Componenti e circuiti sezione 9A dei multivibratori 6H]LRQH& monostabile 4047 Schmitt retriggerabile soglia &LUFXLWLPXOWLYLEUDWRUL trigger bistabile comparatore astabile tensione SHUDSSOLFD]LRQLGLJLWDOL 5556H PAROLE CHIAVE ▼ multivibratore 1. Premessa Si considerano multivibratori quei circuiti caratterizzati dalla possibilità di possedere solo due possibili stati dell’uscita. Questi stati possono essere raggiunti dal circuito in modo spontaneo o tramite una opportuna sollecitazione esterna. Classificazione Questi circuiti vengono normalmente divisi in tre diverse categorie. 1) I multivibratori bistabili sono caratterizzati dal fatto di possedere due possibili stati stabili in cui permangono a tempo indefinito; il passaggio da uno stato all’altro può avvenire tramite una opportuna sollecitazione esterna. Rientrano in questa categoria i latch e i flip-flop. 2) I multivibratori monostabili presentano un solo stato stabile: tramite sollecitazione esterna possono commutare all’altro stato ma, dopo un tempo definito, ritornano a quello precedente. Sono utilizzati per produrre impulsi singoli di durata stabilita e come temporizzatori. 3) I multivibratori astabili commutano automaticamente da uno stato all’altro in modo ripetitivo e con tempi ben definiti. Sono utilizzati come generatori di segnali a due livelli e quindi, in particolare, come generatori di clock. I circuiti multivibratori vengono realizzati con componenti e tecniche circuitali molto vari; per loro natura, in relazione ai segnali che vi si trovano, non si possono considerare circuiti strettamente digitali, ma piuttosto analogici. I circuiti che verranno studiati in questa unità sono comunque espressamente previsti per applicazioni digitali. © 2012 RCS Libri S.p.A. - Tramontana - Enrico Ambrosini - Filippo Spadaro, Elettrotecnica ed Elettronica - Volume 1 Sezione 5C Componenti e circuiti dei multivibratori sezione 9A non solo teoria 1 1 IN PRATICA I multivibratori: dove si usano I multivibratori trovano applicazione in molti settori. In particolare i bistabili, come noto, sono utilizzati nei registri, ovvero in elementi di memoria temporanea, all’interno di sistemi elettronici; un esempio significativo è quello dei registri interni ai microprocessori (nella figura a sinistra, un moderno microprocessore della famiglia Pentium). I monostabili sono alla base dei dispositivi temporizzatori (timer) molto usati per definire i tempi di inizio/durata/ termine di specifici eventi (nella figura centrale, dei moderni temporizzatori programmabili di produzione Rockwell da pannello e limitate dimensioni: la larghezza del singolo modulo è di 17,5 mm). I multivibratori astabili hanno come applicazione fondamentale la creazione di segnali di clock; nella figura a destra, un orologio da pannello a led. 2. Multivibratore astabile con porte logiche Laboratorio integrativo 9A.1 Il circuito riportato in figura 1a è un caso classico di astabile; sebbene sia realizzabile anche con porte TTL, è preferibile realizzarlo con CMOS: l’elevata resistenza di ingresso di queste ultime permette l’uso, a parità di tempi ottenuti, di resistenze e capacità più piccole; le porte CMOS, inoltre, presentano una caratteristica di trasferimento quasi ideale, e questo favorisce la qualità del segnale prelevato. La resistenza R2 teoricamente non ha ragione d’essere, risultando in serie a un valore molto alto, ma viene inserita per minimizzare l’effetto delle protezioni a diodi, in ingresso ai CMOS, sulla qualità della forma d’onda prodotta. voA A voA B voB R1 R2 viA C A B viA a) voB R1 C b) Figura 1 Astabile con due NOT CMOS: la resistenza R 2, non indispensabile, serve a ridurre gli effetti delle protezioni a diodi in ingresso ai CMOS. Se si suppone che in un certo istante vOB = +VDD, risulta anche vOA = 0 V e quindi il condensatore si carica con la costante di tempo R1C (supposta infinita la resistenza di ingresso del NOT A); mentre si carica C la viA decresce e, raggiunta la tensione di commutazione del NOT A (circa 1/2 VDD), questo porta l’uscita a livello alto e vOB va a 0 V, provocando l’inversione del verso di carica di C e il processo, a questo punto, si ripete al contrario. Sia in uscita al NOT A che al B è quindi possibile prelevare un segnale quadro, anche se, per limiti costruttivi dei componenti, quello in A risulta spesso troppo deformato. © 2012 RCS Libri S.p.A. - Tramontana - Enrico Ambrosini - Filippo Spadaro, Elettrotecnica ed Elettronica - Volume 1 Sezione 5C ,QWHJUD]LRQH 9 Circuiti multivibratori per applicazioni digitali unità di apprendimento Dimensionamento del circuito con R2 Per il calcolo del periodo e della frequenza del segnale in uscita si possono usare le seguenti relazioniQRQJLXVWLILFDWH: T = 2 ,2R 1 C 1 Approfondimento 9A.1 1 f = 0 ,455 ---------R1 C 2 Analisi del multivibratore con porte logiche Si consiglia di porre R2 = 10R1 per evitare che possa produrre effetto sulla frequenza, alterando la costante di tempo. Conviene usare capacità non troppo piccole, dispositivi buffer e preferibilmente CMOS. Usando dispositivi della serie 4xxxB, se si vogliono ottenere buoni risultati si consigliano valori per R1 compresi tra 5 kΩ e 1 MΩ, e per la capacità non sotto i 100 pF; sono inoltre consigliabili dispositivi di tipo buffer, specie alle frequenze più alte (alcuni MHz come massimo); con dispositivi HC e HCT il limite di frequenza più elevato permette l’uso anche di capacità più piccole e non è necessario l’uso di porte buffer. Circuito senza R2 Se si rinuncia alla resistenza R2 (fig. 1b) i risultati sono mediamente meno buoni (minore simmetria nel segnale e maggiore dipendenza della frequenza dalla tensione di alimentazione), ma molto dipende dal tipo di IC scelto e, a parità di sigla, dalla marca dello stesso; quindi la scelta tra le due soluzioni potrà essere meglio valutata, caso per caso, sperimentalmente. Se si rinuncia a R2, l’intervento delle protezioni modifica il periodo e quindi la frequenza del segnale nel seguente modo: T = 1 ,4R 1 C non solo teoria 2 2 IN PRATICA Scaccia-zanzare 3 1 f = 0 ,72 ---------R1 C 4 Ultiboard 9A.2 Manuale del data sheet Gli scaccia-zanzare elettronici risolvono il fastidioso problema delle punture di zanzare, basandosi sul fatto che sono solo le zanzare femmine fecondate che pungono, in quanto hanno la necessità di procurarsi maggior nutrimento; in questa fase, inoltre, respingono il maschio. Riproducendo quindi elettronicamente, attraverso l’emissione di un suono continuo e regolabile, la frequenza delle vibrazioni emesse dalle zanzare maschio (circa 7 kHz) si allontanano le femmine. Il suono è poco udibile dall’orecchio umano e innocuo per persone e animali domestici. Il dispositivo è realizzato mediante un astabile a porte logiche NAND 4011 utilizzate come NOT ed è alimentato a 9 V. Un altoparlante è collegato tra l’uscita dell’astabile e la stessa uscita invertita mediante una ulteriore porta logica. Dato che il range di frequenze riproducibili varia tra 3,6 kHz a 20 kHz, dopo avere realizzato il circuito, con l’ausilio di un oscilloscopio o di un frequenzimetro, bisognerà regolare il trimmer R2 in modo da produrre un’onda quadra a 7 kHz. La simulazione di questo circuito con Multisim non è possibile perché il modello di simulazione di tipo digitale non si adatta a una simulazione analogica, come richiesto in questo caso © 2012 RCS Libri S.p.A. - Tramontana - Enrico Ambrosini - Filippo Spadaro, Elettrotecnica ed Elettronica - Volume 1 UDA ,VLVWHPLVHTXHQ]LDOL Componenti e circuiti dei multivibratori sezione 9A 3. Multivibratore astabile con trigger di Schmitt Sfruttando un trigger di Schmitt è possibile realizzare un multivibratore molto semplice (fig. 2). vo R vC vo vC t VT+ C VT– t a) b) Figura 2 Astabile con trigger di Schmitt e relative forme d’onda. Per il dimensionamento dei valori di R e C si può fare riferimento alla seguente relazione: K f = -------RC K presenta un’ampia tolleranza 5 La costante K assume un valore compreso mediamente tra 0,5 e 1,5 in relazione all’integrato scelto, alla tensione di alimentazione e al costruttore. Il segnale risultante presenta un ciclo utile abbastanza vicino al 50%. L’analisi delle forme d’onda di figura 2 facilita la comprensione del funzionamento del circuito: supposta la tensione in uscita a livello alto e il condensatore inizialmente scarico, quest’ultimo si caricherà attraverso R fino a raggiungere la soglia di commutazione VT+ ; l’inversione del livello in uscita provocherà la scarica di C fino a VT–. Da questo momento il fenomeno continuerà a ripetersi ciclicamente. Detti tH e tL i tempi di durata dei livelli alti e bassi, risulta: t H = RC ln [ ( V DD – V T – )/ ( V DD – V T + ) ] Nella 5 e t L = RC ln [ V T + / V T – ] la costante K è espressa dalla relazione: 1 K = -------------------------------------------V T + ( V DD – V T – ) ln --------------------------------------V T – ( V DD – V T + ) Con dispositivi TTL il dimensionamento è più approssimato e si devono usare resistenze piccole. 6 7 Questa relazione è valida solo nel caso CMOS in quanto con porte TTL il transitorio del condensatore è influenzato dalla corrente presente in ingresso alla porta. Pertanto, usando porte TTL il dimensionamento teorico risulta molto più approssimato e si consiglia di usare per R valori abbastanza bassi (tipicamente 330 Ω). La 5 , la 6 e la 7 possono essere ricavate con un procedimento analogo a quello seguito nell’approfondimento 9A.1. © 2012 RCS Libri S.p.A. - Tramontana - Enrico Ambrosini - Filippo Spadaro, Elettrotecnica ed Elettronica - Volume 1 5C 9 unitàSezione di apprendimento ,QWHJUD]LRQH Circuiti multivibratori per applicazioni digitali 4. Monostabili a porte logiche In figura 3 è riportato un monostabile realizzato con due NOR CMOS e relative forme d’onda. vi +VDD R vA vi vB C A vo B vA t vB VT t vo t a) t to vi vA t vB t b) VT vo t to t c) Figura 3 Monostabile con NOR CMOS (a) e relative forme d’onda con impulso di trigger di durata più breve di t o (b) e di durata maggiore di t o (c). Come funziona Nello stato stabile si pone la tensione di ingresso del circuito vi a livello di 0 V e quella in ingresso al NOT B vB è a livello alto, imposto dal resistore R. In queste condizioni il NOR A, avendo entrambi gli ingressi bassi, ha l’uscita vA alta e quindi il condensatore è scarico, non essendoci differenza di potenziale ai suoi capi. Si faccia ora riferimento alla figura 3b e si supponga di applicare in ingresso al circuito un impulso positivo di innesco (trigger) di durata inferiore a quella dell’impulso che si vuole prelevare in uscita al monostabile: l’uscita del NOR A passa a livello basso, il condensatore inizia a caricarsi e l’uscita del circuito passa a livello alto perché il condensatore inizialmente scarico pone a livello basso l’ingresso del NOT B. Durante la carica di C, raggiunta la tensione di commutazione VT del NOT B, l’uscita del circuito ritorna bassa: il conseguente brusco ripristino di vA a livello alto facilita la scarica di C e il ripristino delle condizioni per un nuovo impulso di comando. Analiticamente la curva di carica del condensatore è espressa dalla seguente relazione: v c = V DD ( 1 – e –t ⁄ τ ) Se nella 8 8 si pone vc = VT si ottiene la durata dell’impulso in uscita: V DD t o = RC ln ---------------------V DD – V T Se si pone infine VT = 1/2 VDD la 9 9 diventa: t o = 0 ,693 RC © 2012 RCS Libri S.p.A. - Tramontana - Enrico Ambrosini - Filippo Spadaro, Elettrotecnica ed Elettronica - Volume 1 10 8'$ ,VLVWHPLVHTXHQ]LDOL Componenti e circuiti dei multivibratori sezione 9A Monostabile con NAND Si deve osservare che, qualora l’impulso di trigger sia di durata maggiore di quello in uscita, quest’ultimo non subisce comunque variazioni: cambia invece la durata dell’impulso vA che, anziché durare quanto l’impulso di uscita, dura quanto quello in ingresso (fig. 3c). Volendo realizzare un monostabile con impulso di trigger negativo si possono usare due NAND (fig. 4). vi vA vi C A B vo vA t vo t R t Figura 4 Monostabile con due NAND. Con NOR l’impulso di trigger è positivo, con NAND negativo. Il dimensionamento è approssimato. Si osservi, infine, che in questi circuiti, poiché la soglia di commutazione VT è soggetta a notevoli variazioni, rispetto al valore teorico, sia per tolleranze costruttive che in relazione alla tensione di alimentazione e al costruttore, la durata dell’impulso può presentare, rispetto al valore teorico, differenze comprese tra il –50% e il +70% (può essere opportuno usare come R un trimmer da tarare sperimentalmente). 5. Monostabili integrati Retriggerabile: se si applica un impulso di trigger prima che finisca l’impulso in uscita quest’ultimo si allunga del tempo previsto per la sua durata. In commercio esistono diversi dispositivi integrati previsti per il funzionamento monostabile e sono sostanzialmente distinti in due categorie: quelli non retriggerabili e quelli retriggerabili. Nei primi, una volta fatto partire l’impulso tramite il segnale di trigger, non è più possibile modificarne la durata e quindi eventuali ulteriori impulsi di trigger, applicati prima della fine dell’impulso in uscita, non vengono sentiti (fig. 5b); nei secondi è invece possibile triggerare nuovamente il monostabile anche prima che l’impulso sia finito, allungandone quindi la durata (fig. 5c). a) tw tw tw b) tw c) Figura 5 Gli impulsi di trigger (a) agiscono in modo diverso sui monostabili non retriggerabili (b) e su quelli retriggerabili (c). L’IC ’123 Esempi di monostabili integrati (Manuale dei data sheet, parte 6) non retriggerabili sono il 74121 (solo TTL std.) e il doppio 74221 (anche LS e HC); tra i retriggerabili si ricorda il 74122 (anche LS) e il doppio 74123 (anche LS e HC). In particolare si può dire che tutti questi monostabili sono caratterizzati da ingressi trigger di tipo gate; ad esempio in figura 6 si riporta il caso del ’123 dove si vede, oltre alle modalità di collegamento di una capacità CEXT e di una resistenza REXT esterne, che questo IC contiene due monostabili caratterizzati da due ingressi trigger © 2012 RCS Libri S.p.A. - Tramontana - Enrico Ambrosini - Filippo Spadaro, Elettrotecnica ed Elettronica - Volume 1 5C ,QWHJUD]LRQH unitàSezione di apprendimento 9 Circuiti multivibratori per applicazioni digitali A e B legati da una relazione tipo AND con l’ingresso di clear CLR ; la tabella della verità riportata nei data sheet indica le condizioni di funzionamento conseguenti. '123 1Q 1A 1B CLR CEXT +VCC CX REXT RX/CX 1Q 2Q 2A 2B CLR CEXT +VCC REXT CX RX/CX 2Q Figura 6 Il doppio monostabile ’123 e relative modalità di collegamento dei componenti resistivi e capacitivi esterni. Per la valutazione del tempo tW di durata dell’impulso si può fare riferimento alla seguente relazione (valida per tutti gli IC integrati appena nominati): 0 ,7 t W = K ⋅ R EXT ⋅ C EXT ⎛ 1 + -----------⎞ ⎝ R EXT ⎠ 11 Il valore di K è desumibile da un grafico riportato nei data sheet; se però si opera con capacità molto maggiore di 1000 pF (in pratica oltre i 10 000 pF) la relazione 11 può essere approssimata a: t W ≈ ( K ⋅ R EXT ⋅ C EXT ) 12 con K = 0,37 (valore proposto dalla National per il ’122 e il ’LS123; per altri monostabili o per lo stesso di altra marca o tecnologia, riferirsi ai singoli data sheet). Per semplificare i calcoli, il costruttore riporta, anche per capacità inferiori a 1000 pF, un grafico che permette di ricavare direttamente i valori capacitivi e resistivi, fissato il valore tW (figura 3, data sheet del ’123, vedi Manuale dei data sheet, parte 6). Esempio 1 Se si stabilisce un valore tW = 1 μs e si pone CEXT = 200 pF, dal grafico dei data sheet (fig. 3) si ricava che per un tempo di 1 μs (103 ns) va bene una resistenza di 10 kΩ. In alternativa, per applicare la 11 si dovrebbe, fissato il valore della capacità, ricavare dal grafico dei data sheet (fig. 2) il valore di K. La scala molto compressa sconsiglia questa procedura. Se si pone tW = 1 ms e si fissa una capacità di 0,1 μF, si può usare la 12 e si ottiene con K = 0,37: 1 ⋅ 10 –3 R EXT = ---------------------------------------- = 27 kΩ 0 ,1 ⋅ 10 –6 ⋅ 0 ,37 © 2012 RCS Libri S.p.A. - Tramontana - Enrico Ambrosini - Filippo Spadaro, Elettrotecnica ed Elettronica - Volume 1 8'$ ,VLVWHPLVHTXHQ]LDOL Componenti e circuiti dei multivibratori sezione 9A 6. L’integrato 555 Come si è visto, le soluzioni circuitali a porte logiche presentano tutte dei difetti legati soprattutto alle ampie tolleranze nei risultati a causa di diversi fattori, compresa, anche se non precedentemente nominata, la dipendenza dalle variazioni di temperatura (deriva termica). L’integrato 555 offre una soluzione integrata capace di risolvere buona parte di questi problemi e, per la sua notevole versatilità, ha avuto un notevole successo commerciale. Si tratta di un integrato, realizzato inizialmente in tecnologia bipolare (cioè con BJT) ma attualmente disponibile anche in tecnologia CMOS, che può essere alimentato con tensioni consigliate comprese tra 5 V e 15 V, capace di funzionare correttamente sia con integrati TTL che CMOS e capace di lavorare sia da astabile che da monostabile. Il 555 contiene due comparatori, un latch SR, un BJT e un partitore con tre resistenze da 5 kΩ. Come funziona Le principali caratteristiche Lo schema a blocchi, riportato nei data sheet (Manuale dei data sheet, parte 6), evidenzia la struttura interna di questo IC. Più chiaro risulta comunque l’equivalente schema a blocchi di figura 7 (parte evidenziata). Sono presenti due comparatori (elementi che forniscono in uscita un livello H se la tensione al + è maggiore di quella al – o un livello L in caso contrario), un latch SR, un buffer invertente, un BJT e un partitore di tensione, formato da tre resistenze da 5 kΩ (da qui il nome). Il funzionamento di questo IC, desumibile dai data sheet, è sintetizzabile come segue. ◗ Il comparatore superiore di figura 7 (quello a sinistra nei data sheet) impone un 1 all’ingresso R del SRFF solo se la tensione di soglia (threshold) all’ingresso + è superiore a quella presente all’ingresso –, pari a 2/3 VCC (tensione di riferimento superiore), in caso contrario impone uno 0. ◗ Il comparatore inferiore (quello a destra) impone un 1 all’ingresso S del SRFF se la tensione di trigger è inferiore a 1/3 VCC (tensione di riferimento inferiore), in caso contrario impone uno 0. ◗ Il flip-flop presenta gli ingressi attivi alti e dispone di una sola uscita Q attiva bassa, il successivo buffer invertente (output stage) permette comunque di prelevare l’uscita Q attiva alta; questo FF presenta anche un reset asincrono (CL) attivo basso. ◗ L’ingresso della tensione di controllo (control voltage), che se non collegato a niente si trova a potenziale di 2/3 VCC, permette di modificare i livelli delle tensioni di riferimento ai due comparatori (detta V la tensione applicata a questo pin, la tensione di riferimento del comparatore superiore è pari a V, quella dell’inferiore è 1/2 V); se questo pin non viene utilizzato, si consiglia di collegarlo a massa tramite un condensatore da 10 nF per evitare la captazione di eventuali disturbi esterni. ◗ Se la tensione al terminale di scarica (discharge) è a potenziale positivo, la presenza del livello alto in uscita al FF impone l’entrata in saturazione del BJT; questo pin serve per la scarica del condensatore di temporizzazione. Le principali caratteristiche elettriche del 555, desumibili dai data sheet, sono le seguenti: ◗ errore tipico di temporizzazione iniziale pari all’1%, nel funzionamento da astabile con resistenze comprese tra 1 kΩ e 100 kΩ; ◗ deriva con la temperatura del valore di temporizzazione precedente tipicamente pari a 50 ppm/°C (parti per milione per °C); ◗ deriva con la tensione V CC del valore di temporizzazione tipicamente pari a 0,1 %/V; ◗ tempi di commutazione tipici: 100 ns; ◗ livelli di uscita alti e bassi in relazione al valore di VCC e alle correnti di source e sink (vedi data sheet). © 2012 RCS Libri S.p.A. - Tramontana - Enrico Ambrosini - Filippo Spadaro, Elettrotecnica ed Elettronica - Volume 1 Sezione 5C unità di apprendimento 9 Circuiti multivibratori per applicazioni digitali ,QWHJUD]LRQH ,135$7,&$3 non solo teoria Da questi dati si vede subito l’elevata precisione e stabilità dei valori di temporizzazione. 3 Il timer 555 Il timer 555 fu progettato nel 1970 dallo svizzero Hans R. Camenzind e venne commercializzato nel 1971 dalla Signetics (successivamente assorbita dalla Philips). Deve il suo nome alla presenza di tre resistenze da 5 kΩ, che formano un partitore di tensione, che fissa le tensioni di soglia dei due comparatori interni. Nella versione originaria il suo circuito è composto da 23 BJT, due diodi e 16 resistori. In figura è riprodotto il circuito interno (fonte Philips) e l’originale Signetics in contenitore dual in-line. Uso del 555 come monostabile Analisi del circuito Laboratorio integrativo 9A.2 Si supponga che all’accensione il SRFF presenti una uscita a livello alto: in queste condizioni il BJT si comporta da cortocircuito e quindi C non può caricarsi. In conseguenza di questo, la tensione al pin 6 è a livello basso e quindi inferiore a 2/3 VCC: l’ingresso R del FF è pertanto a livello basso. Analogamente, se vi > 1/3 VCC, è facile controllare che anche S è a livello basso; il FF è allora in stato di memorizzazione e il valore alto alla sua uscita rimane stabile nel tempo e così pure l’uscita al pin 3 è stabilmente a livello basso. Si applichi ora al pin 2 di trigger un impulso negativo che porti la tensione a un valore inferiore a 1/3 VCC; il comparatore B porta allora S a 1 logico e il FF commuta portando l’uscita a livello basso: in queste condizioni il BJT smette di condurre e C inizia a caricarsi attraverso R. R +VCC 8 7 5 kΩ 6 10 5 nF 2 vi vi 4 + A – CL Q 5 kΩ + B – C R S 3 vo 1 V 3 CC vC V 2 CC V 3 CC t vo VCC t 5 kΩ 1 a) to t Figura 7 Il 555 come monostabile. © 2012 RCS Libri S.p.A. - Tramontana - Enrico Ambrosini - Filippo Spadaro, Elettrotecnica ed Elettronica - Volume 1 b) 8'$ ,VLVWHPLVHTXHQ]LDOL Componenti e circuiti dei multivibratori sezione 9A Dimensionamento Appena C supera il valore 2/3 VCC, supposto nel frattempo concluso l’impulso di trigger e ritornato S = 0, il comparatore A porta R = 1 e quindi Q = 1: il BJT cortocircuita allora C scaricandolo rapidamente. Da questo momento il monostabile è ritornato nello stato stabile ed è pronto per il successivo impulso. Procedendo con le tecniche già note, è possibile calcolare la durata dell’impulso in uscita: t o = 1 ,1RC Usare R tra 1 kΩ e 10 MΩ; C > 1 nF a basse perdite. 13 Per R si consigliano valori compresi tra 1 kΩ e 10 MΩ e per C capacità superiori a 1 nF; le capacità devono essere a basse perdite (preferibili pertanto quelli a dielettrico plastico): per tempi lunghi si può ricorrere a condensatori elettrolitici, ma data la scarsa qualità di questi ultimi la scelta andrà a pregiudizio della precisione. Uso del 555 come astabile In figura 8 è riportato il circuito proposto con le relative forme d’onda. R1 +VCC 8 R2 4 6 10 nF 5 + A – CL R + B – S t vo Q 5 kΩ 2 vc 2 v 3 CC 1 V 3 CC 7 5 kΩ vo 3 5 kΩ t C 1 Figura 8 Il 555 come astabile. Analisi del circuito Laboratorio integrativo 9A.2 Dimensionamento Si supponga il condensatore inizialmente scarico: all’ingresso – del comparatore B è quindi presente una tensione inferiore a quella di riferimento di 1/3 VCC; analogamente all’ingresso + del comparatore A è presente una tensione inferiore a quella di riferimento di 2/3 VCC. In queste condizioni si ha S = 1 e R = 0 e quindi Q = 0. Pertanto la base del BJT è a livello basso, questo non conduce e C si carica attraverso (R1 + R2). Appena il condensatore raggiunge la tensione di 2/3 VCC, il comparatore A impone R = 1 e, poiché il passaggio di S a zero è già avvenuto quando la tensione sul condensatore ha raggiunto 1/3 VCC , il SRFF commuta e si ha Q = 1. In queste condizioni il BJT diventa un cortocircuito e C si scarica attraverso R2; raggiunta la tensione di 1/3 VCC il SRFF ricommuta e C torna a ricaricarsi. Il processo sin qui descritto continua a ripetersi con tempi di carica e scarica che, escluso il transitorio iniziale, risultano sempre gli stessi. I tempi di carica e scarica possono essere ricavati con le relazioni: t c = 0 ,693 ( R 1 + R 2 )C 14 t s = 0 ,693R 2 C 15 I due tempi non sono uguali perché, come già detto, sono diverse le due costanti di tempo. © 2012 RCS Libri S.p.A. - Tramontana - Enrico Ambrosini - Filippo Spadaro, Elettrotecnica ed Elettronica - Volume 1 Sezione 5C unità di apprendimento 9 Circuiti multivibratori per applicazioni digitali ,QWHJUD]LRQH La frequenza del segnale prelevato è facilmente ricavabile dalle relazioni 14 1 ,44 1 1 f = --- = ------------- = -----------------------------( R 1 + 2R 2 )C T tc + ts D < 50% Il duty cycle è sempre < 50%. Porre (R1 + R2) tra 1 kΩ e 10 MΩ; C > 1 nF a basse perdite. ,135$7,&$4 non solo teoria Organo a 2 ottave e 15 : 16 Per quanto detto, il segnale non è quadro, avendo i due livelli durata diversa, e in particolare il duty cycle riferito al livello alto risulta: R1 + R2 D = -------------------R 1 + 2R 2 17 È comunque possibile ottenere un’onda praticamente quadra ponendo R1 << R2. Si consigliano valori resistivi tali che (R1 + R2) risulti compresa tra 1 kΩ e 10 MΩ; per C si consigliano valori non inferiori a 1 nF a basse perdite; per il limite superiore vale quanto già detto per il monostabile. 4 Multisim 167NT9A.3 Ultiboard 9A.3 L’utilizzo del 555 in configurazione astabile può essere sfruttato per un’applicazione musicale: la realizzazione di un organo a due ottave. L’astabile è composto dal condensatore C1 = 10 nF, dalla resistenza RA = 10 kΩ, e da varie resistenze di scarica dimensionate mediante l’equazione 15 , in funzione della frequenza sonora da riprodurre, utilizzando vari resistori della serie E24 posti in serie. Agendo sugli switch è possibile suonare qualche semplice melodia udibile attraverso un altoparlante collegato in uscita al 555. Per i dettagli musicali si rinvia a quanto già detto in “non solo teoria 2” della sezione 1C. © 2012 RCS Libri S.p.A. - Tramontana - Enrico Ambrosini - Filippo Spadaro, Elettrotecnica ed Elettronica - Volume 1 8'$ ,VLVWHPLVHTXHQ]LDOL Componenti e circuiti dei multivibratori sezione 9A 7. Il circuito integrato 4047B Laboratorio integrativo 9A.3 Si tratta di un CMOS particolarmente versatile, utilizzabile sia da astabile che da monostabile. La sua descrizione è riportata sui data sheet (Manuale dei data sheet, parte 6). In particolare sono riportati lo schema a blocchi interno e una tabella che riassume, per i possibili modi di funzionamento, i collegamenti necessari. Funzionamento da astabile: è possibile il funzionamento classico in oscillazione libera (free running) o con oscillazione controllata, tramite un altro impulso che attiva l’astabile sul livello alto (true gating) o su quello basso (complement gating). Nel funzionamento astabile è possibile prelevare il segnale dal pin 13, ma qualora la sua simmetria non sia ritenuta sufficiente, tramite un flip-flop, usato come divisore per due, è possibile prelevare dai pin 10 e 11 due segnali tra loro complementari, a frequenza dimezzata e duty cycle del 50%. Il circuito di figura 9 si riferisce al multivibratore astabile in oscillazione libera. +VDD 4 5 6 14 13 1 2 3 4047B 7 8 9 12 } 10 11 f= 1 2,2 RC f= 1 4,4 RC Figura 9 Il 4047B come astabile in oscillazione libera. Funzionamento da monostabile: è possibile lavorare con un trigger che agisce sul fronte di salita (positive edge trigger) o sul fronte di discesa (negative edge trigger); si ha anche la possibilità di retriggerare l’impulso in uscita, cioè di allungarne la durata, applicando un impulso positivo al pin 12. Un’ultima possibilità d’uso nel modo monostabile si ha tramite un contatore esterno che permette di ottenere impulsi di durata molto lunga (external countdown). Nel funzionamento monostabile il segnale va prelevato dai pin 10 e 11. Si noti anche la presenza di un ingresso di reset attivo alto che permette di interrompere anticipatamente un ciclo di temporizzazione o di impedirne l’inizio. La figura 10a si riferisce al monostabile con trigger positivo, la figura 10b a quello con trigger negativo. 3 2 1 4 14 10 4047B 8 +VDD 3 to 2 1 4 8 14 4047B 6 11 5 6 7 9 12 +VDD 10 to 11 output to = 2,48 RC 5 a) 7 9 12 output b) Figura 10 Il 4047B come monostabile con impulso di trigger positivo (a) e negativo (b). Per un dimensionamento corretto si consiglia di usare un valore di R compreso tra 10 kΩ e 1 MΩ e per C valori maggiori di 100 pF nel funzionamento astabile, e maggiori di 1000 pF nel funzionamento monostabile. © 2012 RCS Libri S.p.A. - Tramontana - Enrico Ambrosini - Filippo Spadaro, Elettrotecnica ed Elettronica - Volume 1
