Compreendendo o temporizador 555

O IC 555 é um dos IC mais populares e mais amplamente utilizados. É um circuito integrado versátil e extremamente robusto que é usado em muitas aplicações, como temporizadores (timer), geradores de onda (pulso) e osciladores.

O IC555, popularmente conhecido como o Temporizador 555, foi desenvolvido por Hans Camenzind da Signetic Corporation no ano de 1971.

Podemos dizer que o 555 já foi utilizado em praticamente todos os tipos de projetos eletrônicos, de brinquedos a computadores, de alarmes a naves espaciais.

Foi lançado em duas categorias: NE 555 e SE 555. Os NE 555 é de uso comercial com uma gama de temperatura de 0 ⁰ C a 70 ⁰ C, já o SE 555 são concebidos para satisfazer as normas militares com uma gama de temperatura -55 ⁰ C a 125 ⁰C. É um IC monolítico e foi o primeiro temporizador disponível comercialmente em IC.

Características

Algumas das características importantes do temporizador 555 são

• O temporizador 555 pode ser alimentado com tensões que podem variar de 5 V a 18 V.
• Esta disponível em 3 encapsulamentos diferentes: Metal de 8 pinos, DIP de 8 pinos e DIP de 14 pinos.
• O tempo pode ser de microssegundos a horas.
• Pode operar em ambos os modos astavel e monoestável.
• Alta corrente de saída.
• Tem um ciclo de trabalho ajustável.
• É compatível com TTL devido à sua alta corrente de saída.
• A saída pode gerar uma corrente de 200 mA na carga.
• Tem uma estabilidade à temperatura de 0,005% por 0C.

Modos de Operação

Geralmente, o temporizador 555 pode ser operado em três modos: Astavel, Monoestavel (ou one-shot) e Biestavel.

Modo Astavel

Neste modo, os 555 funcionam como um oscilador continuo. A saída do multivibrador astavel alternará continuamente entre nível baixo e alto, gerando um trem de pulso, razão pela qual é conhecido como gerador de pulsos.

É um ótimo gerador de onda quadrada perfeita.

Modo Monoestavel

No modo monoestavel, como o nome sugere, ele permanece em seu estado estável até que um pulso externo seja aplicado. Neste modo, o 555 funciona como um gerador de pulso “one-shot. A melhor aplicação de um monoestavel é produzir um atraso de tempo em um sistema.

As aplicações compreendem muitos circuitos, tais como temporizadores, detecção de pulso, interruptores de toque, divisor de frequência, medição de capacitância e modulação de largura de pulso (PWM) e muito mais.

Modo Biestavel

No modo biestavel, o IC 555 atua como um flip-flop, pois possui dois estados estáveis. Ele pode ser usado para armazenar 1 bit de dados. Não é uma ótima opção para implementar um flip-flop.

Configuração dos pinos do temporizador 555

O temporizador 555 está disponível em encapsulamento de metal de 8 pinos, encapsulamento duplo em linha de 8 pinos (DIP) e DIP de 14 pinos. O DIP de 14 pinos é IC 556 que consiste em dois temporizadores 555.

O DIP de 8 pinos é mais utilizado. Os diagramas do 555 em ambos os encapsulamentos de 8 pinos são mostrados abaixo.

Os nomes e números de todos os pinos juntamente com suas descrições são tabulados abaixo.

Pin 1 – Ground (GND)

Tensão de referência de terra (baixo nível 0V). Todas as tensões são medidas em relação a este terminal.

Pin 2 – Trigger Terminal

É responsável pelas transições SET e RESET do flip-flop (FF). A amplitude do pulso de disparo externo influenciará a saída do temporizador. A saída é alta e o intervalo de tempo começa quando a entrada no pino de disparo cai abaixo de metade da tensão de controle (ou seja, 1/3 do VCC).

Pin 3 – Terminal de saída

A forma de onda de saída está disponível neste pino. É conduzido para 1,7 V abaixo do VCC. Dois tipos de cargas podem ser conectados à saída. Um é normalmente fora de carga, que está conectado entre os pinos 3 e 1 (GND) e o outro é normalmente carregado, que está conectado entre os pinos 3 e 8 (VCC).

Pin 4 – Reset Terminal

Um pulso negativo neste pino irá desativar ou reiniciar o temporizador. O temporizador começará apenas quando a tensão neste pino estiver acima de 0,7V e, portanto, normalmente está conectado ao VCC quando não usado.

Pino 5 – Tensão de controle

Ele controla os níveis de limiar e gatilho e, portanto, o tempo do 555. A largura do pulso de saída é determinada pela tensão de controle. A tensão de saída pode ser modulada por uma tensão externa aplicada a este pino. Geralmente, ele está conectado à terra através de um capacitor de 10μF quando não está em uso para eliminar qualquer ruído.

Pin 6 – Terminal Limiar

A tensão aplicada neste terminal é comparada com uma tensão de referência de 2/3 VCC. Quando a tensão neste terminal é superior a 2/3 VCC, o flip-flop é RESETADO e a saída cai de nível alto para nível baixo.

Pin 7 – Descarga

Ele está conectado ao coletor aberto do transistor NPN interno que descarrega o capacitor de temporização. Quando a tensão neste pin atinge 2/3 VCC, a saída muda de alto para baixo.

Pin 8 – VCC (FONTE)

Uma tensão de alimentação na faixa de 5V a 18V é aplicada a este terminal.

Diagrama do circuito interno do temporizador 555

O diagrama interno de um temporizador 555 é mostrado abaixo. Consiste no seguinte

• Dois comparadores
• Um flip-flop SR
• Dois transistores
• Uma rede resistiva

Os comparadores são os Amplificadores Operacionais básicos. O comparador 1, que fornece tensão a entrada R do FF, compara a tensão de limiar com uma tensão de referência de 2/3 VCC.

O comparador 2, que fornece tensão a entrada S ao flip-flop (FF), compara a tensão de disparo com uma tensão de referência 1/3 VCC.

A rede resistiva de três resistores atuará como um circuito divisor de tensão. Os valores dessas resistências são 5KΩ cada. Esses três resistores 5K são responsáveis ​​pelo nome ” IC 555 “.

Possui dois transistores bipolares, um transistor é de descarga. O coletor deste transistor está conectado ao pino de descarga (Pin 7) do IC. De acordo com a saída do flip-flop, este transistor entra em saturação ou corte.

Quando o transistor está saturado, ele fornece um caminho de descarga para o capacitor que está conectado externamente. A base do outro transistor é conectada ao terminal de reinicialização (Pin 4) que reinicia o temporizador independentemente das outras entradas.

Funcionamento do 555

Os três resistores de 5KΩ formam uma rede divisora de tensão. Esta rede fornece duas tensões de referência para dois comparadores 2/3 de VCC para o terminal inversor do comparador superior (comparador 1) e 1/3 de VCC para o terminal não inversor do comparador inferior (comparador 2).

O terminal inversor do comparador superior está conectado à entrada de controle. Geralmente, a entrada de controle não é usada e está conectada a 2/3 do VCC. A outra entrada do comparador superior é um limiar e sua saída está conectada à entrada R (reset) do flip-flop.

Quando a tensão de limiar é superior a 2/3 de VCC (ou seja, a tensão de controle), então o flip-flop é RESETADO e a saída Q fica “BAIXA”. Isso ativará o transistor de descarga (transistor vai para a saturação) e fornece um caminho de descarga para o capacitor conectado externamente.

Lembrando que o transistor de descarga está conectado ao Q barrado do flip-flop, portanto o inverso do não barrado.

Uma entrada de disparo é conectada ao terminal inversor do comparador inferior. Quando a entrada de disparo é menor do que a tensão de referência (1/3 de VCC), a saída do comparador inferior é alta.

A saída do comparador inferior está conectada à entrada S (set) do flip-flop e, portanto, o flip-flop é SETADO e a saída Q fica “ALTA” e o intervalo de tempo começa. À medida que a saída é alta, o transistor de descarga é desligado e permite o carregamento do capacitor conectado externamente.

Por isso, para que a saída seja “ALTA”, a entrada do gatilho deve ser menor do que a tensão de referência momentaneamente. A saída é baixa quando a tensão de limiar é maior que 2/3 VCC, o que reinicia o flip-flop.

Introdução a constante de tempo RC

Atender os requisitos de temporização é uma tarefa de alta prioridade na maioria das operações. Por exemplo, o processo de aquecimento de um metal ou um material em uma indústria é limitado no tempo.

Portanto, encontrar os requisitos de tempo específicos podem ser alcançados por circuitos temporizados.

Um circuito de temporizador básico é mostrado abaixo. Consiste em um circuito de carga, um comparador e uma unidade de saída.

O circuito de carregamento consiste em um resistor e um capacitor. Quando se aplica uma tensão (CC) em um circuito série RC, o tempo necessário para o capacitor carregar no valor do pico é controlado pelo resistor.

O tempo de carregamento é proporcional ao valor da resistência. A taxa a que o capacitor carrega em um circuito RC é dada pela constante de tempo.

A constante de tempo RC, geralmente chamado Tau (representado pelo símbolo τ), é a constante de tempo de um circuito RC que é o tempo gasto pelo Capacitor para carregar através do Resistor em aproximadamente 63,2% da diferença entre valores iniciais e os valores finais.

Também é igual ao tempo gasto pelo capacitor para descarregar a 36,8%. A constante de tempo de um circuito RC é igual ao produto de R e C.

                                                                              τ = RC

Como mencionado anteriormente, quando a entrada do gatilho cai abaixo de 1/3 de VCC, a saída do temporizador fica alta e o período para o qual está permanece alto é determinado pela constante de tempo RC.

A largura do pulso e a frequência da saída do temporizador 555 são determinadas pela constante de tempo RC.

Escolhendo componentes para o circuito RC do temporizador

Um temporizador 555 pode fornecer atrasos de micro segundos a horas, dependendo dos valores de R e C no circuito de carregamento. Por isso, é muito importante escolher valores apropriados para resistores e capacitores.

Quando o temporizador 555 está operando no modo Astavel, ele requer um circuito RC composto por dois resistores e um capacitor. E, no caso de um modo de operação monoestável, o circuito RC compreende de um resistor e um capacitor.

Capacitor de tempo

Escolher capacitores com grandes capacitâncias será um problema. Isso ocorre porque os capacitores eletrolíticos com grandes capacitâncias muitas vezes tendem a ter limites de tolerância mais amplos. Portanto, os valores reais e os valores marcados podem ter uma diferença significativa.

Os capacitores eletrolíticos de grande capacitância terão altas correntes de fuga que podem afetar a precisão da temporização conforme o capacitor carrega. Ao escolher capacitores com grande capacitância e baixa corrente de fuga, os capacitores de tântalo são uma opção melhor.

É melhor evitar capacitores eletrolíticos que tenham uma alta tensão de trabalho, uma vez que não funcionam de forma eficiente quando operados a uma tensão 10% inferior à sua tensão nominal.

Os capacitores de temporização com capacitância inferior a 100pF para produzir pulsos curtos de saída também podem causar problemas.

Para capacitores com valores tão baixos, a capacitância gerada em torno do circuito pode afetar a capacitância do capacitor de temporização.

Resistência de tempo

Ao operar o temporizador 555 como um multivibrador Astavel, o valor da resistência de temporização deve ser de pelo menos 1 K Ohm. Se a ideia é construir um circuito de baixo consumo de energia, é melhor ter valores mais altos para as resistências de temporização.

Mas há uma desvantagem na escolha de resistores com maiores resistências, pois levam a imprecisões no tempo. Para minimizar essas imprecisões, o valor da resistência de temporização não deve ser superior a 1 M Ohm.

Pulso de disparo

O Pin 2 no temporizador 555 é uma entrada de gatilho. Quando a entrada de disparo passa abaixo da tensão de referência, ou seja, 1/3 de VCC, a saída do temporizador é alta e o intervalo de temporização começa.

O pulso de disparo deve momentaneamente ir abaixo da tensão de referência e a duração é importante porque não deve ser maior que o pulso de saída.

Os pulsos de disparo geralmente são identificados por um pico negativo. Um circuito diferenciador feito a partir de um capacitor e um resistor produzirá dois picos simétricos, mas um diodo é usado para eliminar o pico positivo.

A duração do pulso é determinada pelo circuito do diferenciador (isto é, depende do capacitor e do resistor).

Aplicações

Desde a introdução do IC 555 no início dos anos 70, tem sido empregado em inúmeros circuitos e aplicações por pesquisadores e hobbystas. Algumas das áreas importantes das aplicações do temporizador 555 são:

• Geração de pulso
• Geração de tempo de atraso
• Tempo de precisão
• Tempo sequencial
• Modulação de Largura de Pulso (PWM)

As aplicações típicas de um temporizador 555 podem ser diferenciadas pelo modo de operação. Dependendo do modo em que é operado, ou seja, no modo Astavel ou em modo Monoestavel, algumas das aplicações do IC 555 são:

• Divisor de frequência
• Gerador de rampa linear
• Detector de pulso ausente
• Modulação da posição do pulso
• Geração de onda quadrada
• Modulação de largura de pulso
• Oscilador
• Gerador de explosão de tons
• Dispositivo de advertência de velocidade
• Conversor DC-DC regulador
• Conversor de tensão / frequência
• Receptor de linha de baixo custo
• Testador de cabos

Prof. José Carlos