appunti sul timer con Ic 555

TEMPORIZZATORE CON Ic NE 555
( a cura del prof A. GARRO )
SCHEMA A BLOCCHI :
VCC
R2
1M
VCC
NE555
(8)
VCC
.
R3
5K
100K
1
+
(5)CV
1
C7
100uF
VCC
C6
0.1uF
DIS
A
(6) THR
(7)
.
TR
0
-
R
2 VCC
3.
Q
2
5K
1
R4
1K
1
VCC
3
(2) TR
.
5K
S1
S
Q
1
reset
-
2
START
B
+
OUT (3)
0
T
T=1.09*(R2+R3)*C7
(sec)
0
1
GND
R
(1)
(4)
VCC
R6
10K
1
C5
10uF
2
Il circuito è formato da due comparatori ( A e B ), da un flip-flop di tipo S-R che pilota con la sua
uscita negata Q un buffer invertente di potenza con la funzione di pilotare un carico in uscita (
Icarico < 100mA ). Un partitore resistivo composto da 3 resistori in serie di uguale valore ( 5K
) impongono una tensione di riferimento pari a 2/3Vcc all’ingresso invertente del comparatore
A e una tensione di 1/3Vcc all’ingresso non invertente del comparatore B. L’uscita dei due
comparatori assume un valore prossimo alla Vcc se in ingresso V+ > V-, viceversa se V- > V+
l’uscita assumerà un valore prossimo a 0 Volt.Le uscite dei comparatori
A e B attiveranno col suo fronte di salita 0→1 rispettivamente l’ingresso S e R del FF. Un
transistore pilotato in base dall’uscita negata Q del FF assumerà due soli possibili stati (
interdizione o saturazione ).
Analizziamo il funzionamento del circuito in figura con l’aggiunta di componenti esterni all’Ic
555.
All’accensione il condensatore C5 essendo inizialmente scarico Vc=0Volt renderà attivo il
reset del FF che forzerà l’uscita Q a livello logico 0 ( 0 Volt ) impedendo qualsiasi
commutazione casuale del FF. L’uscita negata Q a livello logico 1 ( Vcc) manderà in
saturazione il transistore ( Vce = 0,2 Volt )e tramite il buffer invertente l’uscita ( pin 3 ) assumerà
valore Vout =0 Volt. La Vce del BJT sarà anche la tensione ai capi di C7 che sarà bloccata a
0.2 Volt impedendogli di caricarsi al valore Vcc, con costante di tempo (R2+R3 ) * C7. Intanto il
condensatore C5 ha terminato la sua carica ( Vc5 = Vcc )e quindi da questo momento il reset
del FF è disattivato. Le uscite dei due comparatori si trovano entrambi a 0 Volt.
Se adesso premiamo il pulsante di start , all’ingresso del comparatore B si avrà V+ > V- e quindi
la sua uscita passerà da 0 a 1 ,attivando l’ingresso S ( set ) del FF che porterà a sua volta
l’uscita Q a 1 ( Vcc ).L’uscita negata Q del FF sarà quindi 0 ( 0 Volt ),il BJT passerà in
interdizione e l’uscita ( pin 3 ) assumerà valore 1 ( Vcc ).A questo punto il BJT essendo passato
in interdizione non bloccherà più la carica del condensatore C7 che potrà adesso caricarsi per
un certo tempo fino a raggiungere una VC 7 =
2
VCC .Appena raggiunto e superato questo valore
3
il comparatore A commuterà la sua uscita 0→1 e attiverà l’ingresso R (reset) del FF che
commuterà l’uscita Q =0. L’uscita Q sarà 1 e l’ OUT del 555 (pin 3 ) ritornerà a 0. Quindi il
tempo in cui L’OUT del Ic 555 è a livello alto ( attivo ) è sostanzialmente il tempo occorrente al
2
Vcc .
3
condensatore C7 per raggiungere una sua tensione di carica uguale a
SCHEMA APPLICATIVO :
+12V
JP1
+12V
2
1
alim
mm-2
1
1
R1
1K
rc07
3
2
2
C2
100uF
cv 400/200
2
R6
10K
rc07
2
1
R5
10K
rc07
1
D1
2
2
1
2
16
9
8
2
2
K1
RELAY 12V
16dil300
2
THR
1
2
1
1
C5
10uF
6
U1
NE555
8dil300
C6
0.1uF
Q1
2N1711
to5a
C7
100uF
cv 400/200
2
2
ch300/100/200
cv 225/100
2
R9
4.7 k
rc07
2
2
1
ch300/100/200
2
4.7K
rc07
1
C4
0.1uF
2
2
ch300/100/200
1
1
1
D4
1N4001
diode-1n
C3
0.1uF
7
1
2
S1
START
2sil100
1
1
CV
DIS
GND
5
2.2K
rc07
TR
3
3
2
Q
out
mm-3
3
14
R7
VCC
1
R
1
2
3
1
8
4
R8
JP2
15
2
R3
100K
rc07
1
D2
LED
diode-led
1
D3
1N4001
diode-1n
1
1
2
1
R4
1K
rc07
2
R2
1M
v res-2
1N4001 diode-1n
1
C1
0.1 uF
ch300/100/200
Title
TEMPORIZZATORE
Size
A
Date:
Document Number
I.T.I. OMAR NOVARA
Saturday , Nov ember 12, 2005
Rev
00
Sheet
1
of
In riferimento allo schema del timer a 555, rispondere alle seguenti domande:
1. Dimostra e analizza perché T = 1.09 × (R 2 + R3 ) × C 7
•

Vc1 = Vcc * 1 − e

t
−
2
− 1 = −e RC →
3
− ln 3 = −
t
−
RC

→


t
−
1
− = −e RC
3
t
→
RC
t = 1,09 * (R 2 + R3 ) * C 7
t
−


t
RC 

−
2
2
RC
Vcc = Vcc * 1 − e  →
=1− e
→
3
3




t
→
ln1− ln 3 = −
*ln e
RC
ln 3 =
t
→
RC
t = ln 3* R *C
1
2. Quanta corrente attraverserebbe il LED se R1 fosse da 470 ohm? (VLED=1.8V e
VQ1=0.2V)
•
Vcc = VR1 + Vled + VCE →
I led = I R1 =
I R1 =
I led = I R1 = I Q1 →
Vcc − Vled − VQ1
→
R1
I led =
V R1
R1
12V − 1,8V − 0,2V
= 21,2mA
470Ω
3. Quale funzione svolge D1?
R1
118
R1
118
D1
D1
RELE'
L1
10mH
+
RELE'
.
L1
10mH
+
.
-
Vcc
12 V
-
Vcc
12 V
Q1
.
2
ON
10K
OFF
S1 .
•
Il BJT Q1 in conduzione (saturazione) possiamo supporlo equivalente ad una
resistenza di bassissimo valore (2 ohm) , mentre quando non è in conduzione
(interdizione) il suo valore possiamo ritenerlo equivalente ad un resistenza di alto valore
>(10 Kohm).
Durante la conduzione del BJT l’induttanza a regime si comporta come un corto circuito,
per cui la
I=
12V
= 100mA . Il diodo ,polarizzato inversamente, non conduce
118Ω + 2Ω
corrente. La VCE = I * 2 Ω = 100mA * 2Ω = 0,2 Volt
Nell’istante in cui il BJT commuta e va in interdizione, la sua resistenza equivalente
sarà di 10 KΩ.L’induttanza della bobina mantiene la stessa corrente di prima della
commutazione ,diminuendo il suo valore gradualmente con costante di tempo L / R, per
cui ,almeno istantaneamente, sarà la VCE = VR = R x I =10 K * 100mA = 1000 Volt.
.Questa sovratensione, presente ai capi del BJT lo danneggerebbe, ma il diodo essendo
adesso polarizzato direttamente, entra in conduzione istantaneamente e con la sua VD
= 0,5 Volt, impone un abbassamento immediato della tensione VCE = 1000 Volt ad un
valore a regime Vce =
Vcc
* 10 KΩ = 11,86Volt
118Ω + 10 KΩ
Possiamo quindi affermare che la funzione del diodo D1 è quella di proteggere il
transistore dalla presenza di una elevata sovratensione presente tra il suo collettore ed
emettitore ( VCE ) nell’istante della commutazione saturazione → interdizione
4. Che cosa succederebbe se D1 fosse saldato al contrario?
R1
118
R1
118
D1
D1
RELE'
.
.
L1
10mH
+
+
L1
10mH
RELE'
-
Vcc
12 V
-
Vcc
12 V
Q1
.
2
ON
10K
OFF
S1 .
In questo caso il diodo è in
polarizzazione diretta
e quando il BJT è in conduzione
Vce Vcc − Vd 12V − 0,5V
avremmo nel ramo una corrente I =
=
=
= 5,75 A . Sia il diodo che
R BJT
R BJT
2Ω
il BJT potrebbero non sopportare questo alto valore di corrente e danneggiarsi.
Oltretutto il diodo non avrebbe più la funzione di protezione contro la sovratensione (1000
Volt) dovuta all’induttanza della bobina durante la commutazione ON → OFF
5. Quale funzione svolgono i diodi D3 e D4?
Servono a proteggere l’integrato da eventuali sovratensioni presenti all’ingresso che
potrebbero danneggiarlo, limitando l’escursione della tensione presente nel pin 2 del Ic
555 ad un valore di (Vcc+0,5V) e ( 0V-0,5V) cioè da +12,5V a -0,5V .
VCC
2
VCC
U1
R
1
1
V2
2
2
TR
2.2K
Q
3
DIS
GND
R8
VIN
VCC
D3
CV
THR
NE555
Per VIN > VCC il diodo D3 è polarizzato direttamente, quindi è in conduzione. Sarà
quindi VIN - VCC = VR8 + VD3
→ (VIN − VCC ) = (VIN − V2 ) + (V2 − VCC ) →
VIN − VCC = VIN − V2 + VD 3 →
− VCC − VD 3 = −V2 →
per : VD3 = 0,5Volt →
V2 = VCC + VD 3 →
V2 = VCC + 0,5V
VCC
R
2
V2
2
2.2K
D4
TR
CV
Q
3
DIS
GND
1
2
R8
VIN
VCC
U1
THR
1
NE555
Per VIN < 0Volt (valori della tensione d’ingresso negativi) è invece
direttamente il diodo D4 che sarà quindi in conduzione.
Si avrà − VIN = −VR 8 − VD 4 →
polarizzato
− VIN = [− VIN − (− V2 )] − VD 4 →
− V2 = −0,5V
− VIN = −VIN + V2 − VD 4 →
− V2 = −VD 4
6. Che cosa succede se si collega una resistenza da 5 Kohm fra il pin 5 e Vcc?
(V5=2/3*Vcc)
VCC
VCC
12V
12V
R1
5K
R2
5K
R12
2.5K
V5
V5 =
V5
R3
5K
R3
5K
R4
5K
R4
5K
Vcc
12V
* ( R 3 + R 4) =
* (5 K + 5 K ) = 9,6Volt
R12 + R3 + R 4
5 K + 5 K + 2,5 K
In questo caso lo stato d’uscita ON del timer viene determinato dal tempo necessario al
condensatore C7 a raggiungere un valore di 9,6 Volt , diverso dal valore precedente di 8
Volt (2/3 Vcc),con un’alimentazione Vcc=12Volt e senza la resistenza R1 aggiunta.
Conseguenza di ciò avremmo un tempo ON del timer diverso (maggiore) da quello definito
dalla espressione T = 1.09 × (R 2 + R3 ) × C 7
7. Quali sarebbero i tempi massimi e minimi con un condensatore C7 da 1 µF?
T = 1.09 × (R 2 + R3 ) × C 7
T max = 1,09 * (10 6 + 10 5 ) *10 −6 = 1,199 sec
T min = 1,09 *10 5 *10 − 6 = 0,109 sec
8. Che cosa succede se si scambiano R4 e il pulsante S1?
2
VCC
S1
R5
10K
1
.
R8
2
555
2,2K
R4
1K
A riposo con il pulsante aperto la
V2 =
Vcc
12V
* ( R8 + R 4 ) =
* (2,2 K + 1K ) = 2,9Volt
R 5 + R8 + R 4
10 K + 2,2 K + 1K
La V2 =2,9V è minore dei 4 volt presenti all’ingresso + del comparatore B ,per cui il FF
sarebbe sempre attivo all’ingresso S (start) e l’uscita del timer sarebbe sempre ON.
Finito un ciclo ON, il FF si verrebbe a trovare con i due ingressi S=1 e R=1; condizione
di blocco per il funzionamento del FF.. Viceversa ,premendo il pulsante, il pin 2 sarebbe
sempre agganciato alla Vcc e l’uscita del timer sarebbe sempre OFF
9. Che cosa succede se non si salda il condensatore C5 ?
Il pin 4 del reset sarebbe sempre disattivato perché agganciato a Vcc ed il timer
all’accensione non avrebbe momentaneamente l’uscita forzata a 0 ma uno stato ON o
OFF casuale.
10. Con l’uscita del 555 (pin 3) è possibile pilotare una porta logica TTL ? A quali
condizioni?
Si a condizione che la Vcc= 5 Volt oppure si inserisca in uscita (pin 3) un partitore
resistivo che limiti la Vout a 5 Volt.
11. Dove altrimenti sarebbe possibile collegare il diodo LED di segnalazione?
Avendo un diodo led in conduzione una corrente Imax= 20 mA , può essere pilotato
direttamente in uscita (pin 3), potendo quest’uscita pilotare carichi fino a 100 mA.
12. Dire almeno un caso in cui è indispensabile la presenza del relè
L’uso del relè è indispensabile quando si devono pilotare carichi che prevedono un
assorbimento di corrente oltre i 100mA (sia in tensione continua che alternata), quando
necessitano di una tensione d’alimentazione in alternata (per qualsiasi valore); per
esempio l’uso del timer per l’accensione delle luci delle scale in un condominio;
13. Che cosa succederebbe se al posto di R8 saldassimo una resistenza da 10 Kohm?
VCC
R4
1K
R5
10K
R8
2
2
555
10K
1
S1.
Quando chiudiamo il pulsante avremmo :
V2 =
Vcc
12V
* R8 =
*10 K = 6Volt
R 5 + R8
10 K +!10 K
La V2 = 6 V sarebbe sempre superiore ai 4 V ( 1/3 Vcc) presenti all’ingresso V+ del
comparatore B e di conseguenza non si avrebbe mai la commutazione dell’uscita del
suddetto comparatore , necessaria per attivare lo stato d’uscita ON del timer.
14. Quali sono i valori corretti di tensione da applicare al pin 2 del 555 per avviare la
temporizzazione? Perché?
La commutazione dell’uscita del timer da OFF a ON avviene quando il valore della
V2 ( pin 2 del 555 ) scende sotto il valore di riferimento di 4 Volt (1/3 Vcc) , quindi per
valori che vanno do 0 Volt a 4 Volt ,perché solo in queste condizioni il comparatore B
può commutare e dare
all’ingresso
S (start ) del FF l’impulso necessario per la
1
3
commutazione dello stato logico d’uscita ( Q ). Quindi per 0V < V 2 < VCC
15. Cosa potrebbe accadere se non ci fosse il resistore R3 in serie al trimmer R2 ?
Il resistore R3 in serie al trimmer R2, oltre ad regolare il tempo in cui l’uscita del timer è
ON funge da resistenza di carico per il BJT interno all’Ic 555.Nel caso in cui il trimmer
fosse cortocircuitato R2 = 0 ohm ( Tmin ), senza la R2 il BJT si verrebbe a trovare con
una resistenza di carico Rc = 0 danneggiandosi perché attraversato da un’alta corrente
Icarico.
16. Che cosa succede se si scambiano fra di loro R6 e C5 ?
Per essere attivo il reset, il pin 4 deve essere a potenziale 0 Volt. Con la
configurazione seguente, all’accensione del circuito, inizialmente il C5 è scarico
(cortocircuito ) ( Vc = 0 ), la V4 sarà a potenziale Vcc e quindi il reset non è attivo. Di
conseguenza l’ OUT del timer può assumere uno stato ON o OFF casuale. Quando
il condensatore si sarà caricato non permetterà il passaggio di corrente e di
conseguenza la caduta di tensione nella R6 sarà VR6 = 0 Volt e quindi il reset sarà da
questo istante in poi sempre attivo e bloccherà l’OUT del timer sempre a 0 Volt.
1
VCC_CIRCLE
555
.
2
C5
4
R
5K
R6
17. Dire almeno un caso in cui sarebbe stato possibile pilotare un carico senza relè
Per alimentare ed attivare per un tempo T , l’accensione di lampade o semplici
apparecchiature elettriche o elettroniche che non richiedono una corrente superiore a
100 mA ( lettori mp3, diodi Led, piccoli motorini in corrente continua, lampeggiatori in
bassa tensione continua, ecc.. )
18. Che cosa accade se D4 viene invertito?
VCC
R5
10K
R8
2
2,2K
555
D4
.
Il diodo D4 in questo caso risulta polarizzato direttamente ed in conduzione tramite la R5.
La VD4 = 0,5 Volt impone questo valore all’ingresso del pin 2 ( V2 = 0,5 Volt) , interpretato
dal Ic 555 come un livello (V2<4Volt) atto a provocare lo start ( livello ON in uscita ) che si
manterrà in modo ripetitivo indipendentemente dallo stato del pulsante. Oltretutto il D4 non
esplicherà più la sua principale funzione di protezione dell’ingresso da valori di tensione
negativi ( Vin < -0,5 Volt )
19. Perché C1 e C2 sono stati utilizzati in parallelo anziché uno solo dei due?
C1 ( 0,1 uF ) serve a filtrare disturbi di alta frequenza presenti nella linea di
alimentazione :
C2 ( 100 uF ) ha una funzione di filtro di livellamento della Vcc.
20. Se la linea che collega il pulsante all’ingresso del circuito è abbastanza lunga
,quali problemi potrebbero sorgere? Come risolverli?
TIMER 555
220 Volt
I
S1
START
I
I
Zin
R
Se il pulsante di start è posto in posizione remota rispetto al circuito, con percorsi
adiacenti a quelli della rete elettrica ogni qualvolta si accende un elettrodomestico
(Aspirapolvere, lavatrice , ecc.. ) i disturbi provocati dalle spazzole dei motori elettrici
,captati per induzione dai fili del pulsante sono sufficienti ad attivare il timer rendendolo
quindi poco affidabile.
Per esempio , una Zin = 1KΩ (impedenza d’ingresso dell’apparecchiatura) attraversata
da una corrente indotta (disturbo) di 1 mA , avrebbe ai suoi capi una Vin= Zin*I =
1KΩ*1mA = 1 Volt , ma se la Zin = 100KΩ la Vin =100KΩ * 1mA = 100 Volt. E’
importante quindi, al fine di ridurre l’effetto dei disturbi di linea che la Zin sia la più bassa
possibile. A tal fine si è realizzato uno stadio d’ingresso a bassa impedenza costituito da
R4, C3, seguito da un filtro passivo composto da R5, C4.