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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 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 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 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 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 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. 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 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 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 
