CI 555

Objectivos

Conhecer o temporizador 555, as suas características principais e modos de funcionamento.

Projectar circuitos temporizadores que utilizem o CI 555 nos modos monoastável (disparo

único) e astável (oscilador).

1. Introdução

Em 1971 a Signetics Corporation lançou o temporizador SE555/NE555, tendo-o designado por

"The IC Time Machine", sendo este o primeiro temporizador em forma de Circuito Integrado

(CI) disponível no mercado. Após ter surgido, este CI desfrutou de uma enorme popularidade,

podendo o seu sucesso ser atribuído a várias características das quais se destacam a

simplicidade de utilização, a versatilidade, a estabilidade e o baixo custo. A simplicidade do

temporizador, juntamente com a capacidade para produzir temporizações curtas e longas numa

variedade de aplicações, atraiu muitos projectistas e entusiastas da electrónica.

Este trabalho pretende dar a conhecer o temporizador 555, assim como mostrar as suas

potencialidades. Para além da descrição apresentada de seguida é sugerida uma leitura atenta

da folha de especificações (vulgo data sheet) deste CI. Neste momento há um número elevado

de fabricantes que produzem este CI, como por exemplo, NXP (ex-Philips), Fairchild

Semiconductor, ST Microelectronics, Motorola ou Intersil, existindo versões cujo preço é muito

baixo, da ordem dos 0,13€ por unidade (depende do fabricante e da tecnologia em que está

implementado).

1.1. Aplicações típicas do 555

O CI 555 apresenta uma grande versatilidade podendo ser utilizado nas mais variadas

aplicações. Apontam-se como exemplo as seguintes: temporizador (com tempo fixo ou

variável), oscilador, modulador de largura de pulso (PWM – Pulse Width Modulation),

modulador de Posição de pulso (PPM – Pulse Position Modulation), detector de falta de pulsos,

temporização sequencial, controlo de velocidade de rotação (Tacómetro), disparo de varrimento

para osciloscópios, conversor de tensão DC-DC, conversor tensão Positivo-Negativo, controlador

de Motores servo, conversor Tensão Frequência (VCO – Voltage Controlled Oscilator), gerador

de sinal em dente de serra, alarmes, etc.

TRABALHO PRÁTICO No 1

1

1.2. Características principais e descrição do funcionamento do 555

Na figura 1 apresenta-se o CI 555 e a pinagem no encapsulamento DIP e na figura 2 o seu

diagrama funcional.

Figura 1. Encapsulamento do CI 555 e identificação dos pinos

8 VCC

4 Reset

1k

R

5k

Threshold 6 +

Control 5 -

C1

R

Q

3 Output

Flip-Flop

R

5k

7 Discharge

+

S

Q

C2

-

Trigger 2

R

5k

1

GND

Figura 2. Diagrama funcional

O 555 consiste em dois comparadores de tensão, um Flip-Flop, um transístor de descarga e

uma malha divisora resistiva. A rede de resistências é usada para fixar os níveis de tensão dos

comparadores. Como as três resistências são de valor igual (5KΩ), o comparador superior (C1),

é internamente referenciado a 2/3 da tensão VCC e o Comparador C2 é referenciado a 1/3 de

VCC.

As

saídas

dos

dois

comparadores

estão

ligadas

às

entradas

do

Flip- Flop RS, que definem se a saída (pino 3) está no estado Alto ou Baixo. Existe ainda uma

saída complementar (pino 7), que está activa quando pino 3 está no nível baixo e vice-versa.

Nota: os níveis de comparação de 1/3 e 2/3 de VCC existem quando o pino 5 (Control) não se

encontra ligado.

Definição e função dos pinos do CI

1 – GND – Tensão de referência, correspondendo à massa da fonte de alimentação DC;

2 – Trigger – Se a tensão neste pino for inferior a 1/3 de VCC, a saída do comparador interno

C2 fica no estado Alto, activando desta forma a entrada S (Set) do Flip-Flop e a saída do 555

(pino 3) fica no nível Alto, desactivando ainda o pino 7; esta mantém-se neste estado até haver

uma activação da entrada R(Reset) do Flip-Flop;

TRABALHO PRÁTICO No 1

2

3 – Output – é a saída do 555; pode encontrar-se no nível Alto (aproximadamente VCC) ou

Baixo (aproximadamente 0V); este pino pode fornecer (Source) ou receber (Sink) correntes a

uma carga, com valor até 200 mA;

4 – Reset – quando colocada uma tensão inferior a VCC-0,7 coloca a saída do 555 (pino 3) no

nível Baixo e inibe o funcionamento do CI;

5 – Control – quando ligada a uma fonte de sinal, permite alterar os níveis de Threshold e de

Trigger;

6 – Threshold - Se a tensão neste pino for superior a 2/3 de VCC, a saída do comparador

interno C1 fica no estado Alto, activando desta forma a entrada R (Reset) do Flip-Flop e a saída

do 555 (pino 3) fica no nível Baixo, activando ainda o transístor de descarga; esta mantém-se

neste estado até haver uma activação da entrada S(Set) do Flip-Flop;

7 – Discharge – activo quando pino 3 (Output) está no nível Baixo e vice-versa; tipicamente

utilizado para descarregar condensador da malha RC.

8 – VCC – Tensão positiva da fonte de alimentação DC (4,5 .. 18V)

As temporizações em qualquer modo de funcionamento são implementadas à custa de uma

malha RC externa, pelo que fazendo uma escolha adequada dos componentes externos,

consegue-se temporizações entre 2μs e 1/2 hora.

1.3. Modos de funcionamento do CI 555

O CI 555 pode funcionar em três modos distintos:

1. Monoestável (Disparo Único)

2. Astável (Oscilador)

3. Atraso Temporal.

1.3.1. Modo de funcionamento Monoestável

Uma configuração possível para o modo de funcionamento monoestável ou de disparo único

encontra-se ilustrado na figura 3. Neste modo de funcionamento é gerado na saída do 555 um

pulso com nível Alto de duração proporcional a RAC, após activação da entrada de Trigger.

VCC

VCC

RA

Reset

Discharge

Output

Threshold

Trigger

C3

Control

GND

Figura 3. Esquema para funcionamento em Modo Monoestável

No estado estável do esquema apresentado (pino Trigger do 555 no nível alto), o transístor de

descarga encontra-se ligado, mantendo o condensador descarregado e o pino Output

TRABALHO PRÁTICO No 1

3

mantém-se no nível Baixo. Aplicando um pulso de tensão abaixo de 1/3 de VCC na entrada de

Trigger, a saída (pino 3) vai para o estado Alto e o transístor de descarga é desligado. Como o

condensador C se carrega através da resistência RA, a partir de uma tensão nula, este atinge

2/3 de VCC num tempo igual a 1,1*RAC segundos. Este intervalo de tempo é o tempo que o

estado da saída do 555 se encontra no nível alto. Após este nível ser atingido, a saída passa ao

estado Baixo e é ligado o transístor de descarga, descarregando praticamente

instantaneamente o condensador. O 555 permanece neste estado até que exista um novo pulso

na entrada de Trigger.

1.3.2. Modo de funcionamento Astável.

A configuração da figura 4a) permite o funcionamento em modo astável ou oscilador. Neste

modo de funcionamento é gerado na saída do 555 uma onda quadrada com duração dos níveis

Alto e Baixo proporcionais às malhas RC, não sendo necessário nenhum pulso específico para

iniciar o seu funcionamento.

VCC

RA

VCC

Reset

Discharge

RB

Output

RB

D2

Threshold

D1

Trigger

Control

GND

C

a)

b)

Figura 4. a) Esquema para funcionamento em Modo Monoestável; b) alteração para Duty Cycle inferior a 50%

Os pinos de Trigger e de Threshold estão ligados ao condensador, monitorizando em contínuo a

sua tensão. Quando se liga o circuito o condensador está descarregado, apresentando uma

tensão nula. Como esta é inferior a 1/3 de VCC, a saída do comparador C2 fica no estado Alto o

que por sua vez por actua na entrada S do Flip-Flop e faz com que a saída do 555 fique no

estado Alto, ficando o transístor de descarga desligado. Assim, o condensador carrega-se

através da série de resistências RA e RB. Quando a tensão no condensador atinge 2/3 de VCC, o

comparador de C1 faz reset ao Flip-Flop do 555 e a sua saída vai para o estado Baixo, ligando

ainda transístor de descarga. Como o transístor de descarga está ligado, faz com que o

condensador descarregue através da resistência RB. Quando a tensão no condensador alcançar

1/3 de VCC, há novo disparo, repetindo-se o processo descrito. O CI está então em ciclo, onde o

tempo de carga e descarga, que correspondem ao tempo em que a saída está no estado Alto e

Baixo, respectivamente, são dados pelas expressões:

Carga: t ( Alto) = 0,693 * ( RA + RB )C

Descarga: t ( Baixo) = 0,693 * RBC

O período é igual à soma dos dois tempos anteriores, pelo que a frequência de oscilação é:

f OSC =

TRABALHO PRÁTICO No 1

1,44

(RA + 2 RB )C

4

Repare-se que com este esquema não é possível obter um Duty Cycle (relação entre tempo no

estado Alto e Período do sinal) inferior a 50%. Para se obter um Duty Cycle inferior a 50%

pode-se substituir a resistência RB pelo esquema da figura 4b). Com esta alteração a carga do

condensador dá-se através da resistência RA e a descarga através de RB, permitindo controlar

de modo independente o tempo de carga e de descarga e na realidade obter qualquer Duty

Cycle (tipicamente entre 5% e 95%).

1.3.3. Modo de funcionamento em Atraso Temporal.

VCC

VCC

RA

Reset

Discharge

Output

Threshold

Trigger

C

Control

GND

Figura 5. Funcionamento em Atraso temporal

Neste modo de funcionamento a saída (pino 3) só muda de estado após decorrer um tempo

determinado pela malha RC, a partir do momento em que a entrada (interruptor) muda de

estado. Os pinos de Trigger e de Threshold estão ligados juntos, monitorizado a tensão do

condensador, não sendo usada a função de descarga. A sequência de funcionamento começa

quando o interruptor T1 é ligado mantendo o condensador descarregado e forçando a saída do

555 ao estado alto. Quando T1 é aberto, inicia-se o ciclo de carga do condensador. A tensão no

condensador ao atingir a tensão de Threshold (2/3*VCC), faz a saída do 555 comutar para o

estado Baixo, ficando nesse estado até fecharmos novamente o interruptor.

1.4. Considerações práticas para projecto de temporizadores com o 555

Para que o 555 funcione correctamente a tensão de alimentação deverá possuir um valor entre

4,5V e 18V, sendo o intervalo de tempo projectado independente de VCC, uma vez que as

tensões de Trigger e Threshold são proporcionais a VCC. A fonte de alimentação contínua VCC

pode ser fornecido por qualquer fonte, mas deve ser considerado o seu ripple, uma vez que

poderá influenciar o erro da temporização. Como este CI consegue activar cargas de 200 mA

quer em Sink (a receber corrente) quer em Source (a fornecer corrente) deve ser colocado um

condensador de desacoplamento de 0,01 a 10 μF o mais perto possível dos pinos de

alimentação (8 e 1), uma vez que a carga ao ser activada pode re-disparar o temporizador. O

erro de temporização deve-se principalmente aos componentes externos. Na escolha do

condensador e da resistência deve-se utilizar resistências de filme metálico e condensadores

com correntes de fuga baixas. É de notar que as resistências normalmente têm tolerâncias de 1

a 20% e os condensadores de 5 a 20%. Para um ajuste “fino“ pode ser usado um trimer em

série com a resistência de maior valor, e não devem ser usados condensadores de disco

cerâmicos, uma vez que não são suficientemente estáveis. Podem ser usados condensadores de

Prata, Mica, Mylar, policarbonato, polyestireno, tântalo, ou similares.

TRABALHO PRÁTICO No 1

5

As resistências devem ser escolhidas de forma a garantir uma corrente mínima de 0,25 μA para

activar o comparador de Threshold. A resistência máxima a usar pode então ser calculada da

seguinte forma: RMAX =

VR

V − VTHR VCC − 2 / 3VCC

= CC

=

I Nível

0,25μA

0,25μA

Por outro lado devem ser considerados valores mínimos para as resistências. A corrente de

descarga no condensador está internamente limitada na gama de 35 a 55 mA. Desta forma

quando o transístor de descarga é ligado devemos ter em atenção que este vai transportar

cargas vindas de RA e do condensador. Sendo assim, devemos limitar a corrente que atravessa

a resistência a um mínimo para evitar tensões de saturação do transístor elevadas. Como valor

de referência, pode-se utilizar um valor de 5kΩ.

2.

Preparação.

Para todas as questões colocadas apresente o esquema e os cálculos efectuados.

No circuitos a projectar utilize condensadores de 10 nF, 100 nF, 1μF, 10 μF ou 100 μF.

2.1.

a) Projecte um circuito monoestável com possibilidade de activar uma carga durante 1 seg, 2

seg, 10 seg ou 20 seg, por actuação de um comutador rotativo. A temporização deve ser

realizada após termos premido um botão de pressão.

b) Que alterações introduziria se a carga necessitasse de uma corrente de 1 A ?

2.2.

a) Dimensione um circuito oscilador baseado no 555 com uma frequência de oscilação de 1 kHz

e Duty Cycle de 75%.

b) Altere o circuito da alínea anterior de modo a obter uma frequência de 0,5 Hz e coloque na

sua saída dois LEDs a piscar de modo alternado.

c) Introduza alterações no circuito anterior de modo a obter um Duty Cycle de 40%.

2.3.

Considerando o circuito definido em 2.2a), diga qual o efeito na saída se ligar à entrada Control

uma fonte de alimentação que varie entre 1V e 5V. Coloque uma resistência de 1KΩ entre a

fonte e a entrada do 555. Analise o circuito por comparação do seu funcionamento quando o

pino Control não se encontrava ligado.

TRABALHO PRÁTICO No 1

6

2.4.

Analise o circuito apresentado e diga qual a sua possível aplicação.

R1

1k

+5V

Rv

22K

VCC

D1

D2

Reset

Control

Output

RL

Threshold

RG

10K

Trigger

C

1uF

Discharge

M1

GND

Figura 6. Circuito “Mistério 1”

2.5. Explique o funcionamento do circuito da figura 7 dimensionando o 555 para funcionar em

regime astável com C6 igual a 10 nF, frequência de saída de 5 KHz e Duty Cycle de 55%.

4

D1

1N4001

8

R2

RESET

7

R4

V1

5V

C3

1u

DISCHARGE

VCC

OUTPUT

D1 1N4001

220 micro

555

6

C7

3

THRESHOLD CONTROL

5

Vout

TRIGGER GND

2

1

C8

220 micro

C6

0

Figura 7. Circuito “Mistério 2”

3.

Trabalho experimental

3.1.

Monte o circuito projectado em 2.1 e demonstre o seu correcto funcionamento. Faça as

medições que considerar adequadas e obtenha formas de onda em pontos chave (por exemplo

capture em simultâneo a tensão no condensador e na saída do 555) que demonstrem o

correcto funcionamento do circuito. Não se esqueça de comentar as formas de onda obtidas.

3.2.

Monte o circuitos projectado em 2.2 e verifique o seu funcionamento. Faça as medições que

considerar adequadas e obtenha formas de onda em pontos chave que demonstrem o correcto

funcionamento do circuito. Não se esqueça de comentar as formas de onda obtidas.

TRABALHO PRÁTICO No 1

7

3.3.

Confirme a análise que fez no ponto 2.3.

3.4.

a) Monte o circuito da figura 6. Capture formas de onda que justifiquem o funcionamento do

circuito. Confirme ou actualize a análise feita na preparação.

b) Verifique se consegue controlar a intensidade luminosa de um LED com este circuito.

3.5.

Monte o circuito da figura 7. Capture formas de onda que justifiquem o funcionamento do

circuito. Confirme ou actualize a análise feita na preparação.

Material utilizado

Condensadores: 10nF, 100nF, 1μF, 10μF e 100μF, 220 μF.

Potenciómetro: 22K, 220K.

Resistências: 1K, 10K, 100K.

Díodos: 2x1N4148.

CIs: 1xNE555

LEDS: 1 verde, 1 vermelho

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