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RADIO INSTITUTO 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.
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. 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. 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. 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.
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). 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 Luego, en el próximo cambio
del flip flop, se produce lo contrario; estando
la salida 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.
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 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.
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. RADIO INSTITUTO
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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 
