De todos los circuitos integrados usados actualmente, tal vez el más popular sea el 555. Creado para funcionar como temporizador y oscilador de uso general, ese circuito integrado se mostró tan versátil, que miles de aplicaciones resultantes pronto fueron creadas. Hoy, cuando se habla de cualquier proyecto en que se necesite la generación de formas de onda, retardos, temporizaciones o aún disparo de dispositivos a partir de señales lógicas el primer componente que viene a la cabeza de cualquier proyectista es el 555. En este artículo mostramos que es el 555 y lo que puede hacer de una manera bastante amplia.
Con más de mil millones de unidades vendidas por día, el circuito integrado 555 probablemente es el componente más importante de esta familia, de todos hasta hoy lanzados en el mundo. Con versiones CMOS y de baja tensión, este componente es insuperable cuando se desea una temporización hasta 1 hora o generación de pulsos de duración constante, o aún en aplicaciones en las que deben ser generadas señales rectangulares de hasta 500 kHz.
EL CIRCUITO INTEGRADO 555
El circuito integrado 555 consiste en un temporizador de uso general que puede operar tanto en la configuración astable como monoestable. La pinza básica de este CI se muestra en la figura 1
Aunque existe una versión antigua con una envoltura de 14 pinos, difícilmente se encuentra en nuestros días. Una versión importante del 555 es el doble 555 conocido como 556, cuyos pinos se ve en la figura 2.
En la práctica, los fabricantes añaden prefijos para identificar sus 555, y denominaciones como LM555, NE555, ?A555 y otras son comunes. Tenemos todavía versiones "diferentes" del 555 que emplean tecnologías más avanzadas que la tradicional lineal. Así, un primer destaque es el 555 CMOS, también especificado como TL7555 o TLC7555, y que se caracteriza por poder operar con tensiones menores que el 555 común, tener menor consumo y alcanzar frecuencias más elevadas. En la figura 3 tenemos un diagrama simplificado de las funciones existentes en el circuito integrado 555.
Estos bloques se pueden utilizar de dos formas básicas (que se analizar en detalle), que son astables (free running) y monoestable (pulso único). En la versión astable, el circuito funciona como oscilador generando señales rectangulares disponibles en la salida del perno 3. En la versión monoestable, el circuito genera un pulso rectangular único al ser disparado externamente. Las características principales del 555 son:
Características: (*)
Rango de tensiones de alimentación 4,5 - 18 V
Corriente máxima de salida +/- 200 mA
Tensión de umbral típica con alimentación de 5 V 3,3 V
Corriente de umbral típica 30 nA
Nivel de disparo típico con alimentación de 5 V 1,67 V
Tensión de reset típica 0,7 V
Disipación máxima 500 mW
Corriente típica de alimentación con 5 V 3 mA
Corriente típica de alimentación con 15 V 10 mA
Tensión típica de salida en el nivel alto con 5 V de alimentación (Io = 50 mA) 3,3 V
Tensión típica de salida en el nivel bajo con 5 V de alimentación (Io = 8 mA) 0,1 V
(*) Las características de esta tabla se dan al NE555 de Texas Instruments, pudiendo variar ligeramente para CIs de otros fabricantes o con eventuales sufijos indicando líneas especiales.
Configuraciones
El circuito integrado 555 puede ser empleado en dos configuraciones básicas, astable y monoestable, que analizamos a continuación:
a) astable
En la figura 4 tenemos el circuito básico del 555 en la configuración astable.
Este circuito puede generar señales de 0,01 Hz a 500 kHz y los valores límite para los componentes utilizados son:
R1, R2 = 1k a 3,3 Mohms
C = 500 pF a 2 200 ?F
La frecuencia de oscilación viene dada por:
f = 1,44 / [(R1 + 2R2) C]
Donde:
f es la frecuencia en hertz
R1 y R2 son los valores de las resistencias en Ohms
C es la capacitancia en farads.
El tiempo en que la salida permanece en el nivel alto es dada por:
Th = 0,693 x C (R1 + R2)
El tiempo en que la salida permanece en el nivel bajo es dada por:
tl = 0,693 x R2 x C
En este caso, el ciclo activo no puede ser 50% en ningún caso, pues el tiempo de carga del capacitor es siempre mayor que el tiempo de descarga. Para obtener ciclos activos menores existen configuraciones en las que los recorridos de las corrientes de carga y descarga son alterados.
También es importante observar que la carga y descarga del capacitor permiten la obtención de una forma de onda diente de sierra sobre ese componente, como ilustra la figura 5.
Evidentemente, se trata de un punto del circuito en el que esta señal es de alta impedancia y, por lo tanto, no se puede utilizar directamente para excitar cargas de mayor potencia.
b) monoestable
En la configuración monoestable, cuando la entrada de disparo (pin 2) es momentáneamente llevada al nivel bajo, la salida (pin 3) va al nivel alto por un intervalo de tiempo que depende de los valores de R y de C en el circuito de la figura 6.
Los valores límites recomendados son:
R - 1 k hasta 3,3 Mohms
C - 500 pF a 2 200 ?F
Este tiempo también puede ser calculado por la fórmula:
T = 1,1 x R x C
Donde:
T es el tiempo en segundos
R es la resistencia en ohms
C es la capacitancia en las farads
Con los elementos suministrados, el lector podrá crear sus propios proyectos usando el 555 a partir de los circuitos de aplicaciones que damos a continuación.
APLICACIONES
A continuación, damos una serie de circuitos básicos que pueden ser utilizados para generar señales en alarmas, producir señales de audio, proporcionar temporizaciones hasta poco más de una hora, detectar ausencia de pulsos y mucho más.
1. Oscilador de audio básico
En la figura 7 mostramos el circuito de un oscilador de audio básico que excita un altavoz o transductor.
La frecuencia se puede ajustar en un rango de 1:10 en el potenciómetro y está básicamente determinada por el valor del capacitor usado.
Para la excitación de un pequeño transductor piezoeléctrico de alta impedancia o una cápsula de auricular, se puede utilizar directamente la salida del perno 3. Sin embargo, para una carga de baja impedancia como un altavoz, se debe utilizar un transistor conductor. Para tensiones superiores a 6 V el transistor deberá montarse en un radiador de calor.
2. intermitente / metrónomo
Con la utilización de un capacitor superior a 1 ?F tenemos la producción de pulsos intervalados y el circuito puede ser usado como un metrónomo, o aún excitar una lámpara en un intermitente como ejemplo de la figura 8.
Las lámparas de hasta 500 mA se pueden excitar con el uso de transistores como el BD136 o TIP32, y de mayores potencias con el uso de transistores de efecto de campo de potencia apropiados.
3. inversor
En la figura 9 se indica cómo conectar el 555 en un pequeño transformador de alta tensión para generar tensión suficiente para encender una pequeña lámpara fluorescente, o incluso hacerla intermitente (con la operación en frecuencia menor). Este mismo circuito puede ser utilizado para generar estímulos en un excitador de nervios.
El transistor tanto puede ser bipolar PNP como un transistor de efecto de campo de potencia, debiendo estar dotado de un radiador de calor, si la alimentación se efectúa con más de 6 V. La frecuencia de operación se ajusta en P1 y debe ser escogida de acuerdo con las características del transformador para resultar en un mayor rendimiento en la transferencia de energía.
4. Oscilador Modulado en Frecuencia
El pino 5 del circuito integrado 555 se puede utilizar para controlar el ciclo activo de las señales en la configuración asimilable y así proporcionar una modulación de frecuencia. En la figura 10 mostramos cómo montar una sirena básica con dos circuitos integrados 555, donde tenemos la modulación de frecuencia hecha por la señal de baja frecuencia de uno de los osciladores.
En este circuito, CI1 genera una señal de baja frecuencia que es determinada básicamente por el capacitor C1 y por el ajuste de P1.Esse señal es aplicada al pin 5 de modulación actuando directamente sobre la frecuencia generada por CI2. En CI2 la frecuencia es ajustada por P2 y por el valor de C2. La resistencia R3 determina la "profundidad" de la modulación, es decir, la amplitud de la variación de la frecuencia generada por el segundo oscilador (CI2).
Los pasos de potencia como la observada en el oscilador básico se pueden utilizar para aplicar la señal generada por el circuito a un transductor o incluso a un altavoz.
5. Oscilador Intermitente
Accionamiento intermitente de relé u otras cargas a intervalos regulares, efectos de sonido y aplicaciones intermitentes se pueden obtener con el circuito ilustrado en la figura 11.
En este circuito, el primer oscilador controla el segundo a través de su piro de Reset para encenderlo y apagarlos a intervalos regulares. El modo de accionamiento y, por lo tanto, la frecuencia del efecto de intermitencia se determina por C1 y ajustado por P1. En el ejemplo, se dan valores típicos de componentes para accionamientos que van de unos segundos a más de 15 minutos. La frecuencia del segundo oscilador se ajusta en P1 y determinada básicamente por C2, que también tiene los valores típicos para la pista de audio que se muestra en la figura. Es importante observar que los valores de C1 deben ser mucho mayores que los de C2 para que los ciclos de funcionamiento del segundo oscilador puedan ser encajados en cada ciclo del primero, como ilustra la figura 12.
La carga depende de la aplicación: podemos utilizar simples transductores sonoros para aplicaciones donde las señales intermitentes de audio deban ser generadas, hasta relés u otras cargas de corriente continua, con el uso de la etapa excitadora apropiada. Un relé intermitente que abre y cierra un cierto número de veces y luego entra en reposo por un tiempo mayor, para luego volver a tener el mismo ciclo de funcionamiento, es una aplicación posible para ese circuito.
6. Cambio del Ciclo Activo
Como hemos visto, el ciclo activo del circuito básico que emplea el 555 tiene el tiempo en el nivel alto dado por la suma de los valores de los dos capacitores usados y el tiempo en el nivel bajo dado por el segundo capacitor. Esto hace que el tiempo en el nivel alto sea siempre mayor que en el nivel bajo, tendiendo a un ciclo activo mínimo del 50% cuando R2 tiene su valor mínimo y R1 su valor máximo, observe la figura 13.
Una forma de obtener un ciclo activo de menos del 50% para el accionamiento de una carga es trabajar con la excitación en el nivel bajo, lo que hacemos cuando la carga es activada por un transistor PNP. Sin embargo, hay otra forma de obtener un ciclo activo menor que 50% sin necesidad de invertir la señal de salida con un transistor PNP.
Esto se puede lograr con el uso de diodos para obtener un camino separado para la carga y descarga del capacitor, como muestra la figura 14.
En ese circuito, la carga del capacitor y por lo tanto el tiempo en el nivel alto depende sólo de R1, mientras que la descarga depende sólo de R2. Así, en lugar de las fórmulas para el cálculo en el nivel alto de la configuración tradicional, tenemos:
th = 0,693 x R1 x C
tl = 0,693 x R2 x C
Y para la frecuencia:
f = 1,44 / [(R1 + R2) xC]
Donde:
f es la frecuencia en hertz
th es el tiempo en el nivel alto en segundos
tl es el tiempo en el nivel bajo en segundos
R1 y R2 son las resistencias del circuito en ohms
C es el valor del capacitor en farads.
Para obtener un ciclo activo ajustable, podemos emplear un potenciómetro o trimpot en la configuración mostrada en la figura 15.
Si bien el programa dado para calcular los elementos de esta configuración en el CD no es válido, recordamos que los valores límite para los componentes son los mismos de la configuración tradicional.
7. Temporizador Simple
En la figura 16 tenemos un circuito básico de temporizador que mantiene un relé accionado (u otra carga de corriente continua) por un intervalo de tiempo que se puede ajustar entre algunos segundos hasta más de media hora en el pote P1.
Una vez ajustado el tiempo en P1, se presiona el interruptor S1 por un instante para llevar la salida del 555 al nivel alto y así obtener el atraque del relé o alimentación de la carga de colector del transistor.
El tiempo máximo que se puede obtener de este tipo de circuito depende básicamente de las fugas del capacitor electrolítico C1.
Son estas fugas que determinan su valor máximo. Cuando las fugas alcanzan un valor que forma con P1 un divisor de tensión cuya tensión aplicada a los pinos 6 y 7 cae por debajo del punto de disparo, el circuito no se apaga más y se mantiene constantemente disparado. Es importante que el capacitor colocado en ese temporizador sea un tipo de excelente calidad para que problemas de fugas no afecten su funcionamiento.
Otro problema relacionado con el capacitor está en la carga residual. Una vez utilizado el temporizador, la vez que se dispara, no tendremos el mismo intervalo de tiempo ajustado, pues siempre queda una carga residual en el capacitor a partir de la cual inicia la carga de temporización. Esta carga afecta sensiblemente la precisión de un temporizador que utiliza el 555.
8. Temporizador doble
En la figura 17 tenemos una configuración muy interesante para aplicaciones en automatismos de todo tipo.
Se trata de la posibilidad de realizar una doble temporización en la que, al presionar S1, el primer CI determina el intervalo de tiempo inicial, después del cual el relé utilizado como carga será accionado. Cuando el relé se acciona, el intervalo de tiempo en que se quedará atrapado dependerá del segundo CI. Así, tenemos una curva de operación conforme a la figura 18.
En esta curva, t1 es el intervalo de tiempo que transcurre entre el presionar de S1 y el accionamiento del relé. t2 es el tiempo en que el relé se activa. Los valores de C1 y C3 determinan t1 y t2 y sus valores límite son los indicados en la aplicación tradicional. Los trimpots en serie con estos capacitores pueden ser empleados para ajustes finos del tiempo de accionamiento de cada una de las etapas con el 555.Podemos ir más allá con la utilización de esa idea agregando diversos 555 en serie para un accionamiento secuencial, como muestra la figura 19.
Los tiempos de accionamiento de cada salida en una secuencia son determinados por los capacitores asociados a los pines de disparo y ajustados en los trimpots en serie con estos elementos.
9. Sensor Foto-Eléctrico
El circuito integrado 555 puede ser disparado por la puesta a tierra momentánea del pino 2. Como este pino tiene una alta impedancia de entrada, varios tipos de sensores se pueden utilizar con circuitos adicionales simples para hacer su disparo. Una posibilidad interesante es el disparo por foco de luz, en un sensor foto-eléctrico que puede ser utilizado en aplicaciones industriales tales como alarmas de paso, de presencia de objetos y mucho más. El circuito sugerido se muestra en la figura 20.
Cuando un foco de luz incide en el LDR el transistor conduce, y con ello la entrada de disparo del 555 es llevada al nivel bajo por un instante, disparando la configuración monoestable. La salida del 555 va, entonces, al nivel alto por un intervalo de tiempo que depende de R y de C, de la forma que ya vimos y que puede ser calculada por las fórmulas convencionales. Vea que, incluso después de que el pulso de luz aplicado en el sensor desaparezca, el relé encendido como carga permanecerá activado. Para tener el accionamiento con el corte de luz basta invertir el modo de conexión del sensor, observe la figura 21.
En este circuito, cuando la luz es cortada en el LDR por un instante, el transistor conduce colocando el nivel bajo en el pino de disparo del 555 conectado en la configuración monoestable. En los dos circuitos el ajuste de la sensibilidad es hecho por el trimpot. Para obtener mayor sensibilidad y directividad para el accionamiento del circuito, el sensor debe montarse en un tubo opaco con una lente convergente. En la figura 22 mostramos el posicionamiento del sensor en relación al foco de la lente, para obtener mayor sensibilidad y selectividad.
Los filtros de color se pueden colocar para la detección selectiva de luz en aplicaciones que requieran más de un canal de operación. En estos circuitos, con el uso de trimpots de valores mayores se pueden utilizar fototransistores e incluso fotodiodos. La sensibilidad obtenida dependerá de las características de los componentes usados. Es importante observar que los fototransistores y fotodiodos son mucho más rápidos que los LDR en la detección de pulsos o cortes de luz de muy dura duración.
10. Detector de Ausencia de Pulso
Una aplicación importante del 555 en automatismos, transmisión de datos y controles remotos es el detector de ausencia de pulsos. Lo que este circuito hace es detectar cuando uno o más pulsos (en una secuencia que debe mantenerse constante), faltan. En un sistema de seguridad o monitoreo de funcionamiento de una máquina, el detector de ausencia de pulso puede acusar inmediatamente cuando ocurre una interrupción en un eslabón de protección o aún cuando ocurre una situación en que el tren de pulsos de control falla. La ventaja del sistema es el uso de pulsos en una frecuencia que posibilita la protección de áreas muy grandes, o aún el envío de señal a una estación muy distante, pues opera por frecuencia y no por intensidad de la señal. En la figura 23 tenemos la configuración básica del 555 recomendada para esa aplicación.
La constante de tiempo RC, que puede ser calculada por el programa de la configuración monoestable del CD, debe ser mayor que el intervalo entre dos pulsos transmitidos, pero menor que dos intervalos sucesivos (para detectar la ausencia de un pulso). La transmisión de las muñecas se puede hacer con la ayuda de otro 555 en la configuración estable. Como la entrada del circuito es de alta impedancia, la distancia entre el transmisor y el detector puede ser muy grande. Las formas de onda para esta aplicación se muestran en la figura 24.
11. Divisor de frecuencia
Otra aplicación poco conocida para el circuito integrado 555 es como divisor de frecuencia. Como se ve en la figura 25, el 555 se conecta como monoestable y la señal rectangular hasta 500 kHz cuya frecuencia queremos dividir, se aplica al pin 2.
La constante de tiempo del circuito debe entonces calcularse (usando la opción monoestable del programa) para tener un valor que corresponda a dos, tres o cuatro veces el período de la señal de entrada. En estas condiciones, aprovechando el disparo al final de cada ciclo de temporización, tenemos la división de la frecuencia de entrada por esos valores.
12. Modulación de posición de pulso (PPM)
Pulse Position Modulation o PPM es una aplicación interesante para el circuito integrado 555 conectado en la configuración astable. En la figura 26 mostramos el circuito. Las formas de onda obtenidas con el 555 utilizado en esta aplicación son pulsos .cuja separación varía según la señal de entrada.
CONCLUSIÓN
Lo que hemos visto hasta aquí es sólo una pequeña parte de lo que se puede hacer con base en el circuito integrado 555 y sus versiones de menor consumo y menor tensión. Trabajando con el ciclo activo, con la entrada de modulación y de reset, el lector imaginario podrá crear aplicaciones que de otra forma requerirían circuitos dedicados mucho más caros y complejos. Aprovechar el potencial de un circuito integrado que se puede encontrar con facilidad ya un costo muy bajo, puede ser muy importante tanto en los proyectos de uso personal como en los proyectos industriales.