Conhecendo o circuito integrado 555

Olá a todos os leitores e entusiastas da eletrônica ! Como estão vocês ?

Em nosso post de hoje veremos os conceitos e funcionamento de um dos circuitos integrados mais famosos da história: o circuito integrado 555 !

Quem é ele, onde nasceu e pra quê serve ?

O temporizador 555  é um circuito integrado que foi projetado em 1971 (muito mais velho que a maioria de nós, não acha ?)  Seu inventor ? Hans Camenzind !  Este diminuto componente é encontrado em muitos dispositivos eletrônicos, desde brinquedos e utensílios de cozinha (até uma espaçonave, quem sabe).  É composto por um circuito altamente estável que pode produzir oscilações e atrasos de tempo precisos. Seu funcionamento se divide em tem três modos de operação: modo biestável, monoestável e astável.
Aqui você encontrará uma de nossas postagens que utiliza o circuito integrado 555. Confira !

Como funciona

Antes de tudo, devemos saber que um 555 é composto por 25 transistores, 2 diodos e 15 resistores. Assim, é composto um arranjo de 2 comparadores, um flip-flop , um divisor de tensão, um transistor de descarga e um estágio de saída. Bastante coisa, não é mesmo ?

Vejamos o diagrama de blocos desse circuito:

Os três resistores em série do lado esquerdo da figura são  idênticos, com o valor de 5k, que criam duas tensões de referência em 1/3 e 2/3 da tensão fornecida, que pode variar de 5 a 15V.

Comparadores de tensão

Mais à direita estão os dois comparadores. Um comparador é um elemento de circuito que compara duas tensões de entrada analógica em seu terminal de entrada positivo (não inversor) e negativo (inversor). Se a tensão de entrada no terminal positivo for maior do que a tensão de entrada no terminal negativo, o comparador produzirá o nível lógico 1 em sua saída. O inverso ocorre se a tensão no terminal de entrada negativo for maior do que a tensão no terminal positivo. Logo, o comparador produzirá o nível lógico 0 em sua saída.

Flip-Flop

 O próximo bloco lógico da figura 1 é o flip-flop. Veja que as saídas dos dois comparadores estão conectadas às portas R e S do flip flop. Assim, a saída do circuito flip-flip dependerá dos estados a qual as portas R e S estiverem. Ou seja, os dois comparadores de tensão tem o controle sobre o estado da saída do flip-flop.

Veja a figura 2 para entender a explicação que vem a seguir;

O primeiro terminal de entrada negativa do comparador está conectado à tensão de referência 2/3 no divisor de tensão e ao pino de “controle” externo. Enquanto isso, o terminal de entrada positivo do comparador está conectado ao pino “Threshold”.

Por outro lado, o segundo terminal de entrada negativa do comparador está conectado ao pino “Trigger”, enquanto o terminal de entrada positivo à tensão de referência 1/3 no divisor de tensão.

Assim, usando os três pinos, Trigger, Threshold e Control, podemos controlar a saída dos dois comparadores que são então alimentados para as entradas R e S do flip-flop. O flip-flop produzirá 1 quando R for 0 e S for 1, e  produzirá 0 quando R for 1 e S for 0. Além disso, o flip-flop pode ser reinicializado através do pino externo chamado “Reset”, que pode substituir as duas entradas, reiniciando assim todo o temporizador a qualquer momento.

Inversor de sinal ao sair do flip-flop

A saída  do flip-flip é conectada a um estágio de saída ou para os drivers de saída que podem fornecer ou dissipar uma corrente de 200mA para a carga. Esta saída tem sinal invertido. A saída do flip-flip também está conectada a um transistor que conecta o pino “Discharge” ao aterramento.

Modo monoestável

A seguir, vamos ver como o 555 Timer funciona em um modo monoestável. Aqui está um exemplo de circuito.

A porta “Trigger” é mantida em nível alto, conectada ao Vcc por meio de um resistor. Isso significa que o comparador debaixo produzirá zero na entrada S do flip-flop. Por outro lado, o pino “Threshold” está em nível baixo e isso faz com que a saída do comparador de cima também seja zero. Threshold está em nível baixo porque o transistor de descarga está em condução, devido à saída do flip-flop estar em 1. Então, o circuito estará com os estados dessa forma:

Acionamento

Para alterar a saída do temporizador 555 para nível alto, precisamos pressionar o botão no Trigger. Isso aterrará o pino de disparo (trigger) ou o estado de entrada será 0, portanto, o comparador produzirá 1 para a entrada S do flip-flip.  Isso fará com que a saída do flip-flop fique baixa e a saída do temporizador 555 alta. Ao mesmo tempo, podemos notar que o transistor de descarga está desligado, então agora o capacitor C1 começará a carregar através do resistor R1. Veja na prox figura o que acabamos de descrever:

Desligamento

O temporizador 555 permanecerá neste estado até que a tensão no capacitor alcance 2/3 da tensão fornecida. Nesse caso, a tensão de entrada em Threshold será maior e o comparador produzirá 1 para a entrada R do flip-flip. Isso trará o circuito ao estado inicial. A saída do flip-flop se tornará alta, o que ativará o transistor de descarga, bem como tornará a saída do 555 baixa novamente.

Portanto, podemos notar que o tempo com a saída em nível alto para o temporizador 555 depende de quanto tempo o capacitor precisa para carregar até 2/3 da tensão fornecida. Isso depende dos valores do capacitor C1 e do resistor R1. Na verdade, podemos calcular esse tempo com a seguinte fórmula: T = 1,1 * C1 * R1

Modo Astável

A seguir, vamos ver como o 555 funciona em um modo astável. Neste modo, o 555 torna-se um oscilador ou também denominado multivibrador astável. Ele não tem um estado estável e alterna continuamente entre nível alto e nível baixo, sem a aplicação de qualquer gatilho externo. Aqui está um exemplo de circuito do 555 operando no modo astável:

Carga do capacitor

Precisamos apenas de dois resistores e um capacitor. Os pinos Trigger e Threshold estão conectados um ao outro. Portanto, não há necessidade de pulso de disparo externo. Inicialmente, a fonte de tensão começará a carregar o capacitor através dos resistores R1 e R2. Durante o carregamento, o comparador  de baixo produzirá nível lógico 1 porque a tensão de entrada no pino do acionador ainda é inferior a 1/3 da tensão fornecida. Isso significa que a saída do flip-flop é zero e o transistor de descarga está aberto. Neste momento, a saída do temporizador 555 é alta.

Veja a seguir:

Descarga do capacitor

Uma vez que a tensão através do capacitor atinge 1/3 da tensão fornecida, o comparador do Trigger produzirá nível zero, mas neste ponto isso não fará nenhuma mudança, pois as entradas R e S do flip-flop são zero. Portanto, a tensão através o capacitor continuará subindo e, quando atingir 2/3 da tensão fornecida, o comparador de cima emitirá nível lógico 1 para a entrada R do flip-flop. Isso ativará o transistor de descarga e agora o capacitor começará a descarregar através do resistor R2 e do transistor de descarga. Neste momento, a saída do temporizador 555 está em nível baixo.

Durante a descarga, a tensão no capacitor começa a diminuir, e o comparador de cima imediatamente produz nível baixo em sua saída, o que na verdade não muda a saída do flip-flop, já que as entradas R e S do flip-flop serão 0. Então, a tensão através do capacitor cairá para 1/3 da tensão fornecida e o comparador Trigger produzirá nível lógico 1. Isso desligará o transistor de descarga e o capacitor começará a carregar novamente. Portanto, este processo de carga e descarga entre 2/3 e 1/3 da tensão fornecida continuará funcionando por conta própria, produzindo uma onda quadrada na saída do temporizador 555.

Modo biestável

Por fim, vamos conhecer e última das três aplicações mais conhecidas do 555: o modo biestável. Para isso, precisamos de dois resistores externos e dois botões, de acordo com a figura representativa a seguir:

Os pinos Trigger e Reset do 555 são conectados ao Vcc através dos dois resistores e desta forma eles estão sempre em nível alto. Os dois botões são conectados entre esses pinos e o terra, portanto, se os mantivermos pressionados, o estado de entrada será baixo.

Inicialmente, as duas saídas do comparador são zero. Portanto, a saída do flip-flop, bem como a saída do temporizador 555, serão zero.

Se pressionarmos o botão Trigger, o estado na entrada Trigger se tornará Low, então o comparador terá saída High e isso fará com que a saída flip-flop vá para Low. O estágio de saída irá inverter isso e a saída final do temporizador 555 será alta.

A saída permanecerá alta mesmo quando o botão de disparo não for pressionado porque, nesse caso, as entradas do flip-flop R e S serão zero, o que significa que o flip-flop não mudará o estado anterior. Para tornar a saída baixa, precisamos pressionar o botão Reset, que reinicializa o flip-flop e todo o circuito integrado.

Conclusões

O circuito integrado 555 se mostra um componente compacto barato e facilmente encontrado em lojas de eletrônica inclusive, na AutoCore Robótica ! Atualmente é um circuito de uma ampla gama de aplicações e, apesar de ter sido criado a algumas décadas, é um componente com aplicações atuais. Assim, é possível produzir  circuitos de temporização (dentre outras utilidades)  sem muita complexidade.

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