesto que el pin 7 está conectado al pin colector del transistor NPN, este tipo de configuración se denomina colector abierto o drenaje abierto. Esta patilla está normalmente conectada a un condensador y se utiliza para descargar el condensador cada vez que el pin de salida pasa a nivel bajo. El transistor conectado al pin 4 es un transistor PNP. El propósito de este transistor 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.

La etapa de salida del temporizador 555, indicado en las notas del diagrama anterior. Su propósito es actuar como un amortiguador (o búfer) entre el temporizador 555 y las cargas que, pueden estar conectadas a su pin de salida. La etapa de salida proporciona corriente al pin salida, de modo que el otro componente funcional del temporizador 555 no tiene que hacerlo.

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.

Las configuraciones que se pueden lograr con o mediante el 555, son tan extensas que se podría ocupar un largo artículo hablando de ellas y sus posibilidades. Es por este motivo que, en este artículo, voy a describir lo puntos en los que además todas las publicaciones coinciden, resaltando ciertos puntos que considero relevantes para el conocimiento del 555.

Modo monoestable.

Es ideal para crear retardos de tiempo. En este modo, un disparador externo hace que el temporizador 555 genere un pulso de una duración ajustable. Igualmente, el temporizador funciona con un disparador, vea la figura de abajo. El condensador externo está inicialmente descargado por un transistor interno del propio temporizador. Tras la aplicación de un disparo negativo al pin 2, pulso 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, como se explica en el paso anterior, esto 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 R1 y el condensador C1 en la imagen.

Entonces, el voltaje a través del condensador aumenta exponencialmente durante un periodo de T=1,1xR_AxC, al final del cual el voltaje es igual a 2/3 VCC. 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.

Cuando el pin de disparo esta alto, hace que el pin de descarga (pin 7) pase a drenar toda la carga del condensador (C1 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: t = 1,1*R*C.

Para obtener los resultados correctos, los valores de los condensadores, en los cálculos, se deben convertir, de modo que 1uF = 0.000,001 F = 1^-6F.

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 R1 y C1 en la figura anterior. Un ejemplo pondrá de relieve, el cálculo del tiempo de retardo del pulso en la salida del 555 en modo monoestable:

  t = 1,1*R*C
  tiempo en segundos
Si elegimos R = 10Kohms y C = 100uF, tendremos
t = 1.1*10000*0.0001
t = 1’1 seg.

Esto significa que, con una resistencia de 10Kohm 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 Ohms a la salida, se encienda durante 1’1 segundos. La siguiente, es la grafica de este ejemplo.

En la imagen que sigue, disponemos de una herramienta de ayuda muy apropiada para obtener, por ejemplo: el valor aproximado del tiempo del retardo, conociendo los valores del condensador C1 (100uf) y la resistencia R1 (10k), en un monoestable, como en el esquema anterior. El la grafica se muestra el valor de 1’1 s tiempo de retardo.

Nota1. Durante parte de la operación del 555, el pin 7, internamente se conecta a masa 0V, a través de un transistor. Si la resistencia asociada en el circuito es muy baja (potenciómetro se gira), una elevada corriente fluirá a través del transistor y se puede dañar.

Modo astable.

El modo astable está estrechamente relacionado con el modo monoestable (discutido en el apartado anterior), se puede ver que el esquema es casi el mismo, como un multivibrador. La diferencia importante es que, en modo astable, el pin de disparo, pin 2, está conectado a la patilla umbral pin 6, lo que hace que la salida pase a alternar continuamente entre los estados alto y bajo.

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 exactamente recíprocas una de la otra, están lo suficientemente cerca para ser utilizadas sin preocupación.

En realidad, el modo astable, se considera un sencillo generador de frecuencias, cuya frecuencia se puede controlar, modificando el valor del potenciómetro o cambiando el valor del condensador, para cambiar el rango de las frecuencias. Con los valores de los componentes de la imagen de abajo, se puede ver los distintos cambios de frecuencia producidos al variar el porcentaje de VR1. Procurando que se cumpla estos requisitos: R1 > 1K; y C1 > 0.0005uf  La frecuencia se puede calcular con la formula: f = 1/T=1.44 / (R1 +2R2) * C

 Fig. 9

Para simplificar los cálculos usted puede recurrir a visitar esta web.

Si el circuito está conectado como se muestra en la anterior figura (pines 2 y 6 unidos), se disparará a sí mismo, como un multivibrador, funcionamiento libre. El condensador externo, se cargará a través de R1 + R2 y descargará a través de RB. Así, el ciclo de trabajo se puede ajustar con precisión por la relación entre estas dos resistencias.

En este modo de funcionamiento, el condensador se carga y descarga entre 1/3 VCC y 2/3 VCC. Como en el modo de disparo (monoestable), los tiempos de carga y descarga, y por lo tanto la frecuencia son independientes de la tensión de alimentación. El condensador C al que me referiré, se trata del condensador C1, salvo que se indique lo contrario.

El tiempo de carga (salida alta) viene dado por: t1 = 0.7 (R1 + R2) C
Y el tiempo de descarga (salida baja) por: t2 = 0.7 (R2) C
Así, el período total es: T = t1 + t2 = 0.7 (R1 +2R2) C
La frecuencia de oscilación es: f = 1/T=1.44 / (R1 +2R2) * C

Algo complejo, describir los sucesos que ocurren, trataré de explicarlo por partes;

Inicialmente el condensador C está sin carga, por lo que la tensión en el condensador es cero. El voltaje del condensador C, es igual a la tensión en los pines, umbral (pin 6) y de disparo (pin 2), ya que los dos están unidos. Como los pines 2 y 6 están a 0V, la salida estará a alto.

Anteriormente hemos dicho que, cuando el pin de disparo está bajo, hace que el pin de descarga no pueda drenar la carga del condensador. Puesto que el condensador C está en serie con Vcc, R1 y R2, está siendo aplicada la Vcc y la corriente fluirá a través de las resistencias, hasta el condensador, empezando a acumular carga. Esto hace que el voltaje a través del condensador C, aumente de acuerdo con la siguiente ecuación:

  (Tensión en el condensador) = (Vcc – V₀) * (1 – e^{-t /((R1 + R2) * C)})

Donde «tensión en el condensador» es el voltaje actual a través del condensador en el tiempo t, V₀ es el voltaje inicial en el condensador, Vcc es la tensión total aplicada a las resistencias R1-R2, y la capacidad del condensador C.

De modo que, cuando el voltaje a través del condensador C es igual a 2/3Vcc hace que el pin umbral registre un alto (descrito más arriba), que invierte al comparador (dentro del 555) conectado a la patilla de umbral. Esto lleva la salida a bajo y habilita el pin descarga. El tiempo que tarda el condensador en acumular una tensión de 2/3Vcc, viene dada por:

 2/3*Vcc = (Vcc – V₀) * (1- e^{-t /((R1+R2)*C)}), reduciendo. Para V₀ = 0 V, esto viene a ser:

t = 1.1*(R1+R2)*C en segundos.

Estando el pin de descarga activado (pin 7), la carga comienza a fluir, descargando el condensador, a través de R2, y el pin de descarga (pin 7) del 555. Esto, reduce la tensión en el condensador como se describe por la ecuación siguiente:

(Tensión en el condensador) = (voltaje pico en el condensador) * (e^{-t /(R2 * C)})

Donde, la tensión pico en el condensador era el voltaje (2/3Vcc), justo antes de activar el pin 7 de descarga:
(Tensión en el condensador) = 2/3 * Vcc * (e^{-t /(R2 * C)})

El tiempo que se tarda en descargar el condensador desde 2/3Vcc a 1/3Vcc, se obtiene con:

t = 0.7*R2*C segundos

Por lo tanto la duración total de ambos estados, alto y bajo de la salida es:

0.7*(R1+R2)*C + 0.7*R2*C y
0.7*(R1+2*R2)*C en segundos.

Entonces, la frecuencia se calcula como sigue: Frecuencia = 1/(0.7*(R1+2*R2)*C)

De esto, se deduce que, la frecuencia de la salida, se controla modificando los valores de las resistencias R1, R2 y el condensador C. Además, podemos controlar la anchura del pulso de salida (duración en alto, respecto de la duración en bajo), puesto que, la duración del estado alto depende tanto de R1 y R2, mientras que la duración del estado bajo sólo depende de R2.

En realidad, el modo astable, se considera un sencillo generador de frecuencias, cuya frecuencia se puede controlar, modificando el valor del potenciómetro o cambiando el valor del condensador, para cambiar el rango de las frecuencias. Con los valores de los componentes de la imagen de abajo, se puede ver los distintos cambios de frecuencia producidos al variar el porcentaje de VR1. La frecuencia se puede calcular con la formula:

f = 1/T=1.44 / (R1 +2R2) * C

Para los mencionados valores y considerando VR1 como R2, obtendremos los siguientes valores:

Frecuencia de salida = 0.1311819493 Hertzios

Periodo = 7.6229999999 seg.

Salida Alto = 4.1579999999 seg.

Salida Bajo = 3.465 seg.

Duty Cycle = 54.5454 Porcentaje.

Generador de tono.

Respecto a la posibilidad de generar frecuencias, el 555 con la ayuda de unos pocos componentes, nos permite generar frecuencias audibles. Sin embargo, no suele utilizarse como generador de notas, principalmente por su deriva con la temperatura, como ocurre con otros muchos sencillos generadores de frecuencia. Puesto que la música, requiere una máxima estabilidad en la frecuencia fundamental, pero ese es un aspecto que no estudiaremos aquí.

De modo que, tan sólo haremos una incursión en esta faceta de las frecuencias audibles, partiendo del 555. Veremos cómo construir un generador de tonos, aprenderemos que cuando el 555 está en modo astable, la salida del pin 3 es una corriente continua de impulsos llamada onda cuadrada que se puede oír en un altavoz como un tono. Y, aprenderemos cómo construir un circuito generador de tonos con el 555 en modo astable.

Mantengamos el diseño estándar de los esquemas de los circuitos, de modo que el circuito sea fácil de seguir. El objetivo es establecer un circuito de salida para que muestre al instante lo que está sucediendo. Es por eso que todo debe estar en lugares reconocidos. Aquí podemos reconocer que este diagrama es el circuito es un oscilador. El pulsador permite controlar el tono de salida. Es fácil comprender que una red de pulsadores SW1 con su R2, en paralelo a ellos, puede considerarse una especie de xilofón.

Al encender este circuito usted debería comenzar a oír la forma de onda de pulso que viene del 555. Gire el potenciómetro para cambiar la frecuencia de la onda de pulso. Si desea generar una frecuencia particular, trate de cambiar los valores de VR1, R2 y C1.

El circuito que vemos arriba, es un simple generador de tono de onda cuadrada o como lo llama el constructor, generador de ráfagas de tono (tone burst generator). Esta es una configuración entre muchas de las que podemos encontrar. Este, realmente, genera trenes de impulsos que se pueden percibir como un tono, al aplicarlos a un altavoz. Sin embargo, la configuración del esquema más normal, es la siguiente.

Ahora, se comprende que, poner en modo astable el chip 555, significa que el pin 3, enviará una tren continuo de pulsos denominados, señal de onda cuadrada y que en un altavoz se escuchará como un tono. La señal de onda cuadrada, es causa de la continua carga y descarga del condensador C1.

Es fácil identificar el rizado del tren de ondas que envía la patilla 3. En las siguientes imágenes, en el circuito, de la tercera imagen, se ha desconectado el altavoz, por consiguiente, el condensador C2 de salida, no influye en la onda de salida y se aprecia la onda cuadrada respecto de la onda que se muestra en el circuito anterior.

Este proceso se repite, la creación de la señal de onda cuadrada (ver imagen) y se escucha la señal en el altavoz un tono. Al mover el control deslizante de la resistencia variable (VR1). Esto cambia la resistencia del circuito. Dado que la resistencia variable está conectada al pin 7, cambiando la resistencia se controla el tiempo t de la frecuencia.

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Nota2. El pin de reset (pin 4), internamente se conecta a través de 100kOms a nivel alto, pero trabajando en forma de pulsos, no se debe dejar flotando, se puede resetear el chip, de forma parásita.

Nota3. El 555 es muy poco fiable para conseguir largas temporizaciones, con valores por encima de 5 a 10 minutos. No es aconsejable utilizar electrolíticos de gran valor y altas resistencias. La razón es simple, como hemos visto antes, la corriente de carga para el electrolítico C1, está entre 1 y 3 microamperios cuando el electrolítico está empezando a cargar, y cae a menos de 1 microamperios cuando está casi cargado. Si la fuga del electrolítico es de 1 microamperios, nunca se cargará por completo y el 555 permanecerá en «tiempo de espera».

Nota4. No debe conectar un transistor PNP a la salida de un 555. La razón es que, la tensión del pin 3 no se eleva lo suficientemente alta como para desactivar el transistor y la corriente tomada por el circuito será excesiva. En todo caso, utilice un transistor NPN.

Ciclo de Trabajo (Duty Cycle).

El ciclo de trabajo del pulso de una onda, es la relación entre el tiempo paso alto por la duración total del estado alto y bajo. Modificando el circuito, podemos combinar para calcular el ciclo de trabajo del 555. En la grafica, se aprecia la variación de valores del potenciómetro con las ondas, menor resistencia mayor frecuencia y viceversa.

Veamos. Ciclo de trabajo = (tiempo alto) / (tiempo de duración total de los estados alto y bajo), sustituyendo en las ecuaciones del caso anterior, obtendremos:

Ciclo de trabajo = (0,7 * (R1 + R2) * C) / (0,7 * (R1 +2 * R2) * C)

y simplificando:  Ciclo de trabajo = (R1 + R2) / (R1 + 2 * R2)

Modo biestable.

El modo biestable o lo que algunos denominan un disparador de Schmitt, tiene dos estados estables, alto y bajo. 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.

Pulse el botón conectado al pin 2 (trigger). El LED debe encenderse, indicando que la salida se encuentra ahora en un estado alto. Suelte el botón del disparador, la luz permanece encendida. A continuación, pulse el botón de reinicio, esto hará que la salida vaya a bajo y se apaga el LED. Suelte el botón de reinicio, el LED debe permanecer apagado. Ahora, ha 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 sabemos, un flip-flop es un circuito que permite cambiar entre dos estados estables, en función del estado de las entradas.

· El primer estado, es el estado «

bajo

«, que es el voltaje de 0 V de la fuente de alimentación.

 

· El segundo estado es el estado «

alto

«, que es la tensión Vcc en la fuente de alimentación.

En el caso de que el temporizador 555 en modo biestable, las dos entradas son, contactos de disparo y rearme. De forma predeterminada, mediante sendas resistencias, se establecen altos, en modo biestable. Cuando el pulsador de disparo es pulsado, la entrada va a bajo, esto hace que la salida se haga alta (Vcc). La salida se mantendrá en alto aun cuando se libere el pulsador del gatillo, estará en alto de nuevo.

Cuando se pulsa el pin de reset a bajo, la salida pasa a nivel bajo. Una vez más, la salida permanecerá en este estado, incluso si la patilla de reset o reposición se hace alta de nuevo, al liberar su pulsador.

El 555, tiene un ‘hermano’ que se conoce por 556, en el mismo encapsulado tiene dos 555, pero ese, es un tema que no se abordará aquí.

Esto es todo, por este simple tutorial. Como de costumbre serán bien recibidos las opiniones de los lectores.