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Instituto Superior de Engenharia de Coimbra
Complementos de Electrónica
Licenciatura em Engenharia Electrotécnica 2007/
TRABALHO PRÁTICO N.º 1
O Temporizador 555
Objectivos
Conhecer o temporizador 555, as suas características principais e modos de funcionamento.
Projectar circuitos temporizadores que utilizem o CI 555 nos modos monoastável (disparo único) e astável (oscilador).
1. Introdução
Em 1971 a Signetics Corporation lançou o temporizador SE555/NE555, tendo-o designado por "The IC Time Machine", sendo este o primeiro temporizador em forma de Circuito Integrado (CI) disponível no mercado. Após ter surgido, este CI desfrutou de uma enorme popularidade, podendo o seu sucesso ser atribuído a várias características das quais se destacam a simplicidade de utilização, a versatilidade, a estabilidade e o baixo custo. A simplicidade do temporizador, juntamente com a capacidade para produzir temporizações curtas e longas numa variedade de aplicações, atraiu muitos projectistas e entusiastas da electrónica.
Este trabalho pretende dar a conhecer o temporizador 555, assim como mostrar as suas potencialidades. Para além da descrição apresentada de seguida é sugerida uma leitura atenta
da folha de especificações (vulgo data sheet) deste CI. Neste momento há um número elevado
de fabricantes que produzem este CI, como por exemplo, NXP (ex-Philips), Fairchild Semiconductor, ST Microelectronics, Motorola ou Intersil, existindo versões cujo preço é muito baixo, da ordem dos 0,13€ por unidade (depende do fabricante e da tecnologia em que está implementado).
1.1. Aplicações típicas do 555
O CI 555 apresenta uma grande versatilidade podendo ser utilizado nas mais variadas aplicações. Apontam-se como exemplo as seguintes: temporizador (com tempo fixo ou
variável), oscilador, modulador de largura de pulso (PWM – Pulse Width Modulation),
modulador de Posição de pulso (PPM – Pulse Position Modulation), detector de falta de pulsos,
temporização sequencial, controlo de velocidade de rotação (Tacómetro), disparo de varrimento para osciloscópios, conversor de tensão DC-DC, conversor tensão Positivo-Negativo, controlador de Motores servo, conversor Tensão Frequência (VCO – Voltage Controlled Oscilator), gerador de sinal em dente de serra, alarmes, etc.
1.2. Características principais e descrição do funcionamento do 555
Na figura 1 apresenta-se o CI 555 e a pinagem no encapsulamento DIP e na figura 2 o seu diagrama funcional.
Figura 1. Encapsulamento do CI 555 e identificação dos pinos
Figura 2. Diagrama funcional
O 555 consiste em dois comparadores de tensão, um Flip-Flop, um transístor de descarga e uma malha divisora resistiva. A rede de resistências é usada para fixar os níveis de tensão dos comparadores. Como as três resistências são de valor igual (5KΩ), o comparador superior (C1), é internamente referenciado a 2/3 da tensão VCC e o Comparador C2 é referenciado a 1/3 de VCC. As saídas dos dois comparadores estão ligadas às entradas do Flip- Flop RS, que definem se a saída (pino 3) está no estado Alto ou Baixo. Existe ainda uma saída complementar (pino 7), que está activa quando pino 3 está no nível baixo e vice-versa.
Nota: os níveis de comparação de 1/3 e 2/3 de VCC existem quando o pino 5 (Control) não se encontra ligado.
Definição e função dos pinos do CI
1 – GND – Tensão de referência, correspondendo à massa da fonte de alimentação DC;
2 – Trigger – Se a tensão neste pino for inferior a 1/3 de VCC, a saída do comparador interno C 2 fica no estado Alto, activando desta forma a entrada S (Set) do Flip-Flop e a saída do 555 (pino 3) fica no nível Alto, desactivando ainda o pino 7; esta mantém-se neste estado até haver uma activação da entrada R(Reset) do Flip-Flop;
R 5k
R 5k
R 5k
1k
S
R Q
Q
3 Output
7 Discharge
1 GND
Trigger 2
Control 5
Threshold 6
8 VCC 4 Reset
C
C
Flip-Flop
mantém-se no nível Baixo. Aplicando um pulso de tensão abaixo de 1/3 de VCC na entrada de Trigger, a saída (pino 3) vai para o estado Alto e o transístor de descarga é desligado. Como o condensador C se carrega através da resistência RA, a partir de uma tensão nula, este atinge 2/3 de VCC num tempo igual a 1,1*RAC segundos. Este intervalo de tempo é o tempo que o estado da saída do 555 se encontra no nível alto. Após este nível ser atingido, a saída passa ao estado Baixo e é ligado o transístor de descarga, descarregando praticamente instantaneamente o condensador. O 555 permanece neste estado até que exista um novo pulso na entrada de Trigger.
1.3.2. Modo de funcionamento Astável.
A configuração da figura 4a) permite o funcionamento em modo astável ou oscilador. Neste modo de funcionamento é gerado na saída do 555 uma onda quadrada com duração dos níveis Alto e Baixo proporcionais às malhas RC, não sendo necessário nenhum pulso específico para iniciar o seu funcionamento.
a) b) Figura 4. a) Esquema para funcionamento em Modo Monoestável; b) alteração para Duty Cycle inferior a 50%
Os pinos de Trigger e de Threshold estão ligados ao condensador, monitorizando em contínuo a sua tensão. Quando se liga o circuito o condensador está descarregado, apresentando uma tensão nula. Como esta é inferior a 1/3 de VCC, a saída do comparador C 2 fica no estado Alto o que por sua vez por actua na entrada S do Flip-Flop e faz com que a saída do 555 fique no estado Alto, ficando o transístor de descarga desligado. Assim, o condensador carrega-se através da série de resistências RA e RB. Quando a tensão no condensador atinge 2/3 de VCC, o comparador de C1 faz reset ao Flip-Flop do 555 e a sua saída vai para o estado Baixo, ligando ainda transístor de descarga. Como o transístor de descarga está ligado, faz com que o condensador descarregue através da resistência RB. Quando a tensão no condensador alcançar 1/3 de VCC, há novo disparo, repetindo-se o processo descrito. O CI está então em ciclo, onde o tempo de carga e descarga, que correspondem ao tempo em que a saída está no estado Alto e Baixo, respectivamente, são dados pelas expressões:
Carga: t ( Alto )= 0 , 693 *( RA + RB ) C
Descarga: t ( Baixo )= 0 , 693 * RBC
O período é igual à soma dos dois tempos anteriores, pelo que a frequência de oscilação é:
( R R ) C
f
A B
OSC 2
VCC
RA
C
RB
RB
D
Output D Threshold
VCC
Trigger Control
Reset Discharge
GND
Repare-se que com este esquema não é possível obter um Duty Cycle (relação entre tempo no estado Alto e Período do sinal) inferior a 50%. Para se obter um Duty Cycle inferior a 50% pode-se substituir a resistência RB pelo esquema da figura 4b). Com esta alteração a carga do condensador dá-se através da resistência RA e a descarga através de RB, permitindo controlar de modo independente o tempo de carga e de descarga e na realidade obter qualquer Duty Cycle (tipicamente entre 5% e 95%).
1.3.3. Modo de funcionamento em Atraso Temporal.
Figura 5. Funcionamento em Atraso temporal
Neste modo de funcionamento a saída (pino 3) só muda de estado após decorrer um tempo determinado pela malha RC, a partir do momento em que a entrada (interruptor) muda de estado. Os pinos de Trigger e de Threshold estão ligados juntos, monitorizado a tensão do condensador, não sendo usada a função de descarga. A sequência de funcionamento começa quando o interruptor T1 é ligado mantendo o condensador descarregado e forçando a saída do 555 ao estado alto. Quando T1 é aberto, inicia-se o ciclo de carga do condensador. A tensão no condensador ao atingir a tensão de Threshold (2/3*VCC), faz a saída do 555 comutar para o estado Baixo, ficando nesse estado até fecharmos novamente o interruptor.
1.4. Considerações práticas para projecto de temporizadores com o 555
Para que o 555 funcione correctamente a tensão de alimentação deverá possuir um valor entre 4,5V e 18V, sendo o intervalo de tempo projectado independente de VCC, uma vez que as tensões de Trigger e Threshold são proporcionais a VCC. A fonte de alimentação contínua VCC
pode ser fornecido por qualquer fonte, mas deve ser considerado o seu ripple, uma vez que
poderá influenciar o erro da temporização. Como este CI consegue activar cargas de 200 mA
quer em Sink (a receber corrente) quer em Source (a fornecer corrente) deve ser colocado um
condensador de desacoplamento de 0,01 a 10 μF o mais perto possível dos pinos de alimentação (8 e 1), uma vez que a carga ao ser activada pode re-disparar o temporizador. O erro de temporização deve-se principalmente aos componentes externos. Na escolha do condensador e da resistência deve-se utilizar resistências de filme metálico e condensadores com correntes de fuga baixas. É de notar que as resistências normalmente têm tolerâncias de 1 a 20% e os condensadores de 5 a 20%. Para um ajuste “fino“ pode ser usado um trimer em série com a resistência de maior valor, e não devem ser usados condensadores de disco cerâmicos, uma vez que não são suficientemente estáveis. Podem ser usados condensadores de Prata, Mica, Mylar, policarbonato, polyestireno, tântalo, ou similares.
VCC
C
RA
Trigger
Output
VCC
Control GND
Discharge
Reset
Threshold
Analise o circuito apresentado e diga qual a sua possível aplicação.
Figura 6. Circuito “Mistério 1”
2.5. Explique o funcionamento do circuito da figura 7 dimensionando o 555 para funcionar em regime astável com C6 igual a 10 nF, frequência de saída de 5 KHz e Duty Cycle de 55%.
0
5V^ V
C
C31 u
555
2 1
3
4
6 5
7
8
TRIGGERGND
OUTPUT
RESET
THRESHOLDCONTROL
DISCHARGE
VCC
R
R
C 220 micro
220 micro^ C
D11N D1 (^) 1N
Vout
Figura 7. Circuito “Mistério 2”
3. Trabalho experimental
Monte o circuito projectado em 2.1 e demonstre o seu correcto funcionamento. Faça as medições que considerar adequadas e obtenha formas de onda em pontos chave (por exemplo capture em simultâneo a tensão no condensador e na saída do 555) que demonstrem o correcto funcionamento do circuito. Não se esqueça de comentar as formas de onda obtidas.
3.2.
Monte o circuitos projectado em 2.2 e verifique o seu funcionamento. Faça as medições que considerar adequadas e obtenha formas de onda em pontos chave que demonstrem o correcto funcionamento do circuito. Não se esqueça de comentar as formas de onda obtidas.
C 1uF
R 1k
D1 (^) D
M
RG 10K
Rv 22K
Threshold
Reset
GND
Discharge
Output
Trigger
Control
VCC
RL
Confirme a análise que fez no ponto 2.3.
a) Monte o circuito da figura 6. Capture formas de onda que justifiquem o funcionamento do circuito. Confirme ou actualize a análise feita na preparação.
b) Verifique se consegue controlar a intensidade luminosa de um LED com este circuito.
Monte o circuito da figura 7. Capture formas de onda que justifiquem o funcionamento do circuito. Confirme ou actualize a análise feita na preparação.
Material utilizado
Condensadores: 10nF, 100nF, 1μF, 10μF e 100μF, 220 μF.
Potenciómetro: 22K, 220K.
Resistências: 1K, 10K, 100K.
Díodos: 2x1N4148.
CIs: 1xNE
LEDS: 1 verde, 1 vermelho
