In riferimento allo schema del timer a 555, rispondere
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TIMER INTEGRATO 555 (schema a blocchi ) VCC R2 1M VCC NE555 (8) VCC . R3 5K 100K A (6) THR 1 C7 100uF (5)CV VCC C6 0.1uF + 2 VCC 3. 1 DIS (7) . TR 0 - R Q 2 5K 1 R4 1K (2) TR 1 VCC 3 . 5K S1 1 - 2 START B + S Q reset OUT (3) 0 T T=1.09*(R2+R3)*C7 (sec) 0 1 GND R (1) VCC (4) R6 10K 1 C5 10uF 2 Il circuito è formato da due comparatori ( A e B ), da un flip-flop di tipo S-R che pilota con la sua uscita negata Q un buffer invertente di potenza con la funzione di pilotare un carico in uscita ( Icarico < 100mA ). Un partitore resistivo composto da 3 resistori in serie di uguale valore ( 5K ) impongono una tensione di riferimento pari a 2/3Vcc all’ingresso invertente del comparatore A e una tensione di 1/3Vcc all’ingresso non invertente del comparatore B. L’uscita dei due comparatori assume un valore prossimo alla Vcc se in ingresso V+ > V-, viceversa se V- > V+ l’uscita assumerà un valore prossimo a 0 Volt.Le uscite dei comparatori A e B attiveranno col suo fronte di salita 01 rispettivamente l’ingresso S e R del FF. Un transistore pilotato in base dall’uscita negata Q del FF assumerà due soli possibili stati ( interdizione o saturazione ). Analizziamo il funzionamento del circuito in figura con l’aggiunta di componenti esterni all’Ic 555. All’accensione il condensatore C5 essendo inizialmente scarico Vc=0Volt renderà attivo il reset del FF che forzerà l’uscita Q a livello logico 0 ( 0 Volt ) impedendo qualsiasi commutazione casuale del FF. L’uscita negata Q a livello logico 1 ( Vcc) manderà in saturazione il transistore ( Vce = 0,2 Volt )e tramite il buffer invertente l’uscita ( pin 3 ) assumerà valore Vout =0 Volt. La Vce del BJT sarà anche la tensione ai capi di C7 che sarà bloccata a 0.2 Volt impedendogli di caricarsi al valore Vcc, con costante di tempo (R2+R3 ) * C7. Intanto il condensatore C5 ha terminato la sua carica ( Vc5 = Vcc )e quindi da questo momento il reset del FF è disattivato. Le uscite dei due comparatori si trovano entrambi a 0 Volt. Se adesso premiamo il pulsante di start , all’ingresso del comparatore B si avrà V+ > V- e quindi la sua uscita passerà da 0 a 1 ,attivando l’ingresso S ( set ) del FF che porterà a sua volta l’uscita Q a 1 ( Vcc ).L’uscita negata Q del FF sarà quindi 0 ( 0 Volt ),il BJT passerà in interdizione e l’uscita ( pin 3 ) assumerà valore 1 ( Vcc ).A questo punto il BJT essendo passato in interdizione non bloccherà più la carica del condensatore C7 che potrà adesso caricarsi per un certo tempo fino a raggiungere una VC 7 2 VCC .Appena raggiunto e superato 3 questo valore il comparatore A commuterà la sua uscita 01 e attiverà l’ingresso R (reset) del FF che commuterà l’uscita Q =0. L’uscita Q sarà 1 e l’ OUT del 555 (pin 3 ) ritornerà a 0. Quindi il tempo in cui L’OUT del Ic 555 è a livello alto ( attivo ) è sostanzialmente il tempo occorrente al condensatore C7 per raggiungere una sua tensione di carica uguale a 2 Vcc . 3 TEMPORIZZATORE CON Ic NE555 (schema applicativo ) +12V JP1 +12V 2 1 alim mm-2 1 1 R1 1K rc07 3 2 2 C2 100uF cv 400/200 2 2 R2 1M v res-2 2 1 R5 10K rc07 1 R6 10K rc07 D1 2 2 1 2 16 9 8 2 2 K1 RELAY 12V 16dil300 2 THR 1 2 1 1 C5 10uF 6 U1 NE555 8dil300 C6 0.1uF Q1 2N1711 to5a C7 100uF cv 400/200 2 2 ch300/100/200 cv 225/100 2 R9 4.7 k rc07 2 2 1 ch300/100/200 2 4.7K rc07 1 C4 0.1uF 2 2 ch300/100/200 1 1 1 D4 1N4001 diode-1n C3 0.1uF 7 1 2 S1 START 2sil100 1 1 CV DIS GND 5 2.2K rc07 TR 3 3 2 Q out mm-3 3 14 R7 VCC 1 R 1 2 3 1 8 4 R8 JP2 15 2 R3 100K rc07 1 D2 LED diode-led 1 D3 1N4001 diode-1n 1 1 2 1 R4 1K rc07 1N4001 diode-1n 1 C1 0.1 uF ch300/100/200 Title TEMPORIZZATORE Size A Date: Document Number I.T.I. OMAR NOVARA Saturday , Nov ember 12, 2005 Rev 00 Sheet 1 of In riferimento allo schema del timer a 555, rispondere alle seguenti domande: 1. Dimostra e analizza perché T 1.09 R2 R3 C 7 Vc1 Vcc * 1 e t 2 1 e RC 3 ln 3 t RC t 1 e RC 3 t RC t 1,09 * R2 R3 * C 7 t t RC 2 2 RC 1 e Vcc Vcc * 1 e 3 3 t ln1 ln 3 *ln e RC ln 3 t RC t ln 3* R *C 1 2. Quanta corrente attraverserebbe il LED se R1 fosse da 470 ohm? (VLED=1.8V e VQ1=0.2V) Vcc VR1 Vled VCE I led I R1 I led I R1 I Q1 Vcc Vled VQ1 R1 I led I R1 V R1 R1 12V 1,8V 0,2V 21,2mA 470 3. Quale funzione svolge D1? R1 118 R1 118 D1 D1 . . L1 10mH + + L1 10mH - Vcc 12 V - Vcc 12 V Q1 . 2 ON 10K OFF S1 . Il BJT Q1 in conduzione (saturazione) possiamo supporlo equivalente ad un resistenza di bassissimo valore (2 ohm) , mentre quando non è in conduzione (interdizione) il suo valore possiamo ritenerlo equivalente ad un resistenza di alto valore >(10 Kohm). Durante la conduzione del BJT l’induttanza a regime si comporta come un corto circuito, per cui la I 12V 100mA . Il diodo ,polarizzato inversamente, non 118 2 conduce corrente. La VCE = I * 2 Ω = 100mA * 2Ω = 0,2 Volt Nell’istante in cui il BJT commuta e va in interdizione, la sua resistenza equivalente sarà di 10 KΩ.L’induttanza della bobina mantiene la stessa corrente di prima della commutazione ,diminuendo il suo valore gradualmente con costante di tempo R / L, per cui ,almeno istantaneamente, sarà la VCE = VR = R x I =10 K * 100mA = 1000 Volt. .Questa sovratensione, presente ai capi del BJT lo danneggerebbe, ma il diodo essendo adesso polarizzato direttamente, entra in conduzione istantaneamente e con la sua VD = 0,5 Volt, impone un abbassamento immediato della tensione VCE = 1000 Volt ad un valore a regime Vce Vcc *10 K 11,88Volt 100 10 K Possiamo quindi affermare che la funzione del diodo D1 è quella di proteggere il transistore dalla presenza di una elevata sovratensione presente tra il suo collettore ed emettitore ( VCE ) nell’istante della commutazione saturazion e interdizio ne 4. Che cosa succederebbe se D1 fosse saldato al contrario? R1 100 R1 118 D1 D1 Vd=0,5 V . . L1 10mH + + L1 10mH - Vcc 12 V - Vcc 12 V C Q1 C 2 . E E In questo caso il diodo è in polarizzazione diretta e quando il BJT è in conduzione avremmo nel ramo una corrente I Vce Vcc Vd 12V 0,5V 5,75 A . Sia il diodo R BJT R BJT 2 che il BJT potrebbero non sopportare questo alto valore di corrente e danneggiarsi. Oltretutto il diodo non avrebbe più la funzione di protezione contro la sovratensione (1000 Volt) dovuta all’induttanza della bobina durante la commutazione ON OFF 5. Quale funzione svolgono i diodi D3 e D4? Servono a proteggere l’integrato da eventuali sovratensioni presenti all’ingresso che potrebbero danneggiarlo, limitando l’escursione della tensione presente nel pin 2 del Ic 555 ad un valore di (Vcc+0,5V) e ( 0V-0,5V) cioè da +12,5V a -0,5V . VCC 2 VCC U1 R 1 1 V2 2 2 TR 2.2K Q 3 DIS GND R8 VIN VCC D3 CV THR NE555 Per VIN > VCC il diodo D3 è polarizzato direttamente, quindi è in conduzione. Sarà VIN VCC VIN V2 V2 VCC quindi VIN - VCC = VR8 + VD3 VIN VCC VIN V2 VD3 VCC VD3 V2 per : VD3 0,5Volt V2 VCC VD3 V2 VCC 0,5V VCC R 2 V2 2 2.2K D4 TR CV Q DIS GND 1 2 R8 VIN VCC U1 3 THR 1 NE555 Per VIN < 0Volt (valori della tensione d’ingresso negativi) è invece polarizzato direttamente il diodo D4 che sarà quindi in conduzione. Si avrà VIN VR8 VD 4 VIN VIN V2 VD 4 VIN VIN V2 VD 4 V2 VD4 6. Che cosa succede se si collega una resistenza da 5 Kohm fra il pin 5 e Vcc? (V5=2/3*Vcc) VCC VCC 12V 12V R1 5K R2 5K R12 2.5K V5 V5 V5 R3 5K R3 5K R4 5K R4 5K Vcc 12V * ( R3 R4) * (5K 5K ) 9,6Volt R12 R3 R4 5K 5K 2,5K In questo caso lo stato d’uscita ON del timer viene determinato dal tempo necessario al condensatore C7 a raggiungere un valore di 9,6 Volt , diverso dal valore precedente di 8 Volt (2/3 Vcc),con un’alimentazione Vcc=12Volt e senza la resistenza R1 aggiunta. Conseguenza di ciò avremmo un tempo ON del timer diverso (maggiore) da quello definito dalla espressione T 1.09 R2 R3 C 7 7. Quali sarebbero i tempi massimi e minimi con un condensatore C7 da 1 µF? T 1.09 R2 R3 C 7 T max 1,09 * (10 6 10 5 ) *10 6 1,199 sec T min 1,09 *10 5 *10 6 0,109 sec 8. Che cosa succede se si scambiano R4 e il pulsante S1? 2 VCC S1 R5 10K 1 . R8 2 555 2,2K R4 1K A riposo con il pulsante aperto la V2 Vcc 12V * ( R8 R4) * (2,2 K 1K ) 2,9Volt R5 R8 R4 10 K 2,2 K 1K La V2 =2,9V è minore dei 4 volt presenti all’ingresso + del comparatore B ,per cui il FF sarebbe sempre attivo all’ingresso S (start) e l’uscita del timer sarebbe sempre ON. Finito un ciclo ON, il FF si verrebbe a trovare con i due ingressi S=1 e R=1; condizione di blocco per il funzionamento del FF.. Viceversa ,premendo il pulsante, il pin 2 sarebbe sempre agganciato alla Vcc e l’uscita del timer sarebbe sempre OFF 9. Che cosa succede se non si salda il condensatore C5 ? Il pin 4 del reset sarebbe sempre disattivato perché agganciato a Vcc ed il timer all’accensione non avrebbe momentaneamente l’uscita forzata a 0 ma uno stato ON o OFF casuale. 10. Con l’uscita del 555 (pin 3) è possibile pilotare una porta logica TTL ? A quali condizioni? Si a condizione che la Vcc= 5 Volt oppure si inserisca in uscita (pin 3) un partitore resistivo che limiti la Vout a 5 Volt. 11. Dove altrimenti sarebbe possibile collegare il diodo LED di segnalazione? Avendo un diodo led in conduzione una corrente Imax= 20 mA , può essere pilotato direttamente in uscita (pin 3), potendo quest’uscita pilotare carichi fino a 100 mA. 12. Dire almeno un caso in cui è indispensabile la presenza del relè L’uso del relè è indispensabile quando si devono pilotare carichi che prevedono un assorbimento di corrente oltre i 100mA (sia in tensione continua che alternata), quando necessitano di una tensione d’alimentazione in alternata (per qualsiasi valore); per esempio l’uso del timer per l’accensione delle luci delle scale in un condominio; 13. Che cosa succederebbe se al posto di R8 saldassimo una resistenza da 10 Kohm? VCC R4 1K R5 10K R8 2 2 555 10K 1 S1. Quando chiudiamo il pulsante avremmo : V2 Vcc 12V * R8 *10 K 6Volt R5 R8 10 K !10 K La V2 = 6 V sarebbe sempre superiore ai 4 V ( 1/3 Vcc) presenti all’ingresso V+ del comparatore B e di conseguenza non si avrebbe mai la commutazione dell’uscita del suddetto comparatore , necessaria per attivare lo stato d’uscita ON del timer. 14. Quali sono i valori corretti di tensione da applicare al pin 2 del 555 per avviare la temporizzazione? Perché? La commutazione dell’uscita del timer da OFF a ON avviene quando il valore della V2 ( pin 2 del 555 ) scende sotto il valore di riferimento di 4 Volt (1/3 Vcc) , quindi per valori che vanno do 0 Volt a 4 Volt ,perché solo in queste condizioni il comparatore B può commutare e dare all’ingresso S (start ) del FF l’impulso necessario per la 1 3 commutazione dello stato logico d’uscita ( Q ). Quindi per 0V V 2 VCC 15. Cosa potrebbe accadere se non ci fosse il resistore R3 in serie al trimmer R2 ? Il resistore R3 in serie al trimmer R2, oltre ad regolare il tempo in cui l’uscita del timer è ON funge da resistenza di carico per il BJT interno all’Ic 555.Nel caso in cui il trimmer fosse cortocircuitato R2 = 0 ohm ( Tmin ), senza la R2 il BJT si verrebbe a trovare con una resistenza di carico Rc = 0 danneggiandosi perché attraversato da un’alta corrente Icarico. 16. Che cosa succede se si scambiano fra di loro R6 e C5 ? Per essere attivo il reset, il pin 4 deve essere a potenziale 0 Volt. Con la configurazione seguente, all’accensione del circuito, inizialmente il C5 è scarico (cortocircuito ) ( Vc = 0 ), la V4 sarà a potenziale Vcc e quindi il reset non è attivo. Di conseguenza l’ OUT del timer può assumere uno stato ON o OFF casuale. Quando il condensatore si sarà caricato non permetterà il passaggio di corrente e di conseguenza la caduta di tensione nella R6 sarà VR6 = 0 Volt e quindi il reset sarà da questo istante in poi sempre attivo e bloccherà l’OUT del timer sempre a 0 Volt. 1 VCC_CIRCLE 555 . 2 C5 4 R 5K R6 17. Dire almeno un caso in cui sarebbe stato possibile pilotare un carico senza relè Per alimentare ed attivare per un tempo T , l’accensione di lampade o semplici apparecchiature elettriche o elettroniche che non richiedono una corrente superiore a 100 mA ( lettori mp3, diodi Led, piccoli motorini in corrente continua, lampeggiatori in bassa tensione continua, ecc.. ) 18. Che cosa accade se D4 viene invertito? VCC R5 10K R8 2 2,2K 555 D4 . Il diodo D4 in questo caso risulta polarizzato direttamente ed in conduzione tramite la R5. La VD4 = 0,5 Volt impone questo valore all’ingresso del pin 2 ( V 2 = 0,5 Volt) , interpretato dal Ic 555 come un livello (V2<4Volt) atto a provocare lo start ( livello ON in uscita ) che si manterrà in modo ripetitivo indipendentemente dallo stato del pulsante. Oltretutto il D4 non esplicherà più la sua principale funzione di protezione dell’ingresso da valori di tensione negativi ( Vin < -0,5 Volt ) 19. Perché C1 e C2 sono stati utilizzati in parallelo anziché uno solo dei due? C1 ( 0,1 uF ) serve a filtrare disturbi di alta frequenza presenti nella linea di alimentazione : C2 ( 100 uF ) ha una funzione di filtro di livellamento della Vcc. 20. Se la linea che collega il pulsante all’ingresso del circuito è abbastanza lunga ,quali problemi potrebbero sorgere? Come risolverli? TIMER 555 220 Volt I S1 START I I Zin R Se il pulsante di start è posto in posizione remota rispetto al circuito, con percorsi adiacenti a quelli della rete elettrica ogni qualvolta si accende un elettrodomestico (Aspirapolvere, lavatrice , ecc.. ) i disturbi provocati dalle spazzole dei motori elettrici ,captati per induzione dai fili del pulsante sono sufficienti ad attivare il timer rendendolo quindi poco affidabile. Per esempio , una Zin = 1KΩ (impedenza d’ingresso dell’apparecchiatura) attraversata da una corrente indotta (disturbo) di 1 mA , avrebbe ai suoi capi una Vin= Zin*I = 1KΩ*1mA = 1 Volt , ma se la Zin = 100KΩ la Vin =100KΩ * 1mA = 100 Volt. E’ importante quindi, al fine di ridurre l’effetto dei disturbi di linea che la Zin sia la più bassa possibile. A tal fine si è realizzato uno stadio d’ingresso a bassa impedenza costituito da R4, C3, seguito da un filtro passivo composto da R5, C4.
