Circuiti Integrati : 555

Circuiti Integrati : 555
555
Il circuito integrato 555, introdotto per la prima volta intorno il 1971, fu il primo circuito
integrato commerciale con funzione di timer. Tale componente è oggi utilizzato in
moltissimi circuiti sia nella versione originale sia nella versione CMOS .
Le due figure sottostanti mostrano i due package standard e la corrispondente
disposizione dei terminali.
1. Ground
2. Trigger
3. Output
4. Reset
5. Control Volt.
6. Threshold
7. Discharge
8. VCC(+)
Ground
VCC
Trigger
Discharge
Output
Threshold
Reset
Control
Voltage
Per tale circuito integrato esistono molteplici applicazioni che, d’altra parte,
corrispondono in genere a due modi di funzionamento:
Come timer (Modo monostabile)
Come oscillatore (Modo astabile)
555
+VCC 8
4 Reset
5KΩ
6 Controllo
2VCC/3
5 Soglia
+
Comp.1
-
R
Q
S
_
Q
5KΩ
+
Comp.2
-
VCC/3
2 Trigger
Uscita
3
Il CI 555, prende il suo nome dai 3 resistori
da 5kΩ impiegati per realizzare l’integrato.
I tre resistori ripartiscono la tensione Vcc in
modo tale che sull’ingresso + del comp.2 è
applicata una tensione pari a Vcc/3, mentre
sull’ingresso - del comp.1 è applicata la
tensione 2Vcc/3. Per cui si può considerare
la seguente tabella:
5KΩ
Controllo Trigger
R
< 2Vcc/3 > Vcc/3 Basso
> 2Vcc/3 > Vcc/3 Alto
< 2Vcc/3 < Vcc/3 Basso
> 2Vcc/3 < Vcc/3 Alto
7 Scarica
1 GND
Vcc
2VCC/3
VCC/3
0
R
Vcc
C
2VCC/3
C
T
T
S Out
VCC/3
R S Out
0
Qn+1 & Out
Qn
Basso
Alto
Ind.
S
Basso
Basso
Alto
Alto
S Out
C
Out
C
T
T
R
RS
Qn+1
Qn
Alto
Basso
Ind.
8 +Vcc
555
4 Reset
5KΩ
6 Controllo
+
Comp.1
-
R Q
5 Soglia
Pin 1 (Massa)
5KΩ
_
Pin 2 (Trigger) Utilizzato per “settare” il flipS
Q
2 Trigger
flop, quando la tensione applicata al pin
3
5KΩ
Uscita
2 passa da un valore maggiore ad un
7 Scarica
valore minore di Vcc/3, l’uscita del
comparatore scatta al valore alto
1 GND
“settando” così il flip-flop.
Pin 3 (Uscita) l’uscita del 555 è pilotata da un buffer invertente capace di trattare correnti
di 200mA. Con tensioni d’uscita pari a circa Vcc-1.5 V o 0.1V.
Pin 4 (Reset) Quando è allo stato alto (Vcc) il “reset” è disattivato. Quando è allo stato
basso (0-0.4V) il “reset” è attivo per cui Q è portato allo stato alto e l’uscita allo
stato basso.
Pin 5 (Soglia) Capace di fornire un diverso valore (2Vcc/3) di “trigger”. In genere è
connesso a massa tramite un condensatore da 0.01μF
Pin 6 (Controllo) Ingresso al comparatore 1 è utilizzato per “resettare” il flip-flop
mediante una tensione che passa da un valore minore ad un valore maggiore di
2Vcc/3
Pin 7 (Scarica) E’ connesso al collettore di un transistor npn è utilizzato per cortocircuitare
il pin 7 quando è allo stato alto
Pin 8 (Alimentazione ) Tipicamente fra 4.5 e 16 V
+
Comp.2
-
555: Funzionamento astabile
In tale modo il 555 agisce come un
generatore d’onda rettangolare la cui
forma d’uscita può essere regolata per
mezzo di due circuiti RC esterni di
carica/scarica.
Nella configurazione astabile quando è
applicata la tensione di alimentazione
VCC al chip il condensatore inizialmente è
scarico ciò significa che sui terminali 2 e
6 la tensione è nulla quindi risulta S alto e
R basso Q basso e l’uscita alta.
Vcc
S Out
Out
THRESHOLD
Trigger
R
S Out
CT
2VCC/3
CT
CT
VCC/3
0
C
ONTROL
VOLTAGE
CT
CT R
RS
S
Out
R S Out
R
555
Con Q basso il transistore è OFF ed il condensatore inizia a caricarsi alla tensione VCC
attraverso R1 e R2. Quando la tensione del condensatore eccede VCC/3, il secondo
comparatore assume in uscita valore basso per cui risulta S Basso e R Basso quindi l’uscita
del Flip-Flop non varia.
Quando la tensione del condensatore diventa 2VCC/3 risulta S Basso e R Alto
conseguentemente Q è alto ed il BJT passa nello stato ON cortocircuitando il terminale 7
a massa e scaricando il condensatore attraverso R2.
Quando la tensione del condensatore è minore di 2VCC/3 S Basso, R Basso quindi Q e
l’uscita del Flip-Flop non variano.
Quando la tensione del condensatore scende sotto VCC/3 l’uscita del comparatore 2 salta al
livello alto conseguentemente S alto e R basso Q assume il valore basso e l’uscita del FlipFlop è forzata al livello alto. In tale situazione il BJT passa allo stato OFF ed il condensatore
inizia caricarsi
Il risultato finale è una onda quadra i cui livelli sono approssimativamente 0.1 e VCC-1.5V
ed i cui periodi on/off sono determinati da C, R1 e R2
555
Il tempo in cui Vout rimane a livello basso (0.1 V) dipende dalla costante di tempo R2C e
dai livelli di tensione 1/3VCC e 2VCC/3.
Il tempo in cui Vout permane a livello alto (VCC-1.5V) è determinato dalla costante di
tempo (R1+R2)·C e dai livelli di tensione 1/3VCC e 2/3VCC.
Per ottenere modalità di lavoro affidabili i resistori R1 e R2 devono essere compresi tra
10kΩ e 14MΩ ed il condensatore C deve avere capacità è compresa tra 100pF e 1mF.
555
v (t ) = A + B ⋅ e
t =0
t=∞
VCC
= A+ B
3
v = VCC = A
2
→ B = − ⋅ VCC
3
thigh
thigh
−
2
2
R + R )C
R + R )C
− VCC ⋅ e (
= VCC → e (
= 2 → thigh = ( R1 + R2 ) C ⋅ ln 2 = ( R1 + R2 ) C ⋅ 0.693
3
3
v (t ) = A + B ⋅ e
t=∞
t
( R1 + R2 )C
v=
v ( thigh ) = VCC
t =0
−
1
−
2
1
2
t
R1C
2 ⋅ VCC
= A+ B
3
v=0= A
v=
2
→ B = ⋅ VCC
3
tlow
−
V
2
v ( tlow ) = VCC ⋅ e R C = CC
3
3
2
→ e
T = thigh + tlow = 0.693 ⋅ ( R1 + 2R2 ) C
tlow
R2C
=2
→ tlow = R2C ⋅ ln 2 = R2C ⋅ 0.693
555 : Funzionamento monostabile
Il 555 agisce come un timer. Quando una tensione di trigger è applicata al pin di trigger l’uscita del CI
va dal valore basso al valore alto per un intervallo temporale determinato da un circuito RC esterno.
S Alto
VCC
C
ONTROL
VOLTAGE
S Alto
V2
S Basso
S Basso
S Basso
VCC/3
THRESHOLD
t
VC
2VCC/3
Trigger
R Basso
R Alto
R Alto
R Basso
t
Q
VCC-1.5V
t
Vcc
T
S Out
0
T
T
C
2VCC/3
VCC/3
T R
C
T
C R S Out C R
S Out
R S Out C R S Out
Il connettore 2 è mantenuto alto
tramite il resistore da 10kΩ
connesso a VCC, pertanto per il
comparatore 2 VÆV+ (= Vcc/3) e
quindi S è basso.
555: Funzionamento monostabile
Si suppone inizialmente l’uscita bassa e Q alto, pertanto il transistore è ON, il pin 7 è connesso a
massa ed il condensatore è scarico.
Se il condensatore è inizialmente scarico per il comp. 1 V+< V- (=2Vcc/3) e quindi R è basso.
Ciò significa che l’assunzione Q alto per R e S basso sarà verificata valida se nello stato precedente
.Q era alto.
Quando è applicato un impulso negativo, tale da portare il connettore 2 a tensione inferiore a Vcc/3, il
comparatore 2 è forzato allo stato alto. Quindi si ha S alto R basso per cui l’uscita passa allo stato alto
e Q è allo stato basso .
Per Q basso il transistore è OFF ed il condensatore tende a caricarsi dalla tensione nulla verso la
tensione Vcc mediante il resistore R1. Appena la tensione sul condensatore supera 2Vcc/3 l’uscita del
comparatore 1 passa allo stato alto. L’impulso sul pin 2 si è esaurito pertanto sul comparatore 2 risulta
ancora V->V+, quindi risulta S basso R alto conseguentemente Q è portato alto e l’uscita bassa.
Per Q alto il transistore è ON ed il condensatore si scarica assumendo tensione nulla.
Quando il condensatore si è scaricato risulterà per il comparatore 1 V->V+ quindi si ha S basso, R
basso e Q permane nello stato precedente. Cioè allo stato alto confermando così la validità
dell’assunzione effettuata all’inizio del ciclo.
L’uscita sarà tenuta in questo stato basso finché un altro trigger è applicato.
Il circuito monostabile ha soltanto uno stato stabile corrispondente all’uscita a 0V (in realtà a 0.1V)
finchè un segnale di trigger è applicato in ingresso. Tale impulso può essere implementato
cortocircuitando il terminale 2 a massa mediante un “push-button switch”.
555
Dopo che il trigger è applicato la tensione si porterà ad un valore alto (Vcc-1.5V) per
la durata imposta da R1C. Per ottenere modalità di lavoro affidabili R1 deve essere
compreso tra 10kΩ e 14MΩ e C compresa tra 100pF e 1mF
v (t ) = A + B ⋅ e
−
t
R1C
t =0
v =0 = A+ B
t =∞
v = VCC = A
v ( twidth ) = VCC − VCC ⋅ e
−
→ B = −VCC
twidth
R1C
2
= VCC
3
→ e
twidth
R1C
= 3 → twidth = R1C ⋅ ln3 = 1.1 ⋅ R1C