El circuito de tiempo 555 es uno de los integrados
más útiles y populares, de bajo precio y fácilmente obtenible, que tiene la ventaja de hacer posible la construcción de una gran variedad de "Circuitos multivibradores monostables". En tales aplicaciones la salida del circuito integrado cambia de estado al llegar un pulso de disparo adecuado, pero automática- mente regresa a cero después de un corto intervalo de tiempo. En este artículo mostraremos cómo usar el 555 para formar con él algunos circuitos monostables interesantes y útiles.
EL 555: IDEAS BÁSICAS
El temporizador 555 estándar es un circuito integrado robusto y fácil de usar, que viene encapsulado en un DIP de 8 terminales. Puede usarse con cualquier voltaje de alimentación en el intervalo de +4.5 -+ 16 volts; consume una corriente estática, en reposo, de unos cuantos mi- 1iamperes y puede entregar una fuerte corriente hasta de 200m A, sobre una carga externa conectada a su terminal de salida.
En la fig. 1 se muestra un diagrama funcional del circuito interno, junto con los componentes que lo hacen funcionar como un "temporizador" o multivibrador monostable. Notamos que las resistencias en serie A1, A2 Y A3 forman un divisor de voltaje a partir de la alimentación. Este divisor resistivo ge- nera un voltaje de referencia de 1/3 Vcc aplicado a la entrada no inversora del comparador inferior, y un voltaje de referencia de 2/3 Vcc en la entrada inversora del comparador superior. Las salidas de los comparado- res controlan al flip-flop AS,
que a su vez controla la etapa de salida y al transistor de descarga 01. La salida también puede enviarse a cero "reseteando" directamente el flip-flop vía la terminal 4.
Cuando el circuito está en su estado normal de reposo, la terminal 2 se mantiene alta con R4, la salida en la terminal 3 es cero volts, y el transistor de descarga 01 está conduciendo al máximo (en saturación) y constituye un cortocircuito a través del capacitar C1, que permanece con cero volts.
La acción monostable puede iniciarse al aplicar un pulso negativo a la terminal 2. Cuando el pulso de disparo cae debajo del nivel 1/3 Vcc en la terminal 2 (entrada del comparador inferior), cambia el estado del flip-flop. Esto constituye el equivalente a un comando SET (activo bajo), que envía la salida da 3 al nivel alto. Además se corta 01.
En vista de que 01 queda sin conducir, se elimina el corto a través de CT, lo que permite a este capacitar aumentar su voltaje exponencialmente a través de RT, hasta que alcanza el valor 2/3 VCC.
En este punto, el compara dor superior cambia de estado y acciona al flip-flop de regreso al estado RESET. Se cambia la salida a cero volts, en la terminal 3, y también vuelve a conducir 01, con lo que se descarga CT rápidamente.
El intervalo durante et cual la terminal 3 permanece alta es T=1.1 RTCT donde T está en segundos, R en Ohms y C en farads. También es de notarse que una vez disparado en (2) el capacitor CT continúa cargándose y el circuito no puede responder a otro pulso de disparo, hasta que la secuencia de tiempos quede completa. El capacitor de tiempo CT no puede volver a comenzar a cargarse para repetir el tiempo de carga, a menos que 01 lo descargue. Pero aún así, la secuencia puede ser interrumpida con la terminal 4, enviándola a cero volts momentáneamente. Esto produce un RESET directo en la terminal 3.
Nótese que RT es la carga del colector de 01 y no puede ser cero. Una RT demasiado pequeña aumenta el consumo.
En la práctica RT puede tener cualquier valor entre
1000 ohms y 10 megohms, mientras CT (que debe ser un componente de bajas fugas) puede tener cualquier valor desde 1nF hasta 100µF.
UN CIRCUITO DE TIEMPO
La acción monostable puede iniciarse al aplicar un pulso negativo a la terminal 2. Cuando el pulso de disparo cae debajo del nivel 1/3 Vcc en la terminal 2 (entrada del comparador inferior), cambia el estado del flip-flop. Esto constituye el equivalente a un comando SET (activo bajo), que envía la salida da 3 al nivel alto. Además se corta 01.
En vista de que 01 queda sin conducir, se elimina el corto a través de CT, lo que permite a este capacitar aumentar su voltaje exponencialmente a través de RT, hasta que alcanza el valor 2/3 VCC.
En este punto, el compara dor superior cambia de estado y acciona al flip-flop de regreso al estado RESET. Se cambia la salida a cero volts, en la terminal 3, y también vuelve a conducir 01, con lo que se descarga CT rápidamente.
El intervalo durante et cual la terminal 3 permanece alta es T=1.1 RTCT donde T está en segundos, R en Ohms y C en farads. También es de notarse que una vez disparado en (2) el capacitor CT continúa cargándose y el circuito no puede responder a otro pulso de disparo, hasta que la secuencia de tiempos quede completa. El capacitor de tiempo CT no puede volver a comenzar a cargarse para repetir el tiempo de carga, a menos que 01 lo descargue. Pero aún así, la secuencia puede ser interrumpida con la terminal 4, enviándola a cero volts momentáneamente. Esto produce un RESET directo en la terminal 3.
Nótese que RT es la carga del colector de 01 y no puede ser cero. Una RT demasiado pequeña aumenta el consumo.
En la práctica RT puede tener cualquier valor entre
1000 ohms y 10 megohms, mientras CT (que debe ser un componente de bajas fugas) puede tener cualquier valor desde 1nF hasta 100µF.
UN CIRCUITO DE TIEMPO
La figura 2-A muestra un caso práctico de un circuito monostable disparado manual- mente, con período fijo (unos 50 segundos) usando el 555. En la figura 2-8 están las for- mas de onda en los puntos im- portantes del circuito, que es similar en todo a la fig. 1, excepto que ahora la acción se inicia oprimiendo brevemente 81; además, la terminal 5 está desacoplada del ruido con C2, y el estado de la salida es visible con el LED1. Como puede verse en la figura 2-8, el pulso de salida es de duración fija (determinado por R1 y C1) está disponible en la terminal 3, y se tiene un diente de sierra exponencial, de alta impedancia, en las terminales 6 y 7.
El circuito puede someterse a varias modificaciones. Por ejemplo, reemplazar RT con una resistencia de 1 OK fija, en serie con un resistor variable de 1 megohm. Con ello se obtiene un periodo variable de 1 .1 a 120 segundos.
La facilidad de tener un RE8ET directo se obtiene alambrando la terminal 4 a través de un resistor hacia el VT y momentáneamente Llevándola a tierra con un switch de botón, como es en la terminal 2.
El circuito puede someterse a varias modificaciones. Por ejemplo, reemplazar RT con una resistencia de 1 OK fija, en serie con un resistor variable de 1 megohm. Con ello se obtiene un periodo variable de 1 .1 a 120 segundos.
La facilidad de tener un RE8ET directo se obtiene alambrando la terminal 4 a través de un resistor hacia el VT y momentáneamente Llevándola a tierra con un switch de botón, como es en la terminal 2.
EL SISTEMA DE PRIORIDADES 6-2-4
Una característica importan- te del 555, que facilita mucho la comprensión de su operación y diseño, es el sistema de prioridades que existe entre las ter- minales de entrada. Primera- mente, la terminal 2 tiene priori- dad sobre la terminal 60 Para mostrar esto, conectemos la misma figura 2 pero con
C1 =202 µF. Esto nos da un pulso breve de 1 segundo, al accionar la terminal 2. Pero si mantenemos 81 cerrado, la salida va a permanecer en alto todo el tiempo que queramos, pues la terminal 6 " no obedece" y no hay RESET, hasta que no soltemos 2. Si eventualmente soltamos 2 de una manera irregular, haciendo rebotes,
esto va a disparar nuevamente el monostable, volviendo a dar el pulso de 1 segundo (esta vez al §:QjJ.g[ la terminal 2).
Para verificar mejor esto, pueden conectarse dos switches que nos den directamente OV o bien Vcc sobre las terminales 2 y 6 por separado. La condición de reposo en (2) es +Vcc, mientras que el reposo en (6) es cero volts. Usted accione indistintamente estos dos interruptores y verá como (6) solamente acciona cuando (2) está en reposo, mientras que (2) activo mantiene alto la salida haciendo inoperante a (6). Pero, ahora, un tercer interruptor de niveles lógicos conectado a (4) manda a RESET al circuito con O volts, mientras su esta- do de reposo (de 4) es Vcc. La terminal (2) puede accionar so- lamente si (4) está en reposo, pero aún si (2) está activa, y la salida está alta, la acción de (4) es prioritaria sobre todo lo demás. El caso es efectuar este experimento hasta convencerse uno mismo de en qué consisten estas prioridades, que llamamos "6-2-4" para recordarlas fácilmente.
C1 =202 µF. Esto nos da un pulso breve de 1 segundo, al accionar la terminal 2. Pero si mantenemos 81 cerrado, la salida va a permanecer en alto todo el tiempo que queramos, pues la terminal 6 " no obedece" y no hay RESET, hasta que no soltemos 2. Si eventualmente soltamos 2 de una manera irregular, haciendo rebotes,
esto va a disparar nuevamente el monostable, volviendo a dar el pulso de 1 segundo (esta vez al §:QjJ.g[ la terminal 2).
Para verificar mejor esto, pueden conectarse dos switches que nos den directamente OV o bien Vcc sobre las terminales 2 y 6 por separado. La condición de reposo en (2) es +Vcc, mientras que el reposo en (6) es cero volts. Usted accione indistintamente estos dos interruptores y verá como (6) solamente acciona cuando (2) está en reposo, mientras que (2) activo mantiene alto la salida haciendo inoperante a (6). Pero, ahora, un tercer interruptor de niveles lógicos conectado a (4) manda a RESET al circuito con O volts, mientras su esta- do de reposo (de 4) es Vcc. La terminal (2) puede accionar so- lamente si (4) está en reposo, pero aún si (2) está activa, y la salida está alta, la acción de (4) es prioritaria sobre todo lo demás. El caso es efectuar este experimento hasta convencerse uno mismo de en qué consisten estas prioridades, que llamamos "6-2-4" para recordarlas fácilmente.
DISEÑO DE LA SALIDA CON RELAYS
El 555 puede excitar diversas cargas.
Una carga resistiva puede absorber hasta 200mA (lámparas miniatura, LEDs y resistencias), pero una carga inductiva (relays, motores, zumbadores, etc.) necesita cierta protección con diodos, para no dañar la salida del integrado con el "retraso inductivo" (se produce un gran pulso de voltaje en sentido contrario, al suspenderse la corriente).
La protección con diodos se muestra en la fig. 3 en dos versiones. En 3-A el relay está conectado entre la terminal 3 y tierra, así que este relay está normalmente apagado (N-off) pero se excita durante el periodo de tiempo del 555. En 3-8 el relay está alambrado entre las terminales 3 y 8 = +Vcc, así que normalmente está activado (N-on) y se desactiva durante el periodo de tiempo. Los temporizadores con salida de relay son particularmente útiles, pues los contactos del relay actúan como switches completamente aislados, con una capacidad de corriente que solamente depende del tamaño de los platinos, y puede usarse para aplicar energía eléctrica a casi cualquier tipo de carga externa, como puede ser a su vez un "breaker" para encender y apagar un motor de gran potencia, etc..
En estos casos hay que tener la precaución (simplemente con poner distancia de por medio) de que el enorme campo magnético de arranque del motor no alcance al circuito electrónico.
Una carga resistiva puede absorber hasta 200mA (lámparas miniatura, LEDs y resistencias), pero una carga inductiva (relays, motores, zumbadores, etc.) necesita cierta protección con diodos, para no dañar la salida del integrado con el "retraso inductivo" (se produce un gran pulso de voltaje en sentido contrario, al suspenderse la corriente).
La protección con diodos se muestra en la fig. 3 en dos versiones. En 3-A el relay está conectado entre la terminal 3 y tierra, así que este relay está normalmente apagado (N-off) pero se excita durante el periodo de tiempo del 555. En 3-8 el relay está alambrado entre las terminales 3 y 8 = +Vcc, así que normalmente está activado (N-on) y se desactiva durante el periodo de tiempo. Los temporizadores con salida de relay son particularmente útiles, pues los contactos del relay actúan como switches completamente aislados, con una capacidad de corriente que solamente depende del tamaño de los platinos, y puede usarse para aplicar energía eléctrica a casi cualquier tipo de carga externa, como puede ser a su vez un "breaker" para encender y apagar un motor de gran potencia, etc..
En estos casos hay que tener la precaución (simplemente con poner distancia de por medio) de que el enorme campo magnético de arranque del motor no alcance al circuito electrónico.
La fig. 4 muestra un temporizador que opera desde 0.9 hasta 100 segundos en dos intervalos, y usa un relay con dos juegos de contactos normal- mente abiertos, lo que da un consumo insignificante en el modo de reposo (stand by = no acción).
El circuito se energiza oprimiendo 82. Esto ocasiona que C3, inicialmente descargado, aplique una señal de disparo a la terminal 2, vía R4, para comenzar el ciclo de tiempo. Desde luego, C3 se carga rápidamente a través de R3 y coloca la terminal 2 en nivel alto
(+ 12v), que es su nivel de repo- so, pero el circuito ya está activado y excita el relay K1, con lo cual se cierran los contactos. El par de contactos en paralelo con 82 cortocircuitan a este interruptor para alimentar energía al circuito, aún después de haber soldado 82. Al final de) ciclo de tiempo el relay se desactiva otra vez, los contactos se abren, desconectando la alimentación y el circuito queda sin energía. Los contactos de- nominados "salida" pueden usarse para controlar circuitería externa y otros dispositivos.
La duración del pulso se controla con R1, R5 Y ya sea C1, R6 o bien C2, Rl dependiendo de la posición de S 1 . Los potenciómetros R6 y Rl permiten ajustar las dos escaños de tiempo para que coincidan, de manera que pueda tenerse un solo dial calibrado en R5, aún si los capacito res C1 y C2 son de tolerancia amplia (pueden medirse y añadir algo de capacitancia en paralelo para obtener una relación exacta 1:10 en sus valores medidos).
El circuito se energiza oprimiendo 82. Esto ocasiona que C3, inicialmente descargado, aplique una señal de disparo a la terminal 2, vía R4, para comenzar el ciclo de tiempo. Desde luego, C3 se carga rápidamente a través de R3 y coloca la terminal 2 en nivel alto (+ 12v), que es su nivel de repo- so, pero el circuito ya está activado y excita el relay K1, con lo cual se cierran los contactos. El par de contactos en paralelo con 82 cortocircuitan a este interruptor para alimentar energía al circuito, aún después de haber soldado 82. Al final de) ciclo de tiempo el relay se desactiva otra vez, los contactos se abren, desconectando la alimentación y el circuito queda sin energía. Los contactos de- nominados "salida" pueden usarse para controlar circuitería externa y otros dispositivos.
La duración del pulso se controla con R1, R5 Y ya sea C1, R6 o bien C2, Rl dependiendo de la posición de S 1 . Los potenciómetros R6 y Rl permiten ajustar las dos escaños de tiempo para que coincidan, de manera que pueda tenerse un solo dial calibrado en R5, aún si los capacito res C1 y C2 son de tolerancia amplia (pueden medirse y añadir algo de capacitancia en paralelo para obtener una relación exacta 1:10 en sus valores medidos).
Para ajustar el circuito, primeramente ajuste R5 a su valor máximo, seleccione C1, R6 con el selector 81 , ajuste R6 aproximadamente a 2/3, oprima el botón de arranque 82 y ahora ajuste R6 para obtener un periodo de precisamente 10 segundos.
En seguida cambie 81 a la otra posición, active 82 y ajuste R7 para tener un periodo de 100 segundos. En este punto los dos rangos quedan calibrados y usted puede dibujar un dial para R5.
La fig. 5 muestra una variación simple de este último circuito. 8e trata de un apagador retardado para las luces del auto (o del reflector) que mantiene encendidas las luces por un periodo prefijado después de que se estaciona el auto, para iluminar el camino, un andador, el garaje, etc.
Un juego de contactos está en paralelo con el switch de luces, así que el circuito no interfiere con la operación nor- mal. El circuito opera de tal modo que si el vehículo tiene sus luces apagadas, éstas pueden encenderse durante un intervalo de 50 segundos al oprimir momentáneamente 81.
En seguida cambie 81 a la otra posición, active 82 y ajuste R7 para tener un periodo de 100 segundos. En este punto los dos rangos quedan calibrados y usted puede dibujar un dial para R5.
La fig. 5 muestra una variación simple de este último circuito. 8e trata de un apagador retardado para las luces del auto (o del reflector) que mantiene encendidas las luces por un periodo prefijado después de que se estaciona el auto, para iluminar el camino, un andador, el garaje, etc.
Un juego de contactos está en paralelo con el switch de luces, así que el circuito no interfiere con la operación nor- mal. El circuito opera de tal modo que si el vehículo tiene sus luces apagadas, éstas pueden encenderse durante un intervalo de 50 segundos al oprimir momentáneamente 81.
GENERADOR DE PULSOS
El 555 puede utilizarse como un generador de pulsos alimentando un tren de pulsos a la ter- minal 2. El integrado puede generar buenos pulsos con periodos desde 5~s o mayores, y su frecuencia máxima de repetición es de unos 100kHz. Desde luego, los pulsos de disparo en la terminal 2 deben ser en el sentido negativo (descendente) con amplitud suficiente para re- basar el nivel de 1/3 Vcc (el dis- paro ocurre efectivamente en el momento que el voltaje en la terminal 2 cae debajo del valor 1/3 Vcc), y el ancho del pulso
de entrada deberá ser mayor a 100 ns, pero menor que el pulso de salida deseado. La fig. 6 muestra un generador de pulsos práctico, que puede usarse
como adición a un oscilador ya existente en el laboratorio. En este circuito el transistor 01 conmuta entre saturación y corte, al ser excitado por la
señal de entrada. De esta manera, la señal aplicada a R3 varía entre los extremos de la alimentación y tierra. Esta señal se aplica a un diferenciador C2, R4 que entrega un pulso diferenciado a la terminal 2.
El diodo 01 actúa como re- tenedor de nivel, para que la señal diferenciada no rebase el voltaje de alimentación aplicada a la terminal 2.
Se obtienen pulsos de salida de amplitud variable sobre RT y los tiempos pueden seleccionarse en cinco décadas mediante el valor de C3, según se indica en la tabla de la
de entrada deberá ser mayor a 100 ns, pero menor que el pulso de salida deseado. La fig. 6 muestra un generador de pulsos práctico, que puede usarse
como adición a un oscilador ya existente en el laboratorio. En este circuito el transistor 01 conmuta entre saturación y corte, al ser excitado por la
señal de entrada. De esta manera, la señal aplicada a R3 varía entre los extremos de la alimentación y tierra. Esta señal se aplica a un diferenciador C2, R4 que entrega un pulso diferenciado a la terminal 2.
El diodo 01 actúa como re- tenedor de nivel, para que la señal diferenciada no rebase el voltaje de alimentación aplicada a la terminal 2.
Se obtienen pulsos de salida de amplitud variable sobre RT y los tiempos pueden seleccionarse en cinco décadas mediante el valor de C3, según se indica en la tabla de la
FRECUENCÍMETRO ANALÓGICO
Una aplicación especial del generador de pulsos con el 555 es el frecuencímetro analógico mostrado en la fig. 7. La salida de pulsos del C.I. se alimenta a un miliamperímetro analógico de 0-1 mA a través de la resistencia multiplicadora A5 y el diodo cancelador de offset 01; el movimiento de reloj responde al valor medio de la forma de onda, que resulta integrado por la misma inercia del sistema mecánico. La lectura resulta proporcional a la frecuencia, mientras no se traslapen los pulsos de duración constantes que genera el 555.
Tal como aquí se muestra, este circuito puede medir frecuencias hasta 1 kHz. Utilizando valores diferentes de C3, la lectura máxima del medidor puede ocurrir desde unos 100Hz hasta 100 kHz, El medidor puede incluso leer frecuencias hasta decenas de megahertz, si la entrada se aplica primero a un di- visor de frecuencias.
En la fig. 8 mostramos un juguete que permite a los niños jugar al "super", En las cajas registradoras a la salida del supermercado, la mercancía avanza sobre una banda transportadora. La empleada toma cada objeto y lo muestra alojo electrónico, el cual identifica el código de barras, carga el pre- cio a la cuenta y suena un "bip" que produce el circuito de la fig. 8, en el que se han aprovechado tres modos de funciona- miento del 555. En la segunda sección IC2 funciona como oscilador (multivibrador astable, AMV2) que proporciona una onda cuadrada de 800 Hz, mientras que en la primera sección IC1 es un circuito monostable MMV1 que acciona a partir de un fotodetector infrarrojo, el cual produce la acción monostable de IC1 al interrumpirse el haz de luz.
El pulso resultante de 0.25 segundos habilita la terminal de reset 4 de IC2, que oscila mientras dura el ciclo de tiempo, y entrega el "bip" a una pequeña bocina. El resistor Rl, conecta- do en serie a la bocina, reduce el volumen del sonido y permite usar un capacitor C4 de meno- res dimensiones para aceptar la señal de salida hacia la bocina con solamente 1 OJlF. El capacitor en paralelo a la bocina C5 hace más suave el sonido al eliminar el exceso de armónicos. Así, cada vez que se interrumpe el haz de luz se produce un "bip".
Tal como aquí se muestra, este circuito puede medir frecuencias hasta 1 kHz. Utilizando valores diferentes de C3, la lectura máxima del medidor puede ocurrir desde unos 100Hz hasta 100 kHz, El medidor puede incluso leer frecuencias hasta decenas de megahertz, si la entrada se aplica primero a un di- visor de frecuencias.
En la fig. 8 mostramos un juguete que permite a los niños jugar al "super", En las cajas registradoras a la salida del supermercado, la mercancía avanza sobre una banda transportadora. La empleada toma cada objeto y lo muestra alojo electrónico, el cual identifica el código de barras, carga el pre- cio a la cuenta y suena un "bip" que produce el circuito de la fig. 8, en el que se han aprovechado tres modos de funciona- miento del 555. En la segunda sección IC2 funciona como oscilador (multivibrador astable, AMV2) que proporciona una onda cuadrada de 800 Hz, mientras que en la primera sección IC1 es un circuito monostable MMV1 que acciona a partir de un fotodetector infrarrojo, el cual produce la acción monostable de IC1 al interrumpirse el haz de luz.
El pulso resultante de 0.25 segundos habilita la terminal de reset 4 de IC2, que oscila mientras dura el ciclo de tiempo, y entrega el "bip" a una pequeña bocina. El resistor Rl, conecta- do en serie a la bocina, reduce el volumen del sonido y permite usar un capacitor C4 de meno- res dimensiones para aceptar la señal de salida hacia la bocina con solamente 1 OJlF. El capacitor en paralelo a la bocina C5 hace más suave el sonido al eliminar el exceso de armónicos. Así, cada vez que se interrumpe el haz de luz se produce un "bip".
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