Aplicaciones Del 555

Técnicas Experimentales en Electrónica © Dpto. de Electrónica y Electromagnetismo

El Temporizador 555En esta práctica se pretende ilustrar las innumerables aplicaciones y configuraciones del circuitointegrado temporizador 555. Este es un circuito de amplio uso en la práctica, por lo que un buendesarrollo y comprensión de la misma pueden serle de gran utilidad durante el diseño desistemas electrónicos reales. Se montarán y medirán distintas configuraciones del 555 queconvertirán al sistema en un astable o en un monoestable. Asimismo se exploraránconfiguraciones de osciladores controlados por tensión.

1. Introducción Teórica

El objetivo de esta práctica es el estudiode las diversas posibilidades de uso que nosproporciona el IC555. En primer lugardebemos aclarar que el IC555 es un circuitorelativamente complejo. Contiene un total de27 transistores bipolares y 10 resistencias,que sirven para constituir un par decomparadores, un biestable RS y un circuitode descarga (ver Fig. 1). Lo más usual es quetodos estos componentes vengan contenidosen un único circuito integrado “chip” (ver Fig. 2), de ahí las siglas IC(Integrated Circuit) en el título de la práctica. También es lo más común en lapráctica, que este circuito integrado venga suministrado en una cápsula deplástico de 8 terminales —cuatro a cada lado. Para comprender elfuncionamiento básico del circuito es imprescindible que comprendamosprimero la operación que realiza el biestable o “flip-flop” RS.

1.1. Flip-flops RS

La Fig. 3 muestra el símbolo del biestable RS. Básicamente, éste es uncircuito dinámico —su salida depende no solo de las entradas actuales sino de lahistoria anterior— no-lineal de segundo orden. Este circuito tiene 6 terminales.Dos terminales de alimentación, para polarización positiva y negativa, dosterminales de entrada R y S, y dos terminales de salida, Q y Q. No entraremosaquí a estudiar el funcionamiento interno y las rutas dinámicas de este bloque—cosa que Ud. es capaz de hacer gracias a los conocimientos adquiridos en laasignatura de Electrónica Básica—, sino que describiremos el funcionamientodel mismo a muy alto nivel. A grandes rasgos el comportamiento del circuito es

Fig. 2 Microfotografía del 555

Fig. 1 Esquemático

Fig. 3 Símbolo del flip-flop RS

S

R

Q

Q

10

El Temporizador IC555 2


el siguiente:

• Si se aplica una entrada alta†i (cercana a la tensión de alimentaciónpositiva del circuito) en el terminal de SET “S” mientras que se aplicauna entrada baja†ii (cercana a la tensión de alimentación negativa delcircuito) en el terminal de RESET “R”, produciremos lo que se conocecomo una condición de “set” en el circuito, obteniéndose una salida altaen el terminal Q mientras que obtendremos un valor bajo†iii en Q.

• Por otro lado, una entrada alta en el terminal de RESET y una entradabaja en el terminal de SET, produce un “reset” en el flip-flop de maneraque las salidas resultan Q = 0 y Q = 1.

• Ninguna de las otras dos combinaciones de entrada posibles producecambio alguno de la salida.

1.2. Funcionamiento básico de la temporización

Observe el circuito de laFig. 4., Suponga un estado inicialen el que Q está a “0”. En ese casoel transistor T estará en corte y elcondensador C se cargará a travésde . Observe que laconfiguración del circuito haceque la tensión control sea,

(5.1)

mientras que la tensión thresholdirá creciendo con el tiempo. Enteoría tal crecimiento podría llevaresta tensión hasta ; sinembargo, cuando la tensión dethreshold cruza el valor decontrol, la salida del comparadorse hace igual a “1”, el transistorentra en su zona de altaconducción y descarga, casi demanera inmediata, el condensador.

Hagamos algunos números. Suponga, tal como muestra la Fig. 4, que se aplicaun pulso de duración en la entrada de RESET del biestable. Esto provoca un

i. Lo que se conoce como una entrada a 1.ii. Lo que se conoce como una entrada a 0.iii. El segundo terminal de salida proporciona siempre el valor complementario al del primero; alto => bajo, bajo =>

alto.

Fig. 4 Operación del temporizador

+

−S

R

Q

Q

control

threshold

R1

2R1R2

C

output

output

threshold

T

R

TR

TD

VCC

VCC

R2

Vcontrol2VCC

3-------------=

VCC

TR

1. Introducción Teórica 3


reset del mismo que fuerza Q = “0”. El transistor se apaga y el condensadorempieza a cargarse de acuerdo con la expresión,

(5.2)

de manera que evolucionaría desde hacia .Sin embargo, para , el comparador cambia su salida, SETcambia a “1” y se fuerza Q = “1”, con lo que se descarga el condensador. Eltiempo que ha estado en bajo la señal Q es, claramente, el tiempo que ha tardado

en alcanzar el valor partiendo desde 0, esto es:

(5.3)

que, como podemos ver, resulta independiente de la duración del pulso en elterminal de R del biestable RS.

Una vez comprendido esta operación podemos abordar el estudio delcomportamiento de un temporizador 555 completo.

1.3. Diagrama de bloques del IC555

La Fig. 5 muestra eldiagrama de bloquessimplificado y el pinout†iv

del IC555. Observe que elcomparador tiene susdos entradas accesiblesmientras que elcomparador sólo nosmuestra (al exterior) suentrada negativa. En lamayoría de las aplicacionesprácticas, el nudo controlse deja “flotante”, por loque la tensión de controlviene dada por

(5.4)

En el símbolo del flip-flopRS podemos observar laaparición de un terminalnuevo llamado reset (noconfundir con R). Este

Vthreshold VCC 1 e t τ/––( )= τ R2C=

Vthreshold 0= Vthreshold VCC=Vthreshold 2VCC 3⁄>

Vthreshold 2VCC 3⁄

TD τ ln 3( )⋅=

iv. Disposición de las conexiones accesibles desde el exterior en un circuito encapsulado.

Fig. 5 Esquemático y pinout del 555

S

R

Q

Q

control

threshold

output

T

+

−

+

−

R

R

discharge

VCC

VEE

triggerreset

1

2

3

4 5

6

7

8VEE VCC

trigger

output

reset control

threshold

discharge

Z1

Z2

IC555

R 5kΩ=

R

Z1

Z2

Vcontrol23--- VCC VEE–( )=



terminal bloquea la operación del flip-flop cuando la tensión aplicada es baja.Esta opción, útil a veces, no va a ser usada en esta práctica. Por último losterminales y son las alimentaciones, positivas y negativasrespectivamente, del circuito. Por lo general los 555 trabajan con cualquierdiferencia entre .

1.4. Operación como monoestable

El circuito de la Fig. 6 muestra la configuración monoestable más elementalpara el IC555. El funcionamiento del circuito puede comprenderse fácilmenteen virtud de lo explicado anteriormente.

Cuando la entrada de trigger delcircuito es ligeramente inferior a el comparador en la Fig. 5 proporcionauna salida alta “1”, lo que produce unreset en el flip-flop. El transistor dedescarga T se apaga y el nudo threshold—cortocircuitado con discharge con estepropósito— comienza a cargarse según laley exponencial anteriormente citada

(5.5)

Cuando el proceso de carga hace que latensión threshold suba por encima de

, el comparador proporcionará un valor alto “1” mientrasque dará un valor bajo “0”. Esto creauna condición de SET en el flip-flop demanera que Q = “1”, con lo que elcondensador será descargado muyrápidamente debido a que el transistor Thabrá entrado en la zona de alta conducción. El ancho del pulso de salida puedecalcularse tal como hicimos en (5.3) y resulta ser

(5.6)

Observe que dejamos libre el terminal de control, de manera que el umbralde duración del pulso queda fijado a . El condensador de añadido sólo se incluye para filtrar ruido en la tensión de control.

1.5. Operación como astable

El circuito de la Fig. 7 muestra al 555 en la configuración de oscilador oastable. La operación es fácil de entender. Cuando la salida Q del flip-flop RSestá en bajo, el transistor T está cortado y la tensión threshold crecerá de

VCC VEE

VCC VEE– 4,5 y 16 V

Fig. 6 Configuración monoestable

1

2

3

4 5

6

7

8

output

trigger

IC555

R

C

output

threshold

trigger

TR

TD

23---VCC

VCC

VCC

threshold

10nF

VCC 3⁄Z2

Vthreshold VCC 1 e t τ/––( )=

τ RC=

2VCC 3⁄ Z1

Z2

TD τ ln 3( )⋅≈ 1,1τ=

2VCC 3⁄ 10nF

1. Introducción Teórica 5


acuerdo a la expresión†v:

(5.7)

con lo que la condición de se alcanza en un tiempo,

(5.8)

Una vez alcanzado este valor, elcomparador da una salida alta queproduce una condición de SET en elflip-flop, de manera que el transistor Tentra en la zona de alta conducción yempieza a descargar el condensador C.Observe que esa descarga se produce através de , por tanto la constante detiempo durante esta segunda parte de laevolución temporal estará dada por

. En concreto la evolución dela tensión de threshold es†vi

(5.9)

de manera que el nudo threshold y elnudo trigger —que estáncortocircuitados— se van descargando.Cuando la tensión en el nudo trigger alcanza un valor ligeramente inferior a

, el comparador produce una salida en alto —una condición deRESET del flip-flop RS—, el transistor T entrará en corte y el nudo thresholdempezará a cargarse de nuevo, volviéndose a las condiciones del principio. Deesta forma el circuito proporcionará una salida oscilante, cuyo periodo será lasuma del tiempo de carga (en estacionario —ver nota al pie v) y el tiempode descarga . Este último viene dado por el tiempo que tarda la expresión en(5.9) en alcanzar un valor , partiendo desde

(5.10)

de manera que, substituyendo, se puede llegar a una expresión aproximada parala frecuencia de oscilación de salida,

(5.11)

v. Se ha asumido que inicialmente threshold parte de 0. Tal como muestra la Fig. 7, la operación en estacionario nopartirá de 0, sino de , por lo que se cumplirá .

vi. hace referencia al tiempo medido desde el principio de esta fase de la evolución temporal, .VCC 3⁄ TR τ1ln 2( )≈

Vthreshold VCC 1 e t τ1⁄––( )=

τ1 Ra Rb+( )C=

Vthreshold23---VCC=

TR τ1ln 3( )≈

1

2

3

4 5

6

7

8

IC555

Ra

C

output

threshold

2VCC3

---------------

threshold

10nF

Rb

TR

VCC3

------------

outputTF

Fig. 7 Configuración astable

Z1

Rb

τ2 RbC=

t* t* t TR–=

Vthreshold23---VCCe

t* τ2⁄–=

VCC 3⁄ Z2

TRTF

Vthreshold VCC 3⁄=Vthreshold 2VCC 3⁄=

TF τ2ln 2( )=

fosc1

TR TF+------------------- 1

τ1ln 2( ) τ2ln 2( )+------------------------------------------- 1,44

Ra 2Rb+( )C-------------------------------= = =



Por último hemos de hacer hincapié en el hecho de que este oscilador noproporciona una salida que está el mismo tiempo en alto que en bajo —

. Al cociente entre el tiempo en alto y el periodo se le conoce comoduty cycle o ciclo de trabajo. Ajustando los valores de y podremosobtener duty cycles de algo más del 50% hasta valores cercanos al 100%.

1.6. Oscilador controlado por tensión

Un oscilador controlado por tensión, VCO, (Voltage Controlled Oscillator)es un dispositivo tal que proporciona una salida oscilante siendo su frecuenciauna función de la tensión de entrada aplicada al mismo.

Normalmente se desean dependenciaslineales con esta tensión de control, sinembargo, relaciones no lineales sontambién de gran interés práctico, puestoque pueden permitir un mayor rango devariabilidad de la frecuencia deoscilación.

La Fig. 8 muestra una configuracióncomo VCO del 555. En ella se destacacomo novedad con respecto a laconfiguración astable el hecho de que elterminal de control aparece conectado aun potenciómetro, de manera que latensión que pongamos aquí, , fijarálas entradas a los comparadores y a los valores y ,respectivamente (ver Fig. 5). Así pues,usando la formula genérica paraevoluciones exponenciales,

(5.12)

las evoluciones temporales durante estos tiempos vendrán dadas por

(5.13)

de manera que el periodo de oscilación puede expresarse como ,siendo:

(5.14)

TR TF≠Ra Rb

1

2

3

4 5

6

7

8

IC555

Ra

C

output

threshold

Vctrl

threshold Rb

TR

Vctrl2

-------------

outputTF

Fig. 8 Configuración VCO

control

VctrlZ1 Z2

Vctrl Vctrl 2⁄

y t( ) yfinal yinicial yfinal–( )e t τ⁄–+=

Vthreshold VCCVctrl

2---------- VCC–⎝ ⎠

⎛ ⎞+ e

t n TR TF+( )–τ1

-------------------------------–⋅= τ1 Ra Rb+( )C=

Vthreshold Vctrle

t TF– n TR TF+( )–τ2

-----------------------------------------–= τ2 RbC=

T TR TF+=

TR τ1lnVCC Vctrl 2⁄–

VCC Vctrl–----------------------------------⎝ ⎠

⎛ ⎞= TF τ2ln 2( )=

2. Cuestionario de Autoevaluación 7


2. Cuestionario de Autoevaluación

1. ¿Cuánto vale la tensión de control en el circuito de la Fig. 4?2. ¿Qué debe producirse en el flip-flop, un SET o un RESET, para que el

transistor T entre en conducción?3. ¿Cuál es el valor mínimo de la tensión en el terminal threshold, si se deja

control libre, para mantener el transistor T en conducción?4. Si , el valor mínimo que produce un disparo efectivo en el

circuito de la Fig. 6, es...5. En la configuración astable, para obtener duty cycles cercanos al 50%

debe ser mucho _________________ que .6. ¿Encuentra Ud. alguna limitación al uso de un potenciómetro para fijar la

tensión del nudo control?

3. Montaje Experimental

3.1. Configuración astable

Para el circuito de la Fig. 9 y lascombinaciones de resistencias que semuestran en la Tabla 1, encuentre†vii

cuáles serían los valores esperados parala frecuencia de oscilación y el dutycycle del oscilador.

Usando y ,monte en el laboratorio el circuito de laFig. 9 para los valores de y queaparecen en la primera fila de la Tabla1. Mida el periodo†viii de la señal desalida, así como el duty cycle de lamisma y anote los resultados.

Observe la tensión entre los bornes del condensador conectado al terminalthreshold y mida sus valores máximos y mínimos. ¿Concuerdan con lo que Ud.esperaba medir? ¿De qué tipo es la forma de onda que se observa? Dibuje elresultado en el dibujo de la Fig. 10.

VCC 15V=

RaRb

vii. Se exigirá a los alumnos la presentación de esos resultados antes del comienzo de la práctica.viii. Esto le permitirá obtener la frecuencia.

Tabla 1. Operación astable

10 100

100 10

10 10

1

2

3

4 5

6

7

8

IC555

Ra

output threshold

10nF

Rb

Fig. 9 Montaje astable

10nFVCC 15V= VEE 0V=

Ra Rb

Ra kΩ( ) Rb kΩ( ) fteo DTteo fexp DTexp



Repita las medidas anteriores (pero no vuelva a dibujar sobre la Fig. 10) paralas otras combinaciones en la Tabla 1 y comente si los resultados se ajustan o noa lo esperado.

3.2. Oscilador controlado por tensión

Monte el circuito de la Fig. 11 yobserve el valor de la señal de salida enel osciloscopio.

Emplee un destornillador adecuadopara ir variando el valor de la tensiónen el terminal control del 555. ¿Seproduce el fenómeno de control defrecuencia mediante una tensión?Anote los valores mínimos y máximosde frecuencia que puede producir.

Use un voltímetro para medir latensión en el terminal control. Generediez valores distintos de tensión decontrol lo suficientemente separados para cubrir todo el rango de variación dela misma y tome los valores de frecuencia a los que oscila el circuito.Represente gráficamente frecuencia/tensión y comente similitudes ydiscrepancias con lo que esperaba según el desarrollo teórico de la práctica.

Volts/div.

Secs/div.Fig. 10 Forma de onda para threshold

Fig. 11 Montaje VCO

1

2

3

4 5

6

7

8

IC555

10nF

output threshold 100kΩ

1kΩ 1kΩ

10kΩ

1kΩ

3. Montaje Experimental 9


3.3. Configuración monoestable

En la Fig. 12 semuestra un 555conectado comomonoestable. Elmontaje incluye unSchmitt trigger conun amplificadoroperacional 741para generar laseñal de disparo.

Conecte el generador de señales a la entrada negativa del amplificadoroperacional. Utilice una forma de onda senoidal con de frecuencia.Ajuste el nivel de la onda senoidal hasta que la salida del Schmitt trigger tengaun duty cycle aproximado del 90%; esto es, que esté en alto el 90% del período.Una vez tenga una señal de disparo adecuada, mida el ancho del pulsoproducido por el 555 para el primer valor de en la Tabla 2. Repita elprocedimiento para el resto de valores en la tabla.

3.4. Duty Cycle 50%

Un problema que presenta la configuración astable que hemos vistoanteriormente es el hecho de producir señales cuadradas con un duty cycledistinto del 50%. Para solucionar esto existen otras configuraciones algo máscomplejas. De entre ellas se proponen las dos en la Fig. 13 para que el alumnoprofundice en su modo de operación y montaje —en caso de haber terminadolos montajes anteriores.

Tabla 2. Operación monoestable

(teórico) (experimental)

20

47

56

Fig. 12 Montaje monoestable

1

2

3

4 5

6

7

8

output IC555

Rthreshold

10nF

10nF

+−

+15V

0V

10kΩ1kΩ

741

0V

1kHz

R

R kΩ( ) TD TD



4. Referencias de ConsultaA. S. Sedra, K. C. Smith: “Microelectronic Circuits”. Oxford University

Press

1

2

3

4 5

6

7

8

IC555

Ra

output

10nF

Ra

Fig. 13 Montajes duty cycle 50%

10nF

1

2

3

4 5

6

7

8

IC555 22kΩ

threshold10nF

10nF

51kΩ

output

threshold

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