El mejor ejemplo de que existen circuitos integrados que, aun con el desarrollo constante de nuevos dispositivos más sofisticados, permanecen insubstituibles en muchas aplicaciones es el famoso y útil 555. Estamos tan acostumbrados a pensar en este componente cuando necesitamos un oscilador estándar, de un monoestable o de una temporización, que no nos damos al trabajo de pensar que tal vez llegue un día en que una versión mejor lo sustituya. En realidad, ya existe un equivalente mejor, que, manteniendo las características principales del "viejo" 555, añade o amplía otras, que le confieren la posibilidad de ser el componente del futuro, sustituto del 555 en una infinidad de aplicaciones. Con mayor velocidad, mayor impedancia de entrada y bajo consumo, el 555 CMOS será analizado en este artículo, en el que daremos circuitos prácticos de gran utilidad para el proyectista.
No necesitamos hablar de todas las utilidades del "famoso" circuito integrado 555, pues no hay estudiante, hobista, proyectista o reparador que no lo haya usado por lo menos una vez en la vida.
Sus características lo hacen ideal para cualquier tipo de proyecto y por eso lo encontramos con facilidad, con diversos orígenes y de diversos fabricantes.
Pero, incluso un circuito integrado como 555 puede ser mejorado y el resultado de ello fue el lanzamiento hace unos años, por Texas Instruments, de una versión CMOS del 555. especificado como TLC7555.
Asociando la configuración tradicional del 555 a la tecnología CMOS linCMOS), el nuevo componente puede sustituir favorablemente el tradicional en una infinidad de aplicaciones.
A continuación veremos comparativamente características de los dos componentes: .o tradicional y el CMOS) para lector tenga una idea de cómo utilizar con ventaja este componente en los proyectos.
El TLC7555
El circuito integrado TLC7555 de Texas tiene el mismo pinado del tradicional 555 bipolar, mostrado en la figura 1.
El diagrama de funciones es el mismo, que se muestra en la figura 2.
Sin embargo. la versión CMOS ofrece varias mejoras en relación a lo tradicional, como por ejemplo:
Consumo de energía extremadamente bajo: 1 mW a 5 V de alimentación
Operación en velocidad mucho mayor que la tradicional: 2 MHz contra los 500 kHz del tradicional
Salida complementaria con transistores CMOS, que permiten excursiones de tensión de O V a la tensión de alimentación.
Alta capacidad de corriente de salida: 100 mA drenado, o 10 mA suministrando.
Totalmente compatible con las tecnologías TTL y CMOS
Impedancia extremadamente alta de las entradas: 1012 ohmios (tip).
Rango de tensiones de funcionamiento entre 2 y 18 V
Posee el mismo pinado de los tradicionales 555.
Una característica muy importante que la versión CMOS presenta en relación al tipo tradicional se presenta en la figura 3.
Este gráfico nos muestra que en las conmutaciones, mientras que la corriente en el 555 tradicional alcanza picos elevados, el 555 CMOS se mantiene con un bajo consumo.
Esta característica es muy importante para aplicaciones digitales, principalmente las que involucran la alimentación por medio de baterías.
MÁXIMOS ABSOLUTOS
Tensión de alimentación (Vdd): 18 V
Rango de tensiones de entrada (cualquier entrada): - 0,3 a 18 V
Disipación (25 ° C): 600 mW
Rango de temperaturas de funcionamiento: 55 a + 125 ° C
CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS PARA VCC de 5 a 15 V
Tensión de umbral en porcentaje de la tensión de alimentación: 66,7%
Corriente de umbral para Vc.c. = 5 V: 10 pA
Tensión de disparo como porcentaje de la tensión de alimentación 33,3%
Corriente de disparo para Vc.c. = 5 V: 10 pA
Tensión de reset: 0,7 V
Corriente de reset p-ara Vc.c .: x10 pA
Tensión de control (circuito abierto) como porcentaje de la tensión de alimentación: 66,7%
Tensión de salida en el nivel bajo (5 V, 5 mA): 0,1 V
Tensión de salida en el nivel alto (5 V, 1 mA): 4,5 V
Corriente de alimentación (Vdd = 15 V): 360 uA (Vdd 5v): 170 uA
Frecuencia máxima en modo asimilable (Ra = 470 ohms, CL = 200 pF, Rb = 200 ohms): 2,1 MHz
Las configuraciones en que podemos usar el TLC7555 son las mismas del convencional 555, debiendo apenas ser observados mínimos diferentes para los resistencias y los capacitores de temporización.
Así, tenemos en la figura 4 la configuración para operación astable donde la frecuencia es dada por la fórmula junto al diagrama.
La frecuencia máxima de funcionamiento de este circuito es de 2,1 MHz lo que nos lleva a una capacitancia mínima de 200 pF.
La capacitancia máxima así como la resistencia Ra y Rb para aplicación como astable muy lento sólo están limitadas por las fugas del operacional.
Para operación monoestable tenemos el circuito básico de la figura 5, donde el tiempo es dado por la fórmula junto al diagrama.
La temporización mínima también es dada por un operacional de 200 pF y por un resistor no menor de 200 ohms.
A partir de estos dos circuitos básicos, podemos tener diversas variaciones, que van a implicar en alteraciones de los ciclos activos, excitación de cargas de mayor potencia, modulación, etc.
Veamos algunos de estos circuitos en la práctica:
El primero, mostrado en la figura 6, es un circuito con ciclo activo del 50%, obteniéndose así una onda cuadrada perfecta en la salida, lo que no ocurre con la configuración asimétrica básica dada en la figura 4.
Este ciclo activo es posible porque los recorridos tanto para la descarga como para la carga del operacional son los mismos, vía salida, que cambia de nivel.
En esta aplicación, es importante que el resistor usado no sea menor que 10 k ohmios), para no cargar demasiado la salida y así perjudicar la excitación de la carga externa.
Recordemos que, a diferencia del 555 bipolar, el TLC7555 debe drenar la corriente de la carga, para obtener mayor potencia (100 mA).
La excitación de una carga externa de mayor potencia como, por ejemplo, una lámpara o relé, se puede hacer con los recursos de la figura 7.
En un caso, tenemos el accionamiento con la salida en el nivel alto y en el otro, en que usamos un transistor PNP, tenemos el accionamiento a nivel bajo. La corriente máxima de carga para estos circuitos, usando transistores de uso general, es de 100 mA.
Sin embargo, con transistores de mayores potencias, podemos accionar cargas de hasta 1 A.
Sin embargo, como en el nivel alto la corriente de salida del TLC7555 está Iimitada a 10 mA, para obtener una corriente de carga de 1 A necesitamos un transistor o paso con ganancia 100.
Un par de transistores en la configuración de Darlington, como se muestra en la figura 8, puede resolver fácilmente este problema.
Para obtener una relación marca / espacio grande, por ejemplo, de 1 para 100, podemos usar el TLC7555 en la configuración mostrada en la figura 9.
La relación entre R, y R2 determina la relación marca / espacio. En el caso el accionamiento de una lámpara que produce pulsos de corta duración.
En el circuito indicado, para cada 2 segundos de intervalo en el nivel alto, la salida conmuta permaneciendo 20 ms en el nivel bajo.
Una posibilidad interesante de uso para este circuito es como flasher de bajo consumo para LED, conforme la figura 10.
En esta configuración, alimentando el circuito con 9 V, tenemos un consumo medio del orden de 250 hA sólo. lo que hace el circuito ideal para aplicaciones en señalización a pilas y juguetes. ya que el TLC7555 también opera con tensiones a partir de 2 V.
El circuito de la figura 11 nos muestra otra aplicación muy interesante del TLC7555.
Se trata de un convertidor dc/dc que nos permite obtener una tensión negativa entre 7 y 8 V. a partir de una tensión positiva de 9 V.
Esta aplicación resulta interesante para los casos en que se necesita una alimentación simétrica y se pretende usar en el proyecto una sola batería de 9 V.
Con una carga de 0,5 mA en la salida, la tensión obtenida es del orden de 7 V.
La inversión de polaridad y rectificación es hecha por el puente de diodos en la salida y por los operacionales electrolíticos de filtro.
La frecuencia de operación es determinada por R1 R2 y C1, pudiendo ser alterada conforme la aplicación deseada.
Para conseguir una señal con relación marca / espacio variable en una proporción de 1 a 20 a 20 para 1, tenemos el circuito de la figura 12.
La frecuencia es dada por el capacitor C1 que puede tener valores entre 220 pF y 220 uF.
La tensión de alimentación del circuito puede variar entre 5 y 18 V. El trimpot (o pote) P1 ajusta la relación marca / espacio de la señal generada.
Hay una pequeña dependencia de la frecuencia de la señal generada cuando se ajusta la relación marca / espacio.
El pino 4 del circuito integrado TLC7555 se puede utilizar para controlar externamente la operación del oscilador.
Llevado al nivel bajo, inhibe la operación del astable.
La excitación de un altavoz con un tono alrededor de 1 kHz aproximadamente, en un sistema de aviso sonoro, puede ser hecho conforme muestra la figura 13.
Para tensiones de alimentación entre 5 y 9 V se puede utilizar el BC558, pero para tensiones mayores, entre 12 y 15 V se debe utilizar un transistor de mayor potencia como el TIP32 o BD136, dotado de un radiador de calor.
El consumo de este circuito no es elevado, en vista de la relación marca / espacio ser tal que el transistor sólo conduce aproximadamente 1/10 del tiempo de cada ciclo.
Para una operación con consumo extremadamente bajo, generando un tono de audio, podemos usar el circuito de la figura 14.
En este circuito el transductor es del tipo cerámico piezoeléctrico de bajo consumo.
Estos transductores tienen una frecuencia de resonancia entre 1 y 5 kHz, donde el rendimiento es mayor, por lo que es interesante tener un ajuste del tono para que este mayor volumen sea alcanzado.
Las aplicaciones en las que el 555 tradicional se utiliza en la producción de tonos modulados, como las sirenas, también pueden elaborarse sobre la base del TLC7555.
Así, en la figura 15 tenemos un circuito de sirena modulada excitando un altavoz con buena potencia.
Si el problema es consumo, el mismo circuito puede tener el paso transistorizado eliminado, utilizando en su lugar un transductor cerámico como mostramos en el circuito de la figura 14.
Y claro que, para potencias muy altas, un amplificador completo de varios vatios puede ser usado también.
El circuito de la figura 16 es otro generador de tono modulado, con el efecto de bips intervalados.
La frecuencia de los bips es dada por los resistores de 10 k ohms, P1 y por el capacitor electrolítico de 10 uF, pudiendo ser alterados según el efecto que el lector desee.
En este circuito, la carga, un pequeño altavoz, es excitada por un transistor, sin embargo, podemos tener la excitación directa de un transductor cerámico, según lo sugerido en los proyectos anteriores.
Observe que los resistores R1 y R2 del oscilador lento determinar los intervalos y la duración de los bips.
Para la versión indicada, como los bips son de corta duración, el consumo de energía es muy baja, incluso cuando excitamos un pequeño altavoz.
La modulación del circuito anterior se realiza de modo que la interrupción del el sonido, lo que caracteriza el bip.
Sin embargo, con el circuito de la figura 17 tenemos una modulación en frecuencia la cual es producida por un signo diente de sierra generado por C1.
La frecuencia de este oscilador es de aproximadamente 1 Hz, con un tiempo de bajada muy rápido, dado por el diodo entre los pines 3 y 6.
Esta señal modula el segundo oscilador, formado por CI2, cuya frecuencia está en la pista de audio, pudiendo ser ajustada en el trimpot.
También en este circuito tenemos varias opciones para el paso de salida, yendo de la configuración de muy baja potencia con transductor cerámico, la alta potencia, con un transistor Darlington,
Una posibilidad interesante, que reúne dos tecnologías CMOS es la que se muestra en la figura 18, en la que la etapa de salida de alta potencia consiste en un MOSFET de potencia.
El rendimiento muy alto de este componente, cuya resistencia drenaje-fuente (Ras) puede llegar a fracciones muy pequeñas de ohmios, permite la obtención de potencias muy altas en los circuitos alimentados con bajas tensiones, por ejemplo de uso automotriz.
La utilización del generador de marca / espacio variable, por ejemplo, en conjunto con este transistor, permite la elaboración de un eficiente dimmer para lámparas incandescentes de uso automotor, conforme muestra la figura 19.
En la figura 20 tenemos una configuración interesante en la que aprovechamos la elevadísima impedancia de entrada del pino de disparo del TLC7555 en la configuración monoestable, para elaborar un interruptor de timbre temporizado o un temporizador temporizado.
Los resistores de valores tan altos como 50 M ohms se pueden utilizar en la polarización de entrada de disparo de este integrado, lo que garantiza una enorme sensibilidad al circuito.
La temporización en esta aplicación se ajusta en el potenciómetro P1.
Esta alta resistencia de entrada permite la utilización de sensores resistivos inmersos en el disparo del TLC7555.
En la figura 21 tenemos un ejemplo de una aplicación en la que el disparo es hecho por la presencia del agua que sube en un depósito, por ejemplo.
Finalmente, en la figura 22 tenemos el disparo hecho por un haz de luz interrumpido usando como sensor un foto-transistor o aún un fotodiodo.
En los dos casos tenemos la operación monoestable, con un consumo extremadamente bajo de energía en la condición de espera, cuando la bobina del el relé o la carga están desactivados.
CONCLUSIÓN
Las características del 555 CMOS (TLC7555) permiten su sustitución directa en la mayoría de los casos, ya que los pinos son equivalentes al del 555 bipolar.
Sin embargo, para nuevos proyectos, las propiedades mejoradas que este componente presenta, deben ser aprovechadas para obtener mejor consumo, mejor desempeño e incluso mayor sensibilidad, si es así los elementos necesarios para un eventual disparo.
Bibliografía:
Linear Circuitos Data Book - Texas Instruments.
