Presentazione di PowerPoint

DISTRETTO FORMATIVO ROBOTICA - Verona
Amplificatori Operazionali-2
1. Applicazioni non
lineari
dell’operazionale.
2. Generatori di forme
d’onda.
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1. Applicazioni non lineari dell’AO
1.1 – Comparatore.
1.2 – Trigger di Schmitt.
1.3 – Comparatore a finestra.
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1.1 Comparatore.
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Comparatore
• Comparatore: dispositivo che confronta la
tensione Vin applicata all’ingresso con una tensione
di riferimento costante Vref (soglia). Per questo è
anche detto comparatore a soglia.
• L’uscita Vout indica se Vin è maggiore o minore di
Vref, commutando di livello allorché Vin = Vref.
• Se Vref ≠ 0 il circuito è anche detto rivelatore di
livello mentre se Vref = 0 prende il nome di
rivelatore di zero.
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Comparatore invertente con Vref≠0
• Dalla transcaratteristica di destra si può
notare che:
Quando Vin < Vref  Vout ≈ + Vcc
Quando Vin > Vref  Vout ≈ − Vcc
Quando Vin = Vref  si ha la commutazione
di livello ( Rivelatore di livello).
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Comparatore non invertente con Vref=0
• Dalla transcaratteristica di destra si può
notare che:
Quando Vin < 0  Vout ≈ − Vcc
Quando Vin > 0  Vout ≈ +Vcc
Quando Vin = 0 si ha la commutazione di
livello ( Rivelatore di zero).
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Ruolo del comparatore
• Il comparatore può essere
considerato un’interfaccia tra
circuiti analogici e digitali.
• Infatti i segnali di ingresso sono
analogici mentre l’uscita assume
solo 2 livelli ( ± Vcc), che possono
essere considerati livelli logici.
• Può essere considerato un
convertitore analogico/digitale a
1 bit.
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Limiti del comparatore a soglia
1. Il comparatore a soglia non assicura un'uscita
costante: si ha quindi una "zona di
indeterminazione", ovvero una fascia di valori
del segnale di ingresso entro la quale il segnale
viene amplificato, ma senza saturare.
2. Oltre a ciò vi è una difficoltà pratica di utilizzo del
semplice comparatore a soglia in quelle
applicazione in cui sia richiesto il controllo
on/off di un dispositivo:

Se infatti la differenza tra il segnale variabile di ingresso
"Vin" e quello di riferimento "Vref", è piccola o addirittura
trascurabile, il comparatore sarà instabile, accendendo e
spegnendo ripetutamente il dispositivo.
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DISTRETTO FORMATIVO ROBOTICA - Verona
Limiti del comparatore a soglia
3) L’AO in anello aperto è più sensibile a
rumori e disturbi presenti agli ingressi
invertente e non invertente.
 Ciò può provocare commutazioni indesiderate
dell’uscita a seguito di una momentanea ed
errata coincidenza dei valori Vin e Vref.
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1.2 Trigger di Schmitt.
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Trigger di Schmitt
• Il Trigger di Schmitt, o
comparatore rigenerativo o
comparatore con istèresi o
comparatore a doppia
soglia, riduce gli
inconvenienti del
comparatore a soglia,
creando una zona di
insensibilità (isteresi),
compresa entro due soglie
di intervento (VT+ e VT−).
• Ciò grazie alla retroazione
positiva (frazione dell’
uscita riportata in ingresso
al terminale + dell’AO, con
aumento del guadagno).
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Funzionamento del Trigger di Schmitt
1) Se Vout = +Vcc
 V+ = [R2/(R1+R2)](+Vcc).
Allorché Vin raggiunge tale
valore (indicato con tensione
di soglia superiore VT+), Vout
commuta a Vcc.
2) Se Vout = Vcc
 V+=[R2/(R1+R2)] (Vcc).
Allorché Vin, diminuendo,
raggiunge tale valore
(indicato con tensione di
soglia inferiore VT), Vout
ricommuta al valore +Vcc,
rimanendovi fino al
successivo passaggio per VT+.
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La transcaratteristica
• VH = VT+ - VT- = Tensione di Istèresi. Se Vref
fosse ≠ 0 il grafico traslerebbe orizzontalmente.
• L’istèresi è quella che permette di evitare le
commutazioni indesiderate: maggiore è VH minore
è la probabilità di avere false commutazioni.
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Porte con ingressi a trigger di Schmitt
• Un inconveniente che si verifica di frequente
sulle linee di trasmissione di segnali digitali
è la degradazione dei loro livelli logici.
• Questo capita a causa della sovrapposizione
al segnale utile di una componente di
rumore che va a variare l’ampiezza piccopicco del segnale.
• Spesso a ciò si accompagna anche un
peggioramento della forma dei fronti
d’onda di salita e discesa.
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Porte con ingressi a trigger di Schmitt
• Sfruttando le caratteristiche del Trigger di Schmitt, i
progettisti hanno realizzato porte logiche integrate con
ingressi a trigger di Schmitt (o porte con istèresi), il cui
simbolo è rappresentato in figura.
• Esse presentano una transcaratteristica in cui non esiste
una zona di transizione graduale nel passaggio da un livello
all’altro, bensì un passaggio brusco in corrispondenza di
due distinti valori dell’ingresso (le tensioni di soglia).
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Porte con ingressi a trigger di Schmitt
• Le porte logiche con istèresi, dunque, sono più
immuni ai rumori di quelle senza istèresi.
• Sono dunque usate per “ripulire” dal rumore il
segnale di ingresso e migliorare la definizione dei
fronti del segnale in uscita.
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1.3 Comparatore a finestra.
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Il comparatore a finestra
• Il comparatore a finestra permette di
riconoscere se una tensione, Vin, risulta
all’interno o all’esterno di una finestra
di valori, ossia tra due estremi, Vref1 e
Vref2.
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Schema circuitale del comparatore a finestra
• In figura, il comparatore superiore (A1) è di
tipo non invertente, mentre quello inferiore
(A2) è di tipo invertente, pertanto si otterrà il
seguente funzionamento:
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Principio di funzionamento
1) Vin < Vref2
 l’uscita di A2 è alta e
l’uscita di A1 è bassa
 D2 è ON e D1 è OFF
 Vout=+VCC grazie ad A2.
2) Vin > Vref1
 l’uscita di A1 è alta e
l’uscita di A2 è bassa
 D1 è ON e D2 è OFF
 Vout=+VCC grazie ad A1.
3) Vref2 < Vin < Vref1
 le uscite di A1 e A2 sono
basse,
 sia D1 che D2 sono OFF
  Vout = 0.
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Amplificatori Operazionali-2
2. Generatori di forme
d’onda.
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2. Generatori di forme d’onda
2.1 – Multivibratori.
2.2 – Astabile ad operazionale.
2.3 – Generatore di onda quadra e
triangolare.
2.4 – Multivibratori a porte logiche
2.5 – Multivibratori integrati.
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2.1 Multivibratori.
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Multivibratori
• I multivibratori, a differenza degli oscillatori sinusoidali, sono
circuiti adatti a fornire onde quadre, rettangolari o
impulsive.
• Sono realizzati in svariate forme:




a BJT,
ad operazionale,
a porte logiche,
in circuito integrato.
• Si distinguono in monostabili, bistabili e astabili.
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Multivibratore monostabile
• Presenta uno stato stabile, in cui può rimanere
indefinitamente, ed uno quasi-stabile.
• Mediante il segnale di comando Vi in ingresso è possibile far
commutare l’uscita Vo dallo stato stabile SS) a quello quasistabile (SQS).
• Da quest’ultimo, però, dopo un tempo dipendente dai
parametri del circuito stesso, l’uscita ritorna nello stato
stabile.
• In definitiva il circuito genera, in seguito ad un comando, un
impulso (onda rettangolare) di durata prestabilita, utilizzabile
come temporizzatore.
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Multivibratore bistabile
• Detto anche flip-flop, presente due stati
stabili (SS) nei quali può permanere
indefinitamente.
• Il circuito passa da uno stato all’altro solo in
seguito ad un comando esterno. Trova
largo impiego come cella di memoria e
divisore di frequenza (FF JK e FF T).
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Multivibratore astabile
• E’ caratterizzato da due stati non stabili (uscita alta e bassa)
tra i quali il multivibratori oscilla senza bisogno di comandi
esterni.
• L’autoinnesco dell’oscillazione è reso possibile, sotto certe
condizioni, dalla sicura presenza di una quantità infinitesima di
rumore termico nel sistema amplificatore−rete di reazione,
amplificata dall’anello di reazione.
• Il periodo delle oscillazioni è determinato dalle costanti di
tempo del circuito.
• L’astabile è un vero e proprio generatore di onde rettangolari.
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2.2 Astabile ad operazionale.
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Astabile ad operazionale
• Se colleghiamo
all’uscita del Trigger
di Schmitt un ramo di
temporizzazione RC
e applichiamo la
tensione del
condensatore Vc
all’ingresso invertente
del comparatore
otteniamo un
multivibratore
astabile (generatore di
onda quadra).
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DISTRETTO FORMATIVO ROBOTICA - Verona
Principio di funzionamento
• Supponiamo
inizialmente Vo =
VoH.  C tende a
caricarsi al valore
+Vcc con costante di
tempo RC, ma
quando Vc (= V =
V+ = VR2) raggiunge
il valore VT+
(tensione di soglia
superiore del
Trigger), Vo
commuta portandosi
al valore –Vcc.
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DISTRETTO FORMATIVO ROBOTICA - Verona
Principio di funzionamento
• A questo punto Vc
si inverte di polarità
e C inizia a
scaricarsi tendendo
a VoL con la stessa
costante di tempo.
Giunta però Vc alla
soglia inferiore VT 
l’uscita ricommuta e
il ciclo ricomincia.
(L’analisi sarebbe
identica se partissimo
dal valore Vout=Vcc).
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2.3 Generatore d’onda
quadra e triangolare.
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Generatore di onda quadra e triangolare
• Con il seguente circuito è possibile ottenere sia
un’onda quadra (Vo1) che un’onda triangolare (Vo2).
• Infatti esso è costituito da un Trigger di Schmitt
non invertente (con Vref = 0) che alimenta un
integratore invertente.
• L’uscita Vo2 dell’integratore è a sua volta riportata
all’ingresso del trigger in modo da chiudere l’anello di
reazione.
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Forme d’onda
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Relazioni matematiche
• Valgono le seguenti relazioni:
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2.4 Multivibratori a porte
logiche.
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Multivibratori a porte logiche
• Le porte logiche TTL e CMOS
vengono spesso usate per
realizzare circuiti formatori
d’onda, in particolare:
multivibratori astabili (generatori di
segnali di clock),
multivibratori monostabili
(formatori di impulsi)
multivibratori bistabili (celle di
memoria a flip-flop).
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Principio di funzionamento
• Il principio che sta alla base dei
multivibratori a porte logiche è che se si
collega l’ingresso con l’uscita di un blocco
costituito da un numero pari di porte NOT,
si ottiene una reazione positiva.
• In questo caso il punto di lavoro non può
permanere nella zona di transizione tra i due
livelli ma viene sospinto energicamente al
livello alto o basso della transcaratteristica.
• Perciò la configurazione costituita da 2
porte reazionate viene utilizzata come
blocco di commutazione nei circuiti a scatto.
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Monostabile a CMOS
• La porta G2 funziona da
NOT. Il circuito presenta
uno stato stabile (Vo
= L), la cui rimozione è
possibile mediante
l’applicazione di un
impulso positivo (Vcomm)
all’ingresso di G1.
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• Tale impulso
positivo porta il
circuito nello stato
quasi-stabile
(Vo=H), la cui
durata, To, dipende
dalla costante di
tempo RC e dalla
tensione di soglia
VT = Vcc/2 tra stato
H e L:
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Astabile a CMOS
• E’ costituito da 2 porte NOT e da una rete di
temporizzazione RC, posta in retroazione,
che fissa un duty-cycle d=50% e un periodo
dell’oscillazione T al valore:
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Astabile con NOT a trigger di Schmitt
• Si può ottenere un
astabile grazie ad una
porta NOT con
ingresso a Trigger
di Schmitt.
• Anche in questo caso
d=50% e il periodo
complessivo dell’onda
quadra di uscita vale:
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2.5 Multivibratori integrati
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Multivibratori integrati
• La maggior parte delle case costruttrici di
componenti elettronici producono generatori
di funzioni integrati, in grado di fornire
segnali di forma d’onda diversa.
• Questi segnali sono, tipicamente:
 Segnale sinusoidale
 Segnale triangolare
 Onda quadra
• Per essi si possono variare alcuni parametri,
come:
 frequenza,
 ampiezza,
 duty-cycle.
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Monostabili integrati
• Le principali caratteristiche dei monostabili
integrati sono:
 il numero e il tipo degli ingressi di trigger (di comando);
 la retriggerabilità (capacità di cominciare un nuovo ciclo
di temporizzazione durante lo stato instabile);
 la resettabilità;
 la durata dell’impulso.
• Monostabili di uso comune sono: 74121, 74122,
74123, 9602, 8853, 4098, XR2240, 555.
• Il 555 è uno dei più diffusi integrati dedicati alla
temporizzazione, oltre che alla realizzazione di
multivibratori astabili e monostabili, attuabili con
l’aggiunta di pochi componenti esterni (resistenze,
condensatori).
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555 come astabile
• Ra, Rb e C costituiscono il
ramo di
temporizzazione.
• Il condensatore da 0,01 μF
permette di mantenere
fissa la tensione di
riferimento al pin 6 (THR),
isolando in continua il pin
5 dalla massa e
cortocircuitando invece
eventuali disturbi.
• Il periodo T dell’onda
quadra di uscita e il dutycycle d valgono:
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555 come monostabile
• Ra e C formano la rete
di temporizzazione.
• Il terminale di trigger,
(pin 2), diventa
l’ingresso sul quale
applicare il segnale di
comando (impulso
negativo di ampiezza
Vcc).
• La durata dell’impulso
vale:
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Approfondimenti
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Limiti del comparatore in anello aperto
• Il comparatore in anello aperto presenta un
grave inconveniente.
• Infatti, se al segnale analogico d’ingresso
fosse sovrapposto un disturbo (tensione
casuale di rumore che ne modifica
l’ampiezza), l’ampiezza del segnale
risultante potrebbe avere delle escursioni
talora al di sopra e talora al di sotto di Vref.
• Ciò provocherebbe commutazioni
indesiderate dell’uscita, fonte di
malfunzionamenti della circuiteria a valle del
comparatore.
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Diodi e operazionali
• L’utilizzo dei diodi nelle configurazioni
circuitali ad operazionale permette di
ottenere dispositivi dal comportamento
molto interessante:
1. raddrizzatore attivo a semplice e doppia
semionda, che consente di rendere
unidirezionale un segnale bidirezionale,
2. rivelatore di picco attivo, che grazie alla
presenza di un condensatore carico permette di
“bloccare” il valore dell’uscita al valore massimo
assunto dall’ingresso,
3. fissatore attivo, o limitatore di tensione, che
“fissa” il valore dell’uscita ad un determinato
livello di potenziale, fissato da un partitore.
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DISTRETTO FORMATIVO ROBOTICA - Verona
Retroazione negativa e positiva
• Nelle applicazioni lineari degli
amplificatori operazionali è sempre
presente reazione negativa.
 Le applicazioni lineari con reazione negativa possono
presentare una rete di retroazione:
 resistiva (come nelle configurazioni invertente e non,
buffer, sommatore, differenziale, ecc.)
 oppure reattiva (per esempio il circuito integratore,
derivatore, filtri attivi, astabile, ecc).
• Nelle applicazioni non lineari vi può
essere reazione negativa o positiva.
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Ingressi a trigger di Schmitt
• Gli ingressi a trigger di Schmitt
rendono i dispositivi digitali immuni dai
cosiddetti jitter , o guizzi spurii.
• Questi si manifestano sull’uscita quando i
segnali di pilotaggio applicati agli ingressi
presentano transizioni troppo lente.
• Ciò, infatti, potrebbe comportare, da
parte dei circuiti collegati a valle, una
errata interpretazione di questi guizzi
come segnali veri e propri.
• In tal caso si dice che i dispositivi sono
forniti di ingressi triggerati.
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DISTRETTO FORMATIVO ROBOTICA - Verona
Altre applicazioni del trigger di Schmitt.
1) Riformatore di impulsi.
Se un eventuale disturbo che si sovrappone all’ingresso Vin è tale da avere
un’ampiezza minore dell’istèresi VH, esso non viene avvertito, per cui non si
producono commutazioni indebite dell’uscita Vout.
2) Squadratore.
Il Trigger di Schmitt viene usato per squadrare segnali di forma qualsiasi, al
fine di renderli adatti ai sistemi digitali, funzionanti con segnali binari (p.e.
nella tecnica antirimbalzo nel caso di un interruttore meccanico).
3) Regolatore del duty-cycle di un’onda rettangolare.
Se l’ingresso Vin è costituito da un generico segnale periodico, l’uscita Vout
avrà la forma di un segnale rettangolare, o quadro, oscillante tra due livelli:
si comporta quindi come squadratore di segnali di varia forma d’onda.
Variando la tensione Vref del trigger di Schmitt, quindi la tensione V+, è
possibile regolare il duty-cycle dell’onda in uscita.
4) Generatore di forme d’onda.
Il trigger di Schmitt è il componente fondamentale dei generatori di forme
d’onda a multivibratore, ossia costituisce la base di molti circuiti a scatto (o in
commutazione).
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Generatori di forme d’onda.
• In genere i generatori di forme d’onda
rappresentano una vasta categoria di circuiti in grado
di produrre segnali di forma diversa: impulsiva,
quadra, rettangolare, triangolare, a rampa, a dente di
sega, a gradinata, sinusoidale, ecc.
• I segnali impulsivi sono impiegati per il comando
(trigger) o la sincronizzazione di altri circuiti.
• La rampa è la base dei tempi per l’oscilloscopio e i
ricevitori TV.
• L’onda quadra o rettangolare fa da clock nei circuiti
digitali.
• La gradinata è impiegata negli oscilloscopi
campionatori e nei tracciatori di curve.
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Formatore d’onda sinusoidale
• Dal segnale triangolare è possibile
ottenere un segnale sinusoidale,
tramite un amplificatore con funzione
di trasferimento non lineare.
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Generatore di onda quadra e triangolare.
• Con opportune modifiche al circuito
precedente è possibile intervenire sia sulla
simmetria sia sul valor medio delle forme
d’onda quadra e triangolare.
• Si può dimostrare che una tensione di
riferimento diversa da zero al terminale
negativo di A1 introduce un offset sulle forme
d’onda d’uscita e quindi ne varia il valor
medio.
• Invece una tensione continua sul morsetto non
invertente di A2 permette di variare la
simmetria della forma d’onda.
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DISTRETTO FORMATIVO ROBOTICA - Verona
Porte TTL e CMOS.
• Le porte TTL, a causa delle correnti di ingresso non
trascurabili e alla loro struttura dell’ingresso, non
consentono di produrre periodi o impulsi di durata
molto elevata, per questo il loro uso è limitato ai
generatori di clock.
• Nelle porte CMOS, invece, grazie alla loro
elevatissima impedenza d’ingresso, si possono
utilizzare resistenze di temporizzazione di valore
molto grande (M) e produrre impulsi di durata
molto elevata.
• Inoltre il poter ricorrere ad elevate resistenze
consente spesso di evitare l’uso di condensatori
elettrolitici di grande valore.
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Circuito integrato 555
• L’integrato 555 ideato nei primi anni ‘70 è un
temporizzatore di estrema precisione, versatile e di
grande semplicità di utilizzo.
• Trova impiego in svariate applicazioni dell’elettronica
analogica.
• Il suo nome è dovuto alla presenza al suo interno di tre
resistenze da 5 k.
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Circuito integrato 555
• Lo schema a blocchi dell’integrato a tecnologia
bipolare è costituito da:





3 resistori da 5 k,
due comparatori,
un flip-flop del tipo SR,
un BJT
un buffer di uscita, in grado di erogare una corrente massima
di 200 mA.
• I tre resistori realizzano un partitore resistivo in grado
di fornire le tensioni di riferimento 2/3 di Vcc e 1/3 di Vcc,
rispettivamente al comparatore 1 e al comparatore 2.
• Le uscite dei comparatori sono collegate agli ingressi
di Reset e di Set del flip-flop, la cui uscita
complementare pilota la base del BJT.
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DISTRETTO FORMATIVO ROBOTICA - Verona
555 come astabile
•
•
•
•
•
•
•
•
Supponiamo che inizialmente il
condensatore C sia scarico: gli ingressi
dei due comparatori sui piedini 2 e 6 si
trovano a livello basso.
Il comparatore 1 dà in uscita un livello
basso, quindi il reset del flip-flop è a
livello basso; il comparatore 2 dà in
uscita un livello alto, settando il flip-flop
e portando l'uscita Q a 1 e Q negato a 0.
Sul piedino 3 si ha Vout = H.
Il BJT è interdetto, quindi il piedino 7 si
trova isolato da massa.
C inizia a caricarsi attraverso la serie di
Ra ed Rb.
Quando Vc raggiunge il valore di 1/3 di
Vcc, il comparatore 2 commuta e si
porta a livello basso (S=0) ma il flip-flop
non commuta perché anche R=0, ed il
condensatore continua a caricarsi.
Quando Vc raggiunge i 2/3 di Vcc, il
comparatore 1 commuta, portando la
sua uscita a livello alto resettando il flipflop (R=1) e portando l’uscita negata a
livello alto, che satura il transistor.
Sul piedino 3 si ha ora Vout=L.
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•
•
•
Il piedino 7 risulta collegato a massa e il
condensatore si scarica attraverso la
resistenza Rb.
Quando Vc scende al di sotto di 1/3 di
Vcc, il comparatore 2 commuta, settando
il flip flop, portando la sua uscita a
livello H e l’uscita negata a livello L.
Ora si ha Vout=H e il BJT risulta quindi
interdetto, il piedino 7 risulta non più a
massa, permettendo a C di ricaricarsi,
ripetendo il ciclo precedente.
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DISTRETTO FORMATIVO ROBOTICA - Verona
555 come monostabile
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In condizioni di riposo l’ingresso positivo
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(V+) del comparatore 1 è mantenuto a +
Vcc tramite la resistenza Ra, mentre
l’ingresso negativo (V-) è posto a (2/3)Vcc.
L’uscita del comparatore 1 è alta e resetta
il flip-flop, portando l’uscita negata del
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flip-flop a livello alto.
L’ingresso negativo del comparatore 2
viene mantenuto, mediante un segnale di
ingresso, ad un valore di tensione
maggiore di 1/3 di Vcc.
L’uscita del comparatore è quindi Low.
In queste condizioni si ha quindi il reset
del flip-flop a livello alto e il set a livello
basso, saturando il BJT.
Nell’istante in cui all’ingresso negativo del
comparatore 2 si ha una tensione
negativa, inferiore a 1/3 di Vcc, la sua
uscita va H, settando il flip-flop e
interdicendo il BJT, permettendo al
condensatore C di caricarsi.
Il condensatore inizia quindi a caricarsi
attraverso la resistenza Ra.
giugno 2008
Appena Vc che è anche quella del
piedino positivo del primo comparatore,
raggiunge i 2/3 di Vcc, l’uscita del
comparatore va H facendo condurre il
transistor.
C si scarica rapidamente attraverso la
bassa resistenza di uscita del BJT,
restando scarico fino all’arrivo del nuovo
impulso.
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