El Circuito Oscilador 555

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.
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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.
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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.
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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
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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.
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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-
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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.
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•
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.
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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.
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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
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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
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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.
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•
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:
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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
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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
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•
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
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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
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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.
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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.
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