IL TIMER 555 Nel 1972 la società Signetics, società che

L’integrato 555
IL TIMER 555
Nel 1972 la società Signetics, società che produce componentistica
elettronica, progetta e realizza il circuito integrato 555 con la
prerogativa di create un integrato semplice da usare, versatile ed
economico al fine di realizzare circuiti oscillanti, timer e formatori
di segnali.
Per comprendere il funzionamento dell’integrato bisogna
analizzare lo schema a blocchi al suo interno, figura al lato.
Si può notare un partitore di tensione costituito da tre resistenze
uguali di 5kΩ (da cui la sigla 555) che fornisce le tensioni di
riferimento per i comparatori.
Un primo comparatore riceve una tensione di 2/3Vcc sull’ingresso invertente
(pin 5, Vc), il secondo una tensione di 1/3Vcc sull’ingresso non invertente. Le
uscite dei due comparatori pilotano il Flip Flop Set-Reset in modo asincrono.
L’uscita del FF controlla il transistor NPN (pin 7) ed un Buffer (pin 3).
L’ingresso di Reset (pin 4), attivo basso, è prioritario in ogni momento. Se non
è usato è buona norma collegarlo alla tensione Vcc.
Il funzionamento interno del timer 555 è determinato dalle tensioni in uscita
dei due comparatori che in modo asincrono pilotano il FF S-R.
Per determinare l’uscita del Buffer e il funzionamento del transistor è
necessario comprendere bene il funzionamento del FF Set-Reset, riportato qui
a lato.
Il buffer di potenza (pin 3) può erogare al massimo una corrente di 200 mA.
L'
ingresso Vc (control voltage) può essere utilizzato per variare direttamente il
livello delle tensioni di riferimento dei comparatori, se non usato conviene
collegarlo ad un condensatore per evitare variazioni di tensioni indesiderate.
Il timer 555 è reperibile in commercio nella versione in contenitore plastico mini-DIP a 8 pin, si veda la figura
in cui è riportato la piedinatura dell’integrato. Esiste in commercio anche l’integrato 556 che al suo interno
alloggia due timer 555.
Per una maggiore comprensione dell’integrato qui di seguito è riportato la tabella di verità del FF S-R.
Appunti di elettronica – ITIS Galileo Ferraris – Prof. Aniello Celentano – Anno scolastico 2004/2005 – Pag. 1
L’integrato 555
CONFIGURAZIONE ASTABILE
Il funzionamento del timer 555 come circuito astabile è ottenuto
imponendo che la tensione di soglia Vth (pin 6) e quella di trigger
Vt (pin 2) siano uguali in ogni istante e dipendenti dalla tensione
ai capi di un condensatore C, esterno all’integrato. Si osservi il
circuito elettrico riportato qui a lato.
Supponiamo che inizialmente il condensatore C sia scarico.
All’istante ti, quando si alimenta il circuito con la tensione Vcc, il
condensatore inizierà a caricarsi per raggiungere tale tensione.
Man mano che il condensatore si carica, la tensione ai suoi capi
passa da valori al di sotto di 1/3 di Vcc (tensione ai capi di una
resistenza da 5 KOhm interna all’integrato) fino a superare 2/3 di Vcc (tensione ai capi delle due resistenza da 5
KOhm interne all’integrato).
Man mano che la tensione ai capi del condensatore varia, questa viene confrontata continuamente con le due
tensioni di riferimento: V1=1/3Vcc e V2=2/3Vcc. I due comparatori, pertanto, aggiornano i segnali Set (S) e Reset
(R) che entrano nel FF SR.
L’uscita Q (negata) del FF dipenderà dai segnali SR.
La tabella a lato riportata il comportamento delle varie uscite in
funzione della tensione ai capi del condensatore.
Si osservi che quando la tensione del condensatore, e cioè la tensione
di soglia Vth e quella di trigger Vt, è al di sotto di 1/3 di Vcc, il FF S-R
presenta gli ingressi S=1 e R=0. In questo caso l’uscita Q-negata sarà
bassa, ossia zero volt. Ciò permette al condensatore di continuare la sua carica in quanto il transistore, che lo
cortocircuita, è interdetto (circuito aperto).
Continuando la sua carica il livello di tensione supererà la soglia 1/3 Vcc, e però inferiore ai 2/3 Vcc. In questo
caso le uscite dei comparatori saranno rispettivamente nulle e quindi il FF non cambia il suo stato, il
condensatore continuerà a caricarsi.
Quando la tensione del condensatore supera i 2/3 Vcc, allora le
uscite dei comparatori saranno rispettivamente S=0 e R=1 e ciò
comporta in cambiamento di stato del FF. L’uscita Q-negata si
porterà a livello alto portando il transistore in saturazione: inizierà
la scarica del condensatore. La scarica continuerà fino a che la
tensione ai suoi capi non scende al di sotto di 1/3 Vcc. In questo
caso le uscite dei comparatori saranno S=1 e R=0 e permetteranno
al FF di commutare, portando l’uscita di Q-negata a livello basso
permettendo così al condensatore di riprendere la carica.
Quindi, il condensatore a cicli alterni si carica e scarica all’infinito.
Di seguito è riportato l’andamento nel tempo della tensione ai capi
del condensatore e il valore della tensione di uscita sul pin 3, ai capi
della resistenza di carico RL.
Appunti di elettronica – ITIS Galileo Ferraris – Prof. Aniello Celentano – Anno scolastico 2004/2005 – Pag. 2
L’integrato 555
Analizziamo un semplice circuito che permette di avere un’uscita rettangolare con Duty-Cycle (D.C.) variabile.
Ricordiamo che il Duty-Cycle esprime la percentuale di tempo in cui il segnale è ON rispetto all’intero periodo.
Analizziamo lo schema riportato qui di seguito. Distinguiamo due casi.
a) Il condensatore Cx è interessato alla carica. Il pin 7 è virtualmente scollegato dalla massa. Il diodo D1
risulta polarizzato direttamente dall’alimentazione e
cortocircuita sia una porzione del potenziometro che la
resistenza R2 ed il diodo D2, che risulta polarizzato
inversamente, circuito aperto. In tali condizioni il
condensatore Cx si carica tramite la resistenza R1 più una
porzione del potenziometro, diciamo Rx. Pertanto la costante
di tempo con cui si carica il condensatore sarà τ1=(R1+Rx)Cx.
b) Il condensatore Cx è soggetto ad una scarica. In questo
caso il transistore di scarica è in saturazione. Il pin 7 è
virtualmente collegato a massa e pertanto il cursore del
potenziometro è collegato a massa. In queste condizioni il
condensatore Cx polarizza inversamente il diodo D1 e
direttamente il diodo D2. Il condensatore, pertanto, si scarica
sulla resistenza R2 più la porzione di potenziometro Ry=RoRx, dove Ro è il valore nominale del potenziometro. Pertanto
in questa fase di scarica del condensatore la costante di
tempo sarà τ2=(R2+Ry)Cx.
Dall’analisi fatta si evince che il periodo di oscillazione è:
T=ττ1+ττ2=(R1+Rx)Cx + (R2+Ry)Cx = (R1+R2+Ro)Cx
Dall’ultima formula si vede che il periodo è costante e che variando il
potenziometro varia solo il D.C. La tabella riportata qui a lato riporta
alcuni valori di frequenza del segnale ottenuto cambiando il valore del
condensatore.
I valori usati nello schema sono i seguenti.
R1=4,66 KΩ
R2=4,66 KΩ
Ro= 4,7 KΩ (Trimmer)
C
0,10 µF
0,33 µF
0,30 µF
1,00 µF
2,20 µF
33 nF
821 pF
f (Hz)
Misurata
770
238
227
71
31
2,5 k
77 k
Appunti di elettronica – ITIS Galileo Ferraris – Prof. Aniello Celentano – Anno scolastico 2004/2005 – Pag. 3
Calcolata
713
216
238
71
32
2,1 k
86 k
L’integrato 555
L’esempio che viene riportato di seguito permette di avere una frequenza variabile. Osserviamo il circuito
riportato di seguito.
Sostanzialmente è molto simile a quello analizzato precedentemente. La frequenza di oscillazione è determinata
dalla capacità Cx. Si può dimostrare che la frequenza di oscillazione dell’astabile è
Mentre il D.C. si può dimostrare che è data dalla seguente formula:
Le dimostrazioni di queste formule vengono fatte considerando prima la carica del condensatore e poi la scarica
e quindi analizzando i rami elettrici che sono interessati al fenomeno, come fatto per l’esempio precedente.
Nello schema riportato di seguito sono stati usati i seguenti valori dei componenti:
Ra = 2.7 Kohm
Rb = 5.5 Kohm
Rv = 22 Kohm (Trimmer)
Cs = 100000 pF
Rout = 10 Kohm
C
f (Hz)
81,2 nF
168 nF
17 nF
1,00 µF
78 pF
0,572 nF
Misurata
0,450 k
0,220 k
2,130 k
0,034 k
333 k
62,5 k
Il 555 può essere usato anche per ottenere un segnale modulato in FM. Il
pin Vc (pin 5) in luogo di collegarlo al condensatore Cs per ottenere una
maggiore stabilità della frequenza di uscita si può collegarlo ad una
sorgente di segnale di BF. In questo modo le escursioni di carica e
scarica del condensatore saranno regolate dal livello di tensione presente
sul pin Vc. Ciò produce un segnale in uscita che non ha una frequenza
fissa, ma bensì la frequenza di oscillazione dipende dalla tensione
applicata all’ingresso Vc.
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L’integrato 555
Configurazione bistabile
Osserviamo lo schema elettrico riportato di seguito, rappresenta un circuito bistabile
Iniziamo ad analizzare il circuito dal momento in cui è alimentato, supponendo che tutte le capacità presenti
siano scariche. Nel momento che viene fornita tensione al circuito la capacità Co essendo scarica cortocircuita la
resistenza in parallelo Ro. In questo modo il potenziale dei pin 2 e 6 è Vcc (+5 Volt). L’uscita pin 3 si porta a
livello basso com’è facile ricavare dall’analisi del FF Set-Reset. Nel frattempo la capacità Co si è caricata e
raggiunge il valore dio ½ Vcc. Questa condizione non cambiare l’uscita pin 3. Con l’uscita pin 3 bassa (0 Volt) il
condensatore C1 resta scarico.
Premendo il tasto T (Normally Open) il condensatore C1 si trova in parallelo alla resistenza R0 che ne viene
cortocircuitata. In queste condizioni i pin 2 e 6 sono portati a potenziale di massa e il FF Set-Reset commuta
l’uscita. Il pin 3 si porta a livello alto (+5 Volt) con l’effetto che il LED si accende e il condensatore C1 si carica
tendente alla tensione Vcc anche se nel frattempo il tasto è stato rilasciato. Il condensatore C1 dopo un poco di
tempo risulta carico. Il LED resta acceso.
Se adesso premiamo il tasto T, il condensatore C1 carico a Vcc innalza il potenziale dei pin 2 e 6 a Vcc. In questo
modo il FF Set-Reset commuta l’uscita pin 3: il LED si spegne e il condensatore C1 si scarica repentinamente
per la presenza del diodo D che cortocircuita la resistenza R1 accelerando la scarica del condensatore.
Pertanto ad ogni pressione del tasto T l’uscita del circuito commuta stato e rimane in questo stato fino al
successivo cambiamento.
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