En este tutorial aprenderemos cómo funciona el 555 Timer, uno de los CI más populares y utilizados de todos los tiempos. Puedes ver el siguiente vídeo o leer el tutorial escrito a continuación.
Cómo funciona, esquema interno y diagrama de bloques
Veamos más de cerca lo que hay dentro del temporizador 555 y explicamos cómo funciona en cada uno de los tres modos. Aquí está el esquema interno del temporizador 555 que consta de 25 transistores, 2 diodos y 15 resistencias.
Representado con un diagrama de bloques consta de 2 comparadores, un flip-flop, un divisor de tensión, un transistor de descarga y una etapa de salida.
El divisor de tensión está formado por tres resistencias idénticas de 5k que crean dos tensiones de referencia a 1/3 y 2/3 de la tensión suministrada, que puede oscilar entre 5 y 15V.
Luego están los dos comparadores. Un comparador es un elemento de circuito que compara dos tensiones de entrada analógicas en su terminal de entrada positivo (no inversor) y negativo (inversor). Si la tensión de entrada en el terminal positivo es mayor que la tensión de entrada en el terminal negativo, el comparador dará una salida de 1. Y viceversa, si la tensión en el terminal de entrada negativo es mayor que la tensión en el terminal positivo, el comparador dará una salida de 0.
El primer terminal de entrada negativo del comparador se conecta a la tensión de referencia 2/3 en el divisor de tensión y al pin externo «control», mientras que el terminal de entrada positivo al pin externo «Threshold».
Por otro lado, el terminal de entrada negativa del segundo comparador se conecta al pin «Trigger», mientras que el terminal de entrada positiva a la tensión de referencia de 1/3 en el divisor de tensión.
Así que usando los tres pines, Trigger, Threshold y Control, podemos controlar la salida de los dos comparadores que luego se alimentan a las entradas R y S del flip-flop. El flip-flop saldrá 1 cuando R sea 0 y S sea 1, y viceversa, saldrá 0 cuando R sea 1 y S sea 0. Además el flip-flop puede ser reseteado a través del pin externo llamado «Reset» que puede anular las dos entradas, reseteando así todo el temporizador en cualquier momento.
La salida de la barra Q del flip-flip va a la etapa de salida o a los drivers de salida que pueden alimentar o hundir una corriente de 200mA a la carga. La salida del flip-flip también se conecta a un transistor que conecta el pin de «Descarga» a tierra.
Temporizador 555 – Modo biestable
Ahora vamos a hacer un ejemplo del temporizador 555 operando en modo biestable. Para ello necesitamos dos resistencias externas y dos pulsadores.
El Trigger y los pines de Reset del CI se conectan a VCC a través de las dos resistencias, y así están siempre altos. Los dos pulsadores están conectados entre estos pines y la tierra, por lo que si los mantenemos pulsados el estado de la entrada será bajo.
Inicialmente, las salidas de los dos comparadores son 0, por lo que la salida del flip-flop así como la salida del temporizador 555 son 0.
Si pulsamos el pulsador Trigger, el estado en la entrada Trigger se convertirá en Low, por lo que el comparador saldrá High y eso hará que la salida del flip-flop Q-bar pase a Low. La etapa de salida invertirá esto y la salida final del temporizador 555 será Alta.
La salida permanecerá alta incluso cuando no se pulse el botón de disparo porque en ese caso las entradas R y S del flip-flop serán 0 lo que significa que el flip-flop no cambiará el estado anterior. Para hacer que la salida sea Low necesitamos pulsar el botón Reset, que reinicia el flip-flop y todo el IC.
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Temporizador 555 – Modo monoestable
A continuación, vamos a ver cómo funciona el temporizador 555 en modo monoestable. Aquí tenemos un circuito de ejemplo.
La entrada de disparo se mantiene en Alto conectándola a VCC a través de una resistencia. Eso significa que el comparador de disparo dará salida 0 a la entrada S del flip-flop. Por otro lado, el pin Threshold es Low y eso hace que el comparador Threshold salga 0 también. El pin Threshold está realmente Low porque la salida Q-bar del flip-flop está High, lo que mantiene el transistor de descarga activo, por lo que la tensión que viene de la fuente va a tierra a través de ese transistor.
Para cambiar el estado de salida del 555 Timer a High necesitamos pulsar el pulsador del pin trigger. Eso conectará a tierra el pin de disparo, o el estado de entrada será 0, por lo que el comparador dará salida 1 a la entrada S del flip-flip. Esto hará que la salida de la barra Q se ponga en Low y la salida del temporizador 555 en High. Al mismo tiempo, podemos observar que el transistor de descarga se apaga, por lo que ahora el condensador C1 comenzará a cargarse a través de la resistencia R1.
El Temporizador 555 permanecerá en este estado hasta que la tensión a través del condensador alcance 2/3 de la tensión suministrada. En ese caso, la tensión de entrada del Umbral será mayor y el comparador dará la salida 1 a la entrada R del flip-flip. Esto llevará al circuito al estado inicial. La salida de la barra Q se convertirá en Alta, lo que activará el transistor de descarga, así como hará que la salida del CI vuelva a ser Baja.
Así que podemos notar que la cantidad de tiempo que la salida del temporizador 555 es Alta, depende de cuánto tiempo necesita el condensador para cargarse a 2/3 de la tensión suministrada, y eso depende de los valores tanto del condensador C1 como de la resistencia R1. En realidad podemos calcular este tiempo con la siguiente fórmula, T=1,1*C1*R1.
Temporizador 555 – Modo astable
A continuación, vamos a ver cómo funciona el temporizador 555 en modo astable. En este modo el CI se convierte en un oscilador o también llamado multivibrador de funcionamiento libre. No tiene un estado estable y cambia continuamente entre Alto y Bajo sin la aplicación de ningún disparador externo. A continuación se muestra un circuito de ejemplo del temporizador 555 funcionando en modo astable.
Sólo necesitamos dos resistencias y un condensador. Los pines Trigger y Threshold están conectados entre sí por lo que no es necesario un pulso de disparo externo. Inicialmente, la fuente de voltaje comenzará a cargar el condensador a través de las resistencias R1 y R2. Mientras se carga, el comparador de disparo dará una salida de 1 porque la tensión de entrada en el pin de disparo es todavía inferior a 1/3 de la tensión suministrada. Esto significa que la salida de la barra Q es 0 y el transistor de descarga está cerrado. En este momento la salida del temporizador 555 es alta.
Una vez que la tensión a través del condensador alcanza 1/3 de la tensión suministrada, el comparador Trigger dará la salida 0 pero en este punto no hará ningún cambio ya que tanto las entradas R y S del flip-flop son 0. Así que el voltaje a través del condensador seguirá aumentando, y una vez que alcance 2/3 del voltaje suministrado, el comparador de umbral dará una salida de 1 a la entrada R del flip-flop. Esto activará el transistor de descarga y ahora el condensador comenzará a descargarse a través de la resistencia R2 y el transistor de descarga. En este momento la salida del temporizador 555 es Low.
Mientras se descarga, el voltaje a través del condensador comienza a disminuir, y el comparador de umbral de inmediato comienza a dar la salida 0, que en realidad no hace ningún cambio ya que ahora tanto las entradas R y S del flip-flop son 0. Pero una vez que el voltaje a través del condensador cae a 1/3 del voltaje suministrado, el comparador Trigger dará la salida 1. Esto apagará el transistor de descarga y el condensador comenzará a cargarse de nuevo. Así que este proceso de carga y descarga entre 2/3 y 1/3 de la tensión suministrada seguirá funcionando por sí solo, produciendo así una onda cuadrada en la salida del temporizador 555.
Podemos calcular el tiempo que la salida es Alta y Baja utilizando las fórmulas mostradas. El tiempo de Alta depende de la resistencia de R1 y R2, así como de la capacitancia del condensador. Por otro lado, el tiempo Low depende sólo de la resistencia de R2 y de la capacitancia del condensador. Si sumamos los tiempos de Alta y Baja obtendremos el periodo de un ciclo. Por otro lado, la frecuencia es cuántas veces sucede esto en un segundo, por lo que una sobre el Periodo nos dará la frecuencia de la onda cuadrada de salida.
Si hacemos algunas modificaciones a este circuito, por ejemplo, cambiar la resistencia R2 por una resistencia variable o un potenciómetro, podemos controlar instantáneamente la frecuencia y los ciclos de trabajo de la onda cuadrada. Sin embargo, más sobre esto en mi próximo video donde haremos un controlador de velocidad de motor PWM DC usando el temporizador 555.