Circuito integrado 555

NE555 de Signetics en un dual in line package

El circuito integrado 555 es un circuito integrado de bajo costo y de grandes prestaciones. Inicialmente fue desarrollado por la firma Signetics. En la actualidad es construido por muchos otros fabricantes. Entre sus aplicaciones principales cabe destacar las de multivibrador estable (dos estados metaestables) y monoestable (un estado estable y otro metaestable), detector de impulsos, etcétera.

Historia

Fotografía del interior del 555, 1978

En 1970, Hans Camenzind, un ingeniero nacido en Suiza y que luego de terminar su educación secundaria viajó a Estados Unidos para realizar los estudos de ingeniería, se tomó un mes de vacaciones de su empleo en Signetics (ahora Philips) para escribir un libro y en vez de volver al final de las vacaciones, le pidió a la companía que lo contratase como consultor durante un año, para usar los principios del oscilador controlado por tensión o VCO en el desarrollo de un circuito integrado temporizador; esta idea no era del agrado del departamento de ingeniería de Signetics, pero afortunadamente a Art Fury, el hombre de mercadeo de la empresa, la idea lo entusiasmó y le dió el contrato a Camenzind, quien luego de seis meses, completó el diseño final ( los primeros diseños no hacían uso de redes RC para la temporización y por ello preveían un circuito integrado de 14 pines, mucho mas complejo y caro), el 555 fue pionero en muchos aspectos, no solo fue el primer circuito integrado temporizador, también fue el primero en venderse desde su salida al mercado a bajo precio (U$ 0,75), cosa nunca hecha hasta entonces por ningún productor de semiconductores. Cabe acotar que por las diferencias entre Camenzind y el departamento de ingeniería de Signetics, el proyecto durmió durante un año antes de ser finalmente producido en masa por Signetics.

El temporizador 555 fue introducido en el mercado en el año 1972 por esta misma fábrica con el nombre: SE555/NE555 y fue llamado "The IC Time Machine" (El Circuito Integrado Máquina del Tiempo). Este circuito tiene muy diversas aplicaciones, y aunque en la actualidad se emplea mas su remozada versión CMOS desarrollada por Dave Bingham en Intersil, se sigue usando también la versión bipolar original, especialmente en aplicaciones que requieran grandes corrientes de parte de la salida del temporizador.

Sus características

Esquema en bloques del circuito integrado del 555.

Este Circuito Integrado (C.I.) es para los experimentadores y aficionados, un dispositivo barato con el cual pueden hacer muchos proyectos. Este temporizador es tan versátil que se puede utilizar para modular una señal en Amplitud Modulada (A.M.)

Está constituido por una combinación de comparadores lineales, flip-flops (biestables digitales), transistor de descarga y excitador de salida.

Las tensiones de referencia de los comparadores se establecen en 2/3 V para el primer comparador C1 y en 1/3 V para el segundo comparador C2, por medio del divisor de tensión compuesto por 3 resistencias iguales R. En el gráfico se muestra el número de pin con su correspondiente función.

En estos días se fabrica una versión CMOS del 555 original, como el Motorola MC1455, que es muy popular. Pero la versión original de los 555 sigue produciéndose con mejoras y algunas variaciones a sus circuitos internos. El 555 esta compuesto por 23 transistores, 2 diodos, y 16 resistencias encapsulados en silicio. Hay un circuito integrado que se compone de dos temporizadores en una misma unidad, el 556, de 14 pines y el poco conocido 558 que integra cuatro 555 y tiene 30 pines.

Hoy en día, si ha visto algún circuito comercial moderno, no se sorprenda si se encuentra un circuito integrado 555 trabajando en él. Es muy popular para hacer osciladores que sirven como reloj (base de tiempo) para el resto del circuito.

Descripción de las terminales del Temporizador 555

Pines del 555

• GND (normalmente la 1): es el polo negativo de la alimentación, generalmente tierra.
• Disparo (normalmente la 2): Es en esta patilla, donde se establece el inicio del tiempo de retardo, si el 555 es configurado como monostable. Este proceso de disparo ocurre cuando este pin va por debajo del nivel de 1/3 del voltaje de alimentación. Este pulso debe ser de corta duración, pues si se mantiene bajo por mucho tiempo la salida se quedará en alto hasta que la entrada de disparo pase a alto otra vez.
• Salida (normalmente la 3): Aquí veremos el resultado de la operación del temporizador, ya sea que esté conectado como monostable, astable u otro. Cuando la salida es alta, el voltaje será el voltaje de alimentación (Vcc) menos 1.7 Voltios. Esta salida se puede obligar a estar en casi 0 voltios con la ayuda de la patilla de reset (normalmente la 4).
• Reset (normalmente la 4): Si se pone a un nivel por debajo de 0.7 Voltios, pone la patilla de salida a nivel bajo. Si por algún motivo esta patilla no se utiliza hay que conectarla a Vcc para evitar que el 555 se "resetee".
• Control de voltaje (normalmente la 5): Cuando el temporizador se utiliza en el modo de controlador de voltaje, el voltaje en esta patilla puede variar casi desde Vcc (en la práctica como Vcc -1 voltio) hasta casi 0 V (aprox. 2 Voltios). Así es posible modificar los tiempos en que la salida está en alto o en bajo independiente del diseño (establecido por las resistencias y condensadores conectados externamente al 555). El voltaje aplicado a la patilla de control de voltaje puede variar entre un 45 y un 90 % de Vcc en la configuración monostable. Cuando se utiliza la configuración astable, el voltaje puede variar desde 1.7 voltios hasta Vcc. Modificando el voltaje en esta patilla en la configuración astable causará la frecuencia original del astable sea modulada en frecuencia (FM). Si esta patilla no se utiliza, se recomienda ponerle un condensador de 0.01μF para evitar las interferencias.
• Umbral (normalmente la 6): Es una entrada a un comparador interno que tiene el 555 y se utiliza para poner la salida a nivel bajo.
• Descarga (normalmente la 7): Utilizado para descargar con efectividad el condensador externo utilizado por el temporizador para su funcionamiento.
• V+ (normalmente la 8): También llamado Vcc, alimentación, es el pin donde se conecta el voltaje de alimentación que va de 4.5 voltios hasta 18 voltios (máximo). Hay versiones militares de este integrado que llegan hasta 18 Voltios.

Funcionamiento del Circuito Integrado 555

El temporizador 555 se puede conectar para que funcione de diferentes maneras, entre los más importantes están: como multivibrador astable y como multivibrador monoestable.

Multivibrador astable

Esquema de la aplicación de multivibrador astable del 555.

Este tipo de funcionamiento se caracteriza por una salida con forma de onda cuadrada (o rectangular) continua de ancho predefinido por el diseñador del circuito. El esquema de conexión es el que se muestra. La señal de salida tiene un nivel alto por un tiempo t1 y un nivel bajo por un tiempo t2. La duración de estos tiempos dependen de los valores de R1, R2 y C1, según las fórmulas siguientes:

$t1=ln(2)\cdot \ (R1+R2)\cdot \ C1\approx 0,693\cdot \ (R1+R2)\cdot \ C1$ (en segundos)

y

$t2=ln(2)\cdot \ R2\cdot \ C1\approx 0,693\cdot \ R2\cdot \ C1$ (en segundos)

La frecuencia con que la señal de salida oscila está dada por la fórmula: $f\approx {\frac {1}{0,693\cdot \ C1\cdot \ (R1+2\cdot \ R2)}}$

el período es simplemente: $T={\frac {1}{f}}$

También decir que si lo que queremos es un generador con frecuencia variable, debemos variar la capacidad de condensador, ya que si el cambio lo hacemos mediante las resistencias R1 y/o R2, también cambia el ciclo de trabajo o ancho de pulso (D) de la señal de salida según la siguiente expresión:

$D={\frac {R2}{(R1+2\cdot \ R2)}}$

Hay que recordar que el período es el tiempo que dura la señal hasta que ésta se vuelve a repetir (Tb - Ta).

Si se requiere una señal cuadrada donde el ciclo de trabajo D sea del 50%, es decir que el tiempo t1 sea igual al tiempo t2, es necesario añadir un diodo en paralelo con R1 según se muestra en la figura. Ya que, según las fórmulas, para hacer $t1=t2$ sería necesario que R1 fuera cero, lo cual en la práctica no funcionaría.

Multivibrador monoestable

Esquema de la aplicación de multivibrador monoestable del 555.

En este caso el circuito entrega a su salida un solo pulso de un ancho establecido por el diseñador.

El esquema de conexión es el que se muestra. La fórmula para calcular el tiempo de duración (tiempo en el que la salida está en nivel alto) es:

$T=\ln(3)\cdot R1\cdot C1$ (en segundos).

$T\approx 1,1\cdot R1\cdot C1$ (en segundos).

Nótese que es necesario que la señal de disparo, en la terminal #2 del 555, sea de nivel bajo y de muy corta duración para iniciar la señal de salida.

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