Cuando se diseñan dispositivos electrónicos, a menudo es necesario generar pulsos de una longitud determinada o generar una señal rectangular con una frecuencia determinada y una cierta relación longitud/pausa. Un diseñador experimentado no debería tener dificultades para diseñar un dispositivo de este tipo a partir de elementos digitales individuales, pero es más conveniente utilizar un chip especializado para este fin.
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Qué es el NE555 y dónde se puede utilizar
El NE555 se desarrolló en los años 70 y sigue siendo muy popular entre los profesionales y los aficionados. Es un dispositivo temporizador alojado en un paquete de 8 pines. Está disponible en versiones DIP o de montaje superficial (SMD).
El microcircuito contiene dos comparadores, uno superior y otro inferior. En sus entradas se forma una tensión de referencia igual a 2/3 y 1/3 de la tensión de alimentación. El divisor está formado por resistencias Resistencia de 5 kΩ. Los comparadores controlan el disparador RS. A su salida se conectan un amplificador de buffer y un interruptor de transistor. Cada comparador tiene una entrada libre y se utiliza para señales de control externas. El comparador superior se dispara cuando aparece un nivel alto y pone la salida del chip a un nivel bajo. El comparador inferior "vigila" la reducción de la tensión por debajo de 1/3 de VCC y pone la salida del temporizador en 1 lógico.
Las principales características del chip NE555
Las características de los temporizadores pueden variar ligeramente de un fabricante a otro, pero ningún fabricante tiene diferencias fundamentales (salvo los chips de origen desconocido, de los que se puede esperar cualquier cosa):
- La tensión de alimentación está especificada de forma estándar entre +5V y +15V, aunque las hojas de datos especifican un rango de 4,5...18V.
- La corriente de salida es de 200 mA.
- La tensión de salida es como máximo VCC menos 1,6V, pero no menos de 2V a una tensión de alimentación de 5V.
- Consumo de corriente a 5 V máx. 5 mA, a 15 V máx. 13 mA.
- Error de formación de la anchura del pulso: no más del 2,25%.
- La frecuencia máxima de funcionamiento es de 500 kHz.
Todos los parámetros están especificados para una temperatura ambiente de +25°C.
Asignación y disposición de las clavijas
Independientemente del diseño de la caja, las salidas del temporizador están dispuestas de forma estándar, del 1 al 8, en orden ascendente en sentido contrario a las agujas del reloj (cuando se ve desde arriba). Cada pin tiene asignada una función diferente:
- GND - es el cable de alimentación común del dispositivo.
- TRIG - Cuando se aplica un nivel bajo, dispara el segundo comparador (el inferior en el diagrama), su salida es un uno lógico, que pone el disparador interno RS a 0. Se le conecta una cadena de tiempo RC externa. Tiene prioridad sobre el THR.
- OUT - de salida. El nivel de señal alto está justo por debajo de la tensión de alimentación, el nivel de señal bajo es de 0,25V.
- RESET - restablecimiento. Independientemente de las señales de las otras entradas, si es baja, reinicia la salida a 0 e inhibe el funcionamiento del temporizador.
- CTRL - control. Siempre tiene un nivel de 2/3 de la tensión del bus de alimentación presente. Aquí se puede aplicar una señal externa y modular la salida con ella.
- THR - Cuando se alcanza un nivel alto (más de 2/3 de la tensión de alimentación) el primer disparador (superior del circuito) se pone a 1 y el Activación de RS 1. El disparador interno RS pasa a lógica 1.
- DIS - Descarga del condensador de tiempo. Cuando la salida de disparo es alta, el transistor interno se abre y se produce una descarga rápida. El temporizador está listo para el siguiente ciclo de trabajo.
- VCC - salida de la fuente de alimentación. Se le puede aplicar una tensión de 5 a 15 V.
Descripción de los modos de funcionamiento del NE555
Aunque la arquitectura del temporizador permite utilizarlo en una variedad de modos, hay tres modos típicos de funcionamiento del NE555.
Vibrador simple (multivibrador de reserva)
Posición inicial:
- En la entrada 2, el nivel lógico es alto;
- Las entradas de disparo R y S son ceros;
- Salida de disparo - 1;
- el transistor del circuito de descarga está abierto, el condensador C está puenteado;
- en la salida 3 - nivel 0.
Cuando aparece un nivel cero en la entrada 2, el comparador inferior pasa a 1, restableciendo el disparo a 0. En la salida del chip aparece un nivel alto. Al mismo tiempo, el transistor se cierra, dejando de derivar el condensador. Comienza a cargarse a través de la resistencia R. Tan pronto como el voltaje a través de él alcance 2/3 de VCC, el comparador superior se disparará, poniendo el disparador de nuevo en 1 y la salida del temporizador en 0. El transistor se abre y descarga el condensador. Esto genera un impulso positivo en la salida, cuyo inicio está determinado por la señal externa en la entrada 2 y cuyo final depende del tiempo de carga del condensador, que se calcula según la fórmula t=1,1⋅R⋅C.
Multivibrador
Cuando se aplica la alimentación, el condensador se descarga, la entrada 2 (y 6) es un 0 lógico, la salida del temporizador es 1 (este proceso se describe en el apartado anterior). Una vez que el condensador se cargue a través de R1 y R2 hasta 2/3 de VCC, el nivel alto en la entrada 6 pondrá a cero la salida 3 y el transistor de descarga se abrirá. Pero el condensador no se descargará directamente, sino a través de R2. Finalmente, el circuito volverá a su posición original y el ciclo se repetirá una y otra vez. De la descripción del proceso se desprende que el tiempo de carga viene determinado por la suma de las resistencias R1, R2 y la capacidad del condensador, y el tiempo de descarga lo fijan R1 y C. En lugar de R1 y R2, se pueden suministrar resistencias variables y controlar operativamente la frecuencia y el ritmo de los impulsos. Las fórmulas de cálculo son las siguientes:
- duración del impulso t1=0,693⋅(R1+R2)⋅C;
- duración de la pausa t2=0,693⋅R2⋅C;
- frecuencia de repetición de impulsos f=1/(0,693(R1+2⋅R2)⋅C.
El tiempo de pausa no puede exceder el tiempo de pulso. Para superar esta limitación, los circuitos de descarga y carga se separan incluyendo un diodo (cátodo a la patilla 6, ánodo a la patilla 7) en el circuito.
Disparador de Schmitt
Puedes construir un disparador Schmitt en un chip 555. Convierte una señal que cambia lentamente (sinusoidal, ondulatoria, etc.) en una onda cuadrada. Aquí no se utilizan circuitos de temporización, la señal se aplica a las entradas 2 y 6 conectadas entre sí. Al alcanzar el umbral de 2/3 de VCC la tensión de salida salta a 1, al caer a 1/3 también salta a cero. La zona de ambigüedad es 1/3 de la tensión de alimentación.
Ventajas y desventajas
La principal ventaja del chip NE555 es su facilidad de uso: basta con un paquete pequeño y bien calculado para construir el circuito. Al mismo tiempo, el coste del dispositivo es bajo.
La principal desventaja del temporizador es una pronunciada dependencia de la duración del pulso con respecto a la tensión de alimentación. Esto se debe a que el condensador de un circuito de flip-flop o flip-flop se carga a través de una resistencia (o dos), y el pin de la resistencia superior está conectado a la barra de alimentación. La corriente a través de la resistencia es generada por el voltaje VCC - cuanto más alto sea el voltaje, más alta será la corriente, más rápido se cargará el condensador, antes se disparará el comparador y más corto será el intervalo de tiempo generado. Por alguna razón desconocida, este punto no aparece en la documentación técnica, pero es conocido por los desarrolladores.
Otra desventaja del temporizador es que las tensiones de umbral de los comparadores están formadas por divisores internos y no pueden ajustarse. Esto reduce las opciones de aplicación del NE555.
También hay otra característica desagradable. Debido al diseño push-pull de la etapa de salida, en el momento de la conmutación (cuando el transistor de subida está abierto y el de bajada aún no está cerrado o viceversa.) hay un impulso de corriente. Su duración es pequeña, pero provoca un calentamiento adicional del microcircuito y forma interferencias en el circuito de alimentación.
Cuáles son los análogos
Desde la existencia del temporizador, se ha desarrollado y liberado un gran número de clones. Son producidos por diferentes empresas, pero todos contienen los números 555. Entre las fábricas que producen análogos, hay tanto fabricantes populares de componentes electrónicos como fabricantes desconocidos del sudeste asiático. Mientras que los primeros pueden ofrecer las prestaciones anunciadas, los segundos no pueden hacerse responsables de ninguna garantía. Las desviaciones de las características declaradas pueden ser grandes.
La URSS ha desarrollado el KR1006VI1 análogo. Su funcionalidad es idéntica a la del original con una excepción: el pin 2 tiene prioridad sobre el pin 6 (y no al revés como con el NE555). Esto debe tenerse en cuenta a la hora de diseñar los circuitos. Una cosa más: la designación KR significa que el chip sólo está disponible en un paquete DIP8.
Ejemplos de aplicaciones prácticas
El área de aplicación práctica es amplia y no podemos abarcar todo el tema en la presente revisión. Pero vale la pena analizar los ejemplos más comunes.
En el modo de un solo oscilador se puede construir una cerradura de código con marcación limitada en el tiempo en unos pocos microchips. Otra forma es utilizarlo como alarma de nivel de umbral (luz, nivel de capacidad, etc.) junto con varios sensores.
En modo multivibrador (modo astable), el temporizador tiene la más amplia gama de aplicaciones. Se puede construir un interruptor en cadena con control separado de la frecuencia de parpadeo, el tiempo de encendido y el tiempo de pausa en varios temporizadores. Puede utilizar el NE555 como base para un relé de tiempo y formar el tiempo de encendido de los consumidores de 1 a 25 segundos. Es posible construir un metrónomo para un músico. Este es el modo más utilizado del chip y es imposible describir todos los usos.
Como disparador Schmitt, el temporizador no se utiliza a menudo. Pero en el modo biestable, sin controladores de frecuencia, el NE555 se utiliza como un supresor de rebotes de contacto o como un interruptor de dos botones en el modo de arranque/parada. De hecho, sólo se utiliza el disparador RS integrado. También se sabe que se puede construir un controlador PWM basado en el temporizador.
Hay libros de circuitos que describen varios usos del temporizador NE555. Hay miles de maneras de utilizar el chip. Pero incluso esto no es suficiente para la mente inquisitiva del diseñador, y encontrará un uso adicional, aún no descrito, para el temporizador. Las capacidades de los diseñadores de chips lo permiten.
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