Il funzionamento interno del timer 555 è determinato dalle tensioni in uscita dei due comparatori che in modo asincrono pilotano il FF S-R.

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1 IL TIMER 555 Un primo comparatore riceve una tensione di 2/3V cc sull ingresso invertente (pin 5, V c ), il secondo una tensione di 1/3V cc sull ingresso non invertente. Le uscite dei due comparatori pilotano il Flip Flop Set-Reset in modo asincrono. L uscita del FF controlla il transistor NPN (pin 7) ed un Buffer (pin 3). L ingresso di Reset (pin 4), attivo basso, è prioritario in ogni momento. Se non è usato è buona norma collegarlo alla tensione V cc. Nel 1972 la società Signetics, società che produce componentistica elettronica, progetta e realizza il circuito integrato 555 con la prerogativa di create un integrato semplice da usare, versatile ed economico al fine di realizzare circuiti oscillanti, timer e formatori di segnali. Per comprendere il funzionamento dell integrato bisogna analizzare lo schema a blocchi al suo interno, figura al lato. Si può notare un partitore di tensione costituito da tre resistenze uguali di 5k (da cui la sigla 555) che fornisce le tensioni di riferimento per i comparatori. Il funzionamento interno del timer 555 è determinato dalle tensioni in uscita dei due comparatori che in modo asincrono pilotano il FF S-R. Per determinare l uscita del Buffer e il funzionamento del transistor è necessario comprendere bene il funzionamento del FF Set-Reset, riportato qui a lato. Il buffer di potenza (pin 3) può erogare al massimo una corrente di 200 ma. L'ingresso V c (control voltage) può essere utilizzato per variare direttamente il livello delle tensioni di riferimento dei comparatori, se non usato conviene collegarlo ad un condensatore per evitare variazioni di tensioni indesiderate. Il timer 555 è reperibile in commercio nella versione in contenitore plastico mini-dip a 8 pin, si veda la figura in cui è riportato la piedinatura dell integrato. Esiste in commercio anche l integrato 556 che al suo interno alloggia due timer 555. Per una maggiore comprensione dell integrato qui di seguito è riportato la tabella di verità del FF S-R. Appunti di elettronica ITIS Galileo Ferraris Prof. Aniello Celentano Anno scolastico 2004/2005 Pag. 1

2 CONFIGURAZIONE ASTABILE Il funzionamento del timer 555 come circuito astabile è ottenuto imponendo che la tensione di soglia V th (pin 6) e quella di trigger V t (pin 2) siano uguali in ogni istante e dipendenti dalla tensione ai capi di un condensatore C, esterno all integrato. Si osservi il circuito elettrico riportato qui a lato. Supponiamo che inizialmente il condensatore C sia scarico. All istante t i, quando si alimenta il circuito con la tensione V cc, il condensatore inizierà a caricarsi per raggiungere tale tensione. Man mano che il condensatore si carica, la tensione ai suoi capi passa da valori al di sotto di 1/3 di V cc (tensione ai capi di una resistenza da 5 KOhm interna all integrato) fino a superare 2/3 di V cc (tensione ai capi delle due resistenza da 5 KOhm interne all integrato). Man mano che la tensione ai capi del condensatore varia, questa viene confrontata continuamente con le due tensioni di riferimento: V 1 =1/3V cc e V 2 =2/3V cc. I due comparatori, pertanto, aggiornano i segnali Set (S) e Reset (R) che entrano nel FF SR. L uscita Q (negata) del FF dipenderà dai segnali SR. La tabella a lato riportata il comportamento delle varie uscite in funzione della tensione ai capi del condensatore. Si osservi che quando la tensione del condensatore, e cioè la tensione di soglia V th e quella di trigger V t, è al di sotto di 1/3 di V cc, il FF S-R presenta gli ingressi S=1 e R=0. In questo caso l uscita Q-negata sarà bassa, ossia zero volt. Ciò permette al condensatore di continuare la sua carica in quanto il transistore, che lo cortocircuita, è interdetto (circuito aperto). Continuando la sua carica il livello di tensione supererà la soglia 1/3 V cc, e però inferiore ai 2/3 V cc. In questo caso le uscite dei comparatori saranno rispettivamente nulle e quindi il FF non cambia il suo stato, il condensatore continuerà a caricarsi. Quando la tensione del condensatore supera i 2/3 V cc, allora le uscite dei comparatori saranno rispettivamente S=0 e R=1 e ciò comporta in cambiamento di stato del FF. L uscita Q-negata si porterà a livello alto portando il transistore in saturazione: inizierà la scarica del condensatore. La scarica continuerà fino a che la tensione ai suoi capi non scende al di sotto di 1/3 V cc. In questo caso le uscite dei comparatori saranno S=1 e R=0 e permetteranno al FF di commutare, portando l uscita di Q-negata a livello basso permettendo così al condensatore di riprendere la carica. Quindi, il condensatore a cicli alterni si carica e scarica all infinito. Di seguito è riportato l andamento nel tempo della tensione ai capi del condensatore e il valore della tensione di uscita sul pin 3, ai capi della resistenza di carico R L. Appunti di elettronica ITIS Galileo Ferraris Prof. Aniello Celentano Anno scolastico 2004/2005 Pag. 2

3 Analizziamo un semplice circuito che permette di avere un uscita rettangolare con Duty-Cycle (D.C.) variabile. Ricordiamo che il Duty-Cycle esprime la percentuale di tempo in cui il segnale è ON rispetto all intero periodo. Analizziamo lo schema riportato qui di seguito. Distinguiamo due casi. a) Il condensatore C x è interessato alla carica. Il pin 7 è virtualmente scollegato dalla massa. Il diodo D 1 risulta polarizzato direttamente dall alimentazione e cortocircuita sia una porzione del potenziometro che la resistenza R 2 ed il diodo D 2, che risulta polarizzato inversamente, circuito aperto. In tali condizioni il condensatore C x si carica tramite la resistenza R 1 più una porzione del potenziometro, diciamo R x. Pertanto la costante di tempo con cui si carica il condensatore sarà 1 =(R 1 +R x )C x. b) Il condensatore C x è soggetto ad una scarica. In questo caso il transistore di scarica è in saturazione. Il pin 7 è virtualmente collegato a massa e pertanto il cursore del potenziometro è collegato a massa. In queste condizioni il condensatore C x polarizza inversamente il diodo D 1 e direttamente il diodo D 2. Il condensatore, pertanto, si scarica sulla resistenza R 2 più la porzione di potenziometro R y =R o - R x, dove R o è il valore nominale del potenziometro. Pertanto in questa fase di scarica del condensatore la costante di tempo sarà 2 =(R 2 +R y )C x. Dall analisi fatta si evince che il periodo di oscillazione è: T= =(R 1 +R x )C x + (R 2 +R y )C x = (R 1 +R 2 +R o )C x Dall ultima formula si vede che il periodo è costante e che variando il potenziometro varia solo il D.C. La tabella riportata qui a lato riporta alcuni valori di frequenza del segnale ottenuto cambiando il valore del condensatore. I valori usati nello schema sono i seguenti. R 1 =4,66 K R 2 =4,66 K R o = 4,7 K (Trimmer) C f (Hz) Misurata Calcolata 0,10 F ,33 F ,30 F ,00 F ,20 F nf 2,5 k 2,1 k 821 pf 77 k 86 k Appunti di elettronica ITIS Galileo Ferraris Prof. Aniello Celentano Anno scolastico 2004/2005 Pag. 3

4 L esempio che viene riportato di seguito permette di avere una frequenza variabile. Osserviamo il circuito riportato di seguito. Sostanzialmente è molto simile a quello analizzato precedentemente. La frequenza di oscillazione è determinata dalla capacità C x. Si può dimostrare che la frequenza di oscillazione dell astabile è Mentre il D.C. si può dimostrare che è data dalla seguente formula: Le dimostrazioni di queste formule vengono fatte considerando prima la carica del condensatore e poi la scarica e quindi analizzando i rami elettrici che sono interessati al fenomeno, come fatto per l esempio precedente. Nello schema riportato di seguito sono stati usati i seguenti valori dei componenti: Ra = 2.7 Kohm Rb = 5.5 Kohm Rv = 22 Kohm (Trimmer) Cs = pf Rout = 10 Kohm C f (Hz) Misurata 81,2 nf 0,450 k 168 nf 0,220 k 17 nf 2,130 k 1,00 F 0,034 k 78 pf 333 k 0,572 nf 62,5 k Il 555 può essere usato anche per ottenere un segnale modulato in FM. Il pin V c (pin 5) in luogo di collegarlo al condensatore C s per ottenere una maggiore stabilità della frequenza di uscita si può collegarlo ad una sorgente di segnale di BF. In questo modo le escursioni di carica e scarica del condensatore saranno regolate dal livello di tensione presente sul pin V c. Ciò produce un segnale in uscita che non ha una frequenza fissa, ma bensì la frequenza di oscillazione dipende dalla tensione applicata all ingresso V c. Appunti di elettronica ITIS Galileo Ferraris Prof. Aniello Celentano Anno scolastico 2004/2005 Pag. 4

5 Configurazione bistabile Osserviamo lo schema elettrico riportato di seguito, rappresenta un circuito bistabile Iniziamo ad analizzare il circuito dal momento in cui è alimentato, supponendo che tutte le capacità presenti siano scariche. Nel momento che viene fornita tensione al circuito la capacità C o essendo scarica cortocircuita la resistenza in parallelo R o. In questo modo il potenziale dei pin 2 e 6 è V cc (+5 Volt). L uscita pin 3 si porta a livello basso com è facile ricavare dall analisi del FF Set-Reset. Nel frattempo la capacità C o si è caricata e raggiunge il valore dio ½ V cc. Questa condizione non cambiare l uscita pin 3. Con l uscita pin 3 bassa (0 Volt) il condensatore C 1 resta scarico. Premendo il tasto T (Normally Open) il condensatore C 1 si trova in parallelo alla resistenza R 0 che ne viene cortocircuitata. In queste condizioni i pin 2 e 6 sono portati a potenziale di massa e il FF Set-Reset commuta l uscita. Il pin 3 si porta a livello alto (+5 Volt) con l effetto che il LED si accende e il condensatore C 1 si carica tendente alla tensione V cc anche se nel frattempo il tasto è stato rilasciato. Il condensatore C 1 dopo un poco di tempo risulta carico. Il LED resta acceso. Se adesso premiamo il tasto T, il condensatore C 1 carico a V cc innalza il potenziale dei pin 2 e 6 a V cc. In questo modo il FF Set-Reset commuta l uscita pin 3: il LED si spegne e il condensatore C 1 si scarica repentinamente per la presenza del diodo D che cortocircuita la resistenza R 1 accelerando la scarica del condensatore. Pertanto ad ogni pressione del tasto T l uscita del circuito commuta stato e rimane in questo stato fino al successivo cambiamento. Appunti di elettronica ITIS Galileo Ferraris Prof. Aniello Celentano Anno scolastico 2004/2005 Pag. 5