2 - IIS Primo Levi

Laboratorio di Elettronica “Primo LEVI” – 2014-2015
Classe 5BN - G. Carpignano
Esperienza 3 – Oscillatore astabile e monostabile con NE555.
Postazione N°
Cognome
Oscilloscopio:……………..
Nome
CLASSE
Generatore di funzione:………………….
1) Caratteristiche elettriche dell’integrato NE 555
Il circuito integrato NE555 permette di realizzare tramite opportune connessioni esterne e qualche
componente passivo, diverse funzioni fra cui la generazione di impulsi di durata fissa (monostabile) e la
generazione di forme d’ onda periodiche (astabile).
Si definiscono multivibratori i circuiti in grado di generare transizioni di alcune grandezze (tensioni o
correnti) con tempi di commutazione di durata breve rispetto al periodo. Per questa ragione vengono
anche denominati “circuiti a scatto”.
Si suddividono in:
• Bistabili
• Astabili (oscillatori a rilassamento)
• Monostabili
Il NE555 deve il suo nome al fatto di possedere all’interno tre resistenze collegate in serie ciascuna del
valore di 5 K; queste ultime forniscono i potenziali di riferimento Vcc / 3 e 2 * (Vcc / 3) ai due comparatori
interni.
Le più importanti caratteristiche sono:
 singola alimentazione regolabile da 5 a 15V
 durata dell’impulso o periodo dell’oscillazione regolabile da alcune decine di microsecondi ad alcune
decine di minuti
 corrente di “sink” o di “source” fino a 200mA
 uscita CMOS o TTL compatibile se viene utilizzato con la stessa alimentazione degli integrati logici
 stabilità di temperatura migliore dello 0.005% per ogni grado centigrado.
Figura Errore. L'argomento
parametro è sconosciuto.
Schema a blocchi del timer
555
1
Il 555 è costituito da due comparatori, un flip-flop S-R, un BJT NPN, un buffer invertente e da tre
resistenze in serie.
Il piedino 1, indicato con GND è la massa mentre il piedino 8, indicato con Vcc è quello a cui si
applica la ten-sione di alimentazione. Il piedino 6, detto “threshold” è collegato all'ingresso non invertente
del comparatore che pilota l'ingresso di reset del flip-flop mentre l'ingresso invertente dello stesso
comparatore è polarizzato al valore 2 • (Vcc/3) tramite il partitore resistivo se si lascia flottante l'ingresso
“control voltage” posto al piedino 5 (in tal caso, però, si preferisce collegare un condensatore del valore
10÷100 nF tra il piedino 5 e massa in modo da filtrare a massa gli eventuali disturbi di alta frequenza che
altererebbero i riferimenti dei comparatori). Il piedino 2, detto “trigger”, è collegato all'ingresso invertente
del comparatore che pilota l'ingresso di set del flip-flop mentre l'ingresso non invertente dello stesso
comparatore è polarizzato al valore (Vcc/3) dal precedente partitore.
Applicando una tensione esterna all'ingresso 5 direttamente o tramite una opportuna resistenza, si
modifica il rapporto di partizione delle tensioni applicate ai comparatori. Il piedino 4 è collegato all'ingresso
di azzeramento del flip-flop e funziona in logica negativa.
Il piedino 7, indicato con “discharge”, è il collettore aperto del BJT la cui base è connessa all'uscita
complementata del flip-flop e l'emettitore è collegato a massa. Il piedino 3, indicato con “output”, è l'uscita
del buffer invertente anch'esso pilotato dall'uscita complementata dal flip-flop.
2) Cablaggio del circuito nella configurazione ASTABILE
Fig. Errore. L'argomento parametro è
sconosciuto. Multivibratore astabile con il
timer 555
Fig. Errore. L'argomento parametro è sconosciuto. Forme
d'onda dell'astabile
regolate la tensione di uscita dell'alimentatore a VCC = +12V.
il pin 8 e pin 4 del NE555 all’alimentazione positiva a 12V  VCC
il pin 1 del NE555 a ground (GND). La MASSA alla boccola NERA
collegare al pin 3 l’anodo di un led, mentre al catodo sarà collegata una resistenza da 1K
con l’altro terminale collegato verso GND.
Collegate:
Per ottenere un funzionamento come astabile, il timer 555 va connesso come indicato in fìg. 2. In
fig. 3 sono indicate le forme d'onda di Vc (t) e Vo (t).
I piedini 2 e 6 sono collegati tra di loro ed assumono lo stesso potenziale del condensatore C. La
resistenza R1 è collegata tra l'alimentazione e il terminale “discharge” mentre R2 è collegata tra il terminale
2
“discharge” e il condensatore. All'ingresso “control voltage” è collegato un condensatore di filtro di piccola
capacità (10 nF) e l'ingresso di azzeramento (pin 4) è collegato all'alimentazione.
Il funzionamento è il seguente. Quando si dà alimentazione al circuito i piedini 2 e 6 sono a
potenziale zero se il condensatore C è inizialmente scarico. Si ha: S =1, R = 0 per cui Q =1. Poiché la base del
BJT e il buffer sono collegati all'uscita complementata del flip-flop si ha il BJT in interdizione e “output” a
livello 1. Il condensatore tende a caricarsi al valore Vcc attraverso le resistenze R1 e R2 con costante di
tempo (R1 + R2) * C.
Quando C raggiunge il potenziale Vcc/3 il comparatore “trigger” commuta portando S = R = 0; lo
stato del flip-flop, come è noto, non varia e C continua a caricarsi.
Raggiunto, però, il valore 2 •(Vcc/3) commuta anche il comparatore “threshold” e si ha: S = 0 e R =1;
il flip-flop commuta e di conseguenza il BJT entra in saturazione e l'uscita si porta a 0.
Tra il piedino “discharge” e massa c'è, ora, una ddp pari a Vcesat che, in prima approssimazione, è
zero. Il condensatore si scarica attraverso la sola R2 nel collettore del BJT.
Lo stato del flip-flop resta immutato finché Vc è compreso nell'intervallo Vcc/3 e 2 • (Vcc/3) in
quanto si verifica: S = R = 0.
Quando Vc scende al di sotto di Vcc/3 si riottiene: S =1, R = 0 per cui il BJT torna interdetto
caricando C attraverso R1 + R2 e l'uscita si riporta a 1.
In conclusione, la ddp di C oscilla tra 1 • Vcc/3 e 2 • (Vcc/3) e l'uscita tra 0 e Vcc.
Determiniamo i tempi T1 e T2. Durante la fase di carica il condensatore assume il valore iniziale
Vcc/3 e finale Vcc, ma dopo il tempo T1 raggiunge il valore 2· (Vcc/3) e commuta. L'equazione di carica è:
t
 Vcc
   R1  R2  C


Vc t  Vcc  
 Vcc   e
 3

sostituendo i valori nella (1) per t = T1 si ha:
(1)
T1
Vcc
 V  
Vc  T1   2 
 Vcc   2  cc   e  R1  R2  C da cui:

3
3
T1   R1  R2 C  ln 2  0.693   R1  R2 C
(2)
Durante la fase di scarica il condensatore assume il valore inziale 2· (Vcc/3) e finale 0, ma dopo il tempo
T2 raggiunge il valore Vcc/3 e commuta. L'equazione di scarica è:
t
 Vcc   R2 C
Vc  t    2 
 e

3 
Sostituendo i valori nella (3) per t = T2 si ha
(3)
T
2
V
 Vcc   R2 C
Vc  T2   cc   2 
 e
3 
3 
T 2  R2 C  ln 2  0.693  R2 C
Il periodo T è
da cui
(4)
T  T1  T2  0.693   R1  R2 C  0.693  R2 C  0.693 R1  2 R2 C
La frequenza f è il reciproco di T:
1
1
1.44
(6)
f  

T 0.693 R1  2 R2 C  R1  2 R2 C
(5)
Il “Duty-cycle” è il rapporto tra il tempo in cui l'uscita è 1 e l'intero periodo:
 R1  R2 
T
D 1 
(7)
T  R1  2 R2 
Notiamo che, essendo T1 > T2, il “duty-cycle” è sempre maggiore di 0.5 per cui le onde di uscita non
sono mai quadre. In pratica ponendo R1 << R2, D si avvicina di molto a 0.5 e le onde si possono ritenere
quadre.
3
Notiamo, inoltre, che il condensatore è carico sempre positivamente per cui è possibile utilizzare un
elettrolitico di grossa capacità onde ottenere periodi lunghi.
I valori delle resistenze R1 e R2 sono compresi tra 1 kohm e 10 Mohm. Ciò consente una regolazione di
frequenza in un intervallo assai ampio. Valori più piccoli di 1 kohm renderebbero elevata la corrente di
collettore di saturazione del BJT interno e con essa aumenterebbe la V cesat o, addirittura, il BJT potrebbe
uscire dalla saturazione.
In entrambi i casi il pin 7 avrebbe un potenziale superiore a zero e ciò comporterebbe una diversa
determinazione di T2 e, nelle peggiori delle ipotesi, il circuito non oscillerebbe più.
3) Calcolo frequenza e dimensionamento componenti
Volendo lavorare con una frequenza di 440 HZ occorre dimensionare i seguenti componenti con la
seguente formula:
1
1
1.44
f  

T 0.693 R1  2 R2 C  R1  2 R2 C
Sigla Componente
R1
R2
C1
C2 (collegato al pin 5)
Valore nominale
 - ¼ w – 5%
 - ¼ w – 5%
Valore effettivo
Scarto %
Condensatore poliestere 10 nF
4) Predisposizione degli strumenti per misure delle soglie (oscillatore astabile)
Accendete l’alimentatore e misurare le due soglie di tensione presenti sul pin 6 e 2 con un
oscilloscopio, ricordando di effettuare prima la calibrazione della sonda attenuatrice.
Si ricorda che la variazione di tensione dell’alimentazione (Vcc) deve essere effettuata senza
collegare il circuito con l’integrato NE555.
Nodi
V
(pin2)
V
(pin2)
V
(pin2)
V
(pin2)
V
(pin2)
Vcc
[V]
Freq.
Freq.
calcolata misurata
[Hz]
[Hz]
Misura [V]
soglia
inferiore
Calcolo [V]
soglia
inferiore
Misura [V]
soglia
superiore
Calcolo [V]
soglia
superiore
12V
10V
8V
6V
5V
5) Rappresentazione della tensione sul condensatore (VC1) e dell’uscita (oscillatore
astabile)
Accendete l’alimentatore e fotografate le due soglie di tensione presenti sul pin 6 e 2 con un
oscilloscopio, ricordando di effettuare prima la calibrazione della sonda attenuatrice
4
Grafico della VC1 (tensione ai capi del C1 – pin 2)
Asse X = ……V x divisione
Asse Y = ……V x divisione
Grafico della Vout (tensione ai capi del pin 3)
Asse X = ……V x divisione
Asse Y = ……V x divisione
5) Cablaggio del circuito con potenziometro (oscillatore astabile)
Servendosi dello schema allegato in figura dimensionare i seguenti componenti per ottenere una
frequenza di 100 Hz:
Sigla Componente
R1
R2
R3
C1
C2 (collegato al pin 5)
D1 = D2
D3
Valore nominale
resistore
 - ¼ w – 5%
potenziometro
 - ¼ w – 5%
resistore da
220  - ¼ w – 5%
Condensatore poliestere 10 nF
Diodo al Si tipo 1N4148
Diodo led colore rosso
5
Valore effettivo
Scarto %
Schema elettrico di un
oscillatore astabile con NE555
con duty cycle variabile
Montate sulla Breadboard il circuito con NE555.
Collegate:
regolate la tensione di uscita dell'alimentatore a VCC = +5V.
6) Predisposizione degli strumenti per misure sull’oscillatore astabile con duty-cycle
variabile
Accendete l’alimentatore e misurare il duty cycle della forma d’onda in uscita con un oscilloscopio,
ricordando di effettuare prima la calibrazione della sonda attenuatrice
Nodi
Vcc
[V]
Voutput
(pin 3)
5V
Freq.
calcolata
[Hz]
Freq.
misurata
[Hz]
Duty-Cycle con
Pot. R2 regolato al
minimo
Duty-Cycle con
Pot. R2 regolato
a metà
Duty-Cycle con
Pot. R2 regolato
al massimo
Indicare l’intensità luminosa del Led (D3)
7) Cablaggio del circuito nella configurazione MONOSTABILE
La configurazione monostabile riportata in figura permette di generare un impulso usando come
trigger una transizione alto-basso sull’ingresso invertente del comparatore 2.
6
Schema elettrico di un circuito monostabile con NE555
Rappresentazione
monostabile
grafica
del
Analizziamo qual è la configurazione di riposo.
I nodi VTH e VTL sono rispettivamente a 2/3 VCC e 1/3 VCC.
Ipotizziamo inizialmente la VO=0V (Q=L). L’uscita Q negata del flip-flop SR è quindi alta, il transistore
Q1 è in saturazione ed il nodo VC è circa a massa.
L’uscita del comparatore 1 è quindi bassa, come anche quella del comparatore 2 il cui ingresso (trigger) è alto.
Se quest’ultimo nodo ha una transizione alto-basso, l’uscita del comparatore 2 andrà alta e setta il
flop-flop. VO va alta mentre Q negato va basso, il transistore si interdice e il condensatore comincia a
caricarsi attraverso la R. La carica si interrompe quando VC supera VTH facendo scattare il comparatore 1
che resetta il flip-flop e ripristina le condizioni iniziali.
La durata dell’impulso sull’uscita si calcola con l’espressione del transitorio di carica assumendo
VSTART=0V, VSTOP=VCC ed imponendo la tensione di scatto pari a V TH.
8) Calcolo Tempo e dimensionamento componenti
Volendo lavorare con un periodo del monostabile corrispondente a T = 0,001 s = 1 ms occorre
dimensionare i seguenti componenti:
Sigla Componente
R
C
C (collegato al pin 5)
Valore nominale
Resistore da
 - ¼ w – 5%
Condensatore poliestere 10 nF
7
Valore effettivo
Scarto %
9) Predisposizione degli strumenti per misure sull’oscillatore astabile con duty-cycle
variabile
Montare il circuito monostabile con NE555 sulla basetta breadboard
Regolare l’alimentatore con +5V
Collegare un oscillatore astabile (con NE555 e sempre con alimentazione Vcc = +5V) che oscilli alla
frequenza di 440Hz (utilizzato nella prima esercitazione), la cui uscita dell’oscillatore (pin 3) venga collegata
all’ingresso denominato Vtrigger del comparatore 2 della figura precedente
Nodi
Vcc
[V]
Voutput
astabile
(pin 3)
5V
Voutput
monostabile
(pin 3)
Freq.
calcolata
[Hz]
Freq.
misurata
[Hz]
Duty-Cycle
calcolato
Duty-Cycle
misurato
Attivazione
 sul fronte di salita
 sul fronte di discesa
 sul livello ALTO
 sul livello BASSO
5V
10) Disegnare lo schema completo dell’oscillatore astabile che comanda il circuito
monostabile, entrambi con NE555
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