In questo tutorial impareremo come funziona il 555 Timer, uno dei circuiti integrati più popolari e ampiamente utilizzati di tutti i tempi. Puoi guardare il seguente video o leggere il tutorial scritto qui sotto.
Il timer 555, progettato da Hans Camenzind nel 1971, può essere trovato in molti dispositivi elettronici a partire dai giocattoli e dagli elettrodomestici da cucina fino a un’astronave. Si tratta di un circuito integrato altamente stabile che può produrre ritardi e oscillazioni accurate. Il timer 555 ha tre modalità di funzionamento, bistabile, monostabile e astabile.
How It Works, Internal Schematic and Block Diagram
Diamo un’occhiata più da vicino a cosa c’è dentro il timer 555 e spieghiamo come funziona in ciascuna delle tre modalità. Ecco lo schema interno del timer 555 che consiste di 25 transistor, 2 diodi e 15 resistenze.
Rappresentato con uno schema a blocchi consiste di 2 comparatori, un flip-flop, un partitore di tensione, un transistor di scarico e uno stadio di uscita.
Il divisore di tensione consiste in tre resistenze identiche da 5k che creano due tensioni di riferimento a 1/3 e 2/3 della tensione fornita, che può variare da 5 a 15V.
Sono poi i due comparatori. Un comparatore è un elemento del circuito che confronta due tensioni analogiche di ingresso al suo terminale di ingresso positivo (non invertente) e negativo (invertente). Se la tensione di ingresso al terminale positivo è più alta della tensione di ingresso al terminale negativo, il comparatore emetterà 1. Viceversa, se la tensione al terminale di ingresso negativo è più alta della tensione al terminale positivo, il comparatore emetterà 0.
Il primo terminale di ingresso negativo del comparatore è collegato alla tensione di riferimento 2/3 al partitore di tensione e al pin esterno di “controllo”, mentre il terminale di ingresso positivo al pin esterno di “soglia”.
D’altra parte, il terminale di ingresso negativo del secondo comparatore è collegato al pin “Trigger”, mentre il terminale di ingresso positivo alla tensione di riferimento di 1/3 al divisore di tensione.
Quindi usando i tre pin, Trigger, Threshold e Control, possiamo controllare l’uscita dei due comparatori che sono poi alimentati agli ingressi R e S del flip-flop. Il flip-flop uscirà 1 quando R è 0 e S è 1, e viceversa, uscirà 0 quando R è 1 e S è 0. Inoltre il flip-flop può essere resettato tramite il pin esterno chiamato “Reset” che può annullare i due ingressi, resettando così l’intero timer in qualsiasi momento.
L’uscita Q-bar del flip-flip va allo stadio di uscita o ai driver di uscita che possono sia source che sink una corrente di 200mA al carico. L’uscita del flip-flip è anche collegata a un transistor che collega il pin “Discharge” a terra.
Timer 555 – Modalità bistabile
Ora facciamo un esempio del timer 555 che funziona in modalità bistabile. A questo scopo abbiamo bisogno di due resistenze esterne e di due pulsanti.
I pin di Trigger e di Reset dell’IC sono collegati a VCC attraverso le due resistenze, e in questo modo sono sempre alti. I due pulsanti sono collegati tra questi pin e la massa, quindi se li teniamo premuti lo stato dell’ingresso sarà basso.
Inizialmente, le uscite dei due comparatori sono 0, quindi l’uscita del flip-flop così come l’uscita del timer 555 sono 0.
Se premiamo il pulsante Trigger, lo stato all’ingresso Trigger diventerà Low, quindi il comparatore uscirà High e questo farà andare Low l’uscita del flip-flop Q-bar. Lo stadio di uscita invertirà questo e l’uscita finale del timer 555 sarà Alta.
L’uscita rimarrà alta anche quando il pulsante di trigger non viene premuto perché in questo caso gli ingressi R e S del flip-flop saranno 0, il che significa che il flip-flop non cambierà lo stato precedente. Per rendere l’uscita bassa dobbiamo premere il pulsante Reset, che resetta il flip-flop e l’intero IC.
Tutorial correlato: What is Schmitt Trigger | How It Works
5555 Timer – Modalità Monostabile
In seguito, vediamo come funziona il timer 555 in modalità monostabile. Ecco un circuito di esempio.
L’ingresso di trigger è tenuto alto collegandolo a VCC attraverso una resistenza. Ciò significa che il comparatore di trigger emetterà 0 all’ingresso S del flip-flop. D’altra parte, il pin di soglia è basso e questo fa sì che anche il comparatore di soglia emetta 0. Il pin Threshold è effettivamente basso perché l’uscita Q-bar del flip-flop è alta, il che mantiene il transistor di scarica attivo, quindi la tensione proveniente dalla sorgente va a terra attraverso quel transistor.
Per cambiare lo stato dell’uscita del timer 555 in alto dobbiamo premere il pulsante sul pin di trigger. Questo metterà a terra il pin di trigger, o lo stato di ingresso sarà 0, quindi il comparatore emetterà 1 all’ingresso S del flip-flip. Questo farà sì che l’uscita della Q-bar vada bassa e l’uscita del timer 555 alta. Allo stesso tempo, possiamo notare che il transistor di scarica è spento, quindi ora il condensatore C1 inizierà a caricarsi attraverso la resistenza R1.
Il timer 555 rimarrà in questo stato fino a quando la tensione attraverso il condensatore raggiunge i 2/3 della tensione fornita. In questo caso, la tensione di ingresso di soglia sarà più alta e il comparatore emetterà 1 all’ingresso R del flip-flip. Questo porterà il circuito allo stato iniziale. L’uscita del Q-bar diventerà alta, il che attiverà il transistor di scarica e renderà l’uscita dell’IC di nuovo bassa.
Così possiamo notare che la quantità di tempo in cui l’uscita del timer 555 è alta, dipende da quanto tempo ha bisogno il condensatore per caricarsi a 2/3 della tensione fornita, e questo dipende dai valori sia del condensatore C1 che della resistenza R1. Possiamo effettivamente calcolare questo tempo con la seguente formula, T=1.1*C1*R1.
5555 Timer – Modalità Astabile
In seguito, vediamo come funziona il 555 Timer in modalità astabile. In questa modalità l’IC diventa un oscillatore o anche chiamato Free Running Multivibrator. Non ha uno stato stabile e passa continuamente da alto a basso senza applicazione di alcun trigger esterno. Ecco un circuito di esempio del timer 555 che funziona in modalità astabile.
Abbiamo bisogno solo di due resistenze e un condensatore. I pin di Trigger e Threshold sono collegati tra loro, quindi non c’è bisogno di un impulso di trigger esterno. Inizialmente, la fonte di tensione inizierà a caricare il condensatore attraverso le resistenze R1 e R2. Durante la carica il comparatore di Trigger uscirà 1 perché la tensione di ingresso al pin di Trigger è ancora inferiore a 1/3 della tensione fornita. Ciò significa che l’uscita del Q-bar è 0 e il transistor di scarica è chiuso. In questo momento l’uscita del timer 555 è alta.
Una volta che la tensione attraverso il condensatore raggiunge 1/3 della tensione fornita, il comparatore Trigger uscirà 0 ma a questo punto non farà alcun cambiamento poiché entrambi gli ingressi R e S del flip-flop sono 0. Quindi la tensione attraverso il condensatore continuerà a salire, e una volta che raggiunge i 2/3 della tensione fornita, il comparatore di soglia emetterà 1 all’ingresso R del flip-flop. Questo attiverà il transistor di scarica e ora il condensatore inizierà a scaricarsi attraverso il resistore R2 e il transistor di scarica. In questo momento l’uscita del timer 555 è bassa.
Mentre si sta scaricando, la tensione sul condensatore comincia a diminuire, e il comparatore di soglia comincia subito a dare 0, che in realtà non fa nessun cambiamento, dato che ora entrambi gli ingressi R e S del flip-flop sono 0. Ma una volta che la tensione attraverso il condensatore scende a 1/3 della tensione fornita, il comparatore Trigger emetterà 1. Questo spegnerà il transistor di scarica e il condensatore inizierà a caricarsi di nuovo. Quindi questo processo di carica e scarica tra 2/3 e 1/3 della tensione fornita continuerà da solo, producendo così un’onda quadra sull’uscita del 555 Timer.
Possiamo calcolare il tempo in cui l’uscita è alta e bassa usando le formule indicate. Il tempo High dipende dalla resistenza di R1 e R2, così come dalla capacità del condensatore. D’altra parte, il tempo Low dipende solo dalla resistenza di R2 e dalla capacità del condensatore. Se sommiamo i tempi High e Low otterremo il periodo di un ciclo. D’altra parte, la frequenza è quante volte questo accade in un secondo, quindi uno sopra il Periodo ci darà la frequenza dell’onda quadra in uscita.
Se facciamo alcune modifiche a questo circuito, per esempio, cambiare la resistenza R2 con una resistenza variabile o un pototenziometro, possiamo controllare immediatamente la frequenza e i duty cycle dell’onda quadra. Comunque, ne riparleremo nel mio prossimo video dove faremo un regolatore di velocità del motore DC PWM usando il timer 555.