O que é e como funciona

O CI 555 é bem versátil, barato e é muito utilizado quando se deseja criar um clock específico ou até controlar uma carga por PWM.

O que é?

Um 555 PTH e SMD

O 555 é um circuito integrado (CI) de 8 pinos que é capaz de, em uma de suas configurações, emitir pulsos em sua saída com um período configurável. Ou seja, ele é capaz de criar um clock, que, para quem não sabe, é um sinal muito importante para coordenar os componentes digitais. A imagem abaixo ilustra como é a saída do 555 no modo astável.

T seria justamente o período (o tempo do sinal em nível alto mais o tempo do sinal em nível baixo).

Estrutura interna

O 555 possui 8 pinos. No funcionamento a gente verá o que cada um faz.

De acordo com a imagem abaixo, internamente ele tem os seguintes elementos:

Um flip flop RS (em roxo)

Dois comparadores simples, que são basicamente amplificadores operacionais (um em amarelo e outro em vermelho)

Um transistor de descarga (em azul claro)

Um divisor de tensão formado por três resistores 5KΩ (em verde)

Esclarecendo algumas informações sobre a imagem:

O reset é ligado ao Clear barrado do flip flop (na figura chama R1), ou seja, recebendo 5v ele impede que o flip flop tenha seu sinal zerado constantemente.

O flip flop possui a saída barrada, neste caso, e o elemento em rosa nega (barra) a saída de novo. Ou seja o elemento em azul recebe a saída Q barra e o elemento em rosa transforma a saída para Q (sem barrar). Olhando a imagem abaixo, é como se o elemento em azul estivesse ligado em Q barra e o em rosa em Q normal.

A bolinha que está nos comparadores representa o ” – ” do amplificado operacional.

A tensão no divisor de tensão será de 2/3Vcc (comparador amarelo) e 1/3Vcc (comparador vermelho) de cima para baixo.

Como funciona

Considerações iniciais

O 555 opera em 3 modos:

Monoestável: atua como disparador

Astável: atua como oscilador

Biestável: utilizado como flip flop

Apesar dos três modo, vou explicar em cima do astável que é mais complicado e assim é possível ter ideia de como o resto funciona.

Vamos usar o seguinte diagrama de ligação e a imagem da estrutura interna (tópico acima) como base.

Antes de entrar na explicação, vamos deixar claro alguns pontos (não deixe de ler a parte da estrutura interna para entender também):

O comparador que está ligado ao pino S do flip flop é disparado apenas se a tensão do divisor de tensão (1/3Vcc) for maior que a tensão do pino TRIG.

O comparador que está ligado ao pino R do flip flop é disparado apenas se a tensão do pino THR for maior que a tensão do divisor de tensão (2/3Vcc) (o contrário do de cima).

Funcionamento geral

A primeira coisa que ocorre é o capacitor C começar a carregar, feito isso a tensão em cima dos pinos TRIG e THR é próxima de 0. Com isso, 0<1/3Vcc logo o comparador ligado ao pino S é acionado e o flip flop manda sinal de nível alto na saída. A medida que o capacitor carrega a tensão sobe, e uma hora ela chega a um valor minimamente acima de 1/3Vcc, logo o comparador não é mais acionado. Desse modo, o flip flop recebe 0 em ambos os pinos, que, nesse caso, apenas mantém o ultimo estado da saída (continua em nível alto).

O capacitor continua carregando até que a tensão atinge um valor minimamente acima de 2/3 Vcc e o comparador ligado ao pino R é acionado. Então, o flip flop manda um sinal de nível baixo na saída, fazendo com que o transistor de descarga seja ativado (pois ele está ligado na saída barrada). Com ele ativado, o capacitor começa imediatamente a descarregar. Ele faz isso até que a tensão fique minimamente abaixo de 1/3Vcc e assim o comparador do pino S é acionado.

Isso faz com que: a saída vá para nível alto novamente, o transistor de descarga seja desativado e o capacitor, sem ter onde descarregar, começa seu ciclo de carga novamente. E assim, esse ciclo se repete, criando uma onda quadrada na saída do 555 com um determinado período.

No início a saída é maior justamente por causa que a tensão no instante inicial vai ser 0. E o capacitor precisa dar a primeira descarga para entrar no ciclo normal, onde o período será constante.

Análise do circuito

O resistor R2 vai determinar o tempo de carga e descarga, então quanto menor o valor dele, menor vai ser o período. E pela mesma ideia, quanto maior o valor do capacitor mais ele vai demorar a descarregar. Como o resistor R1 não interfere na descarga, ele vai influenciar apenas na carga do capacitor, ou seja, no tempo em alta da saída.

Por fim, o capacitor, que na imagem, é de 10nF serve apenas para estabilizar a entrada CTRL. Isso porque não estamos aproveitando da funcionalidade dela.

Modo monoestável

O modo monoestável gera apenas um pulso de acordo com o sinal recebido no pino TRIG (ele é um disparador). A ideia do funcionamento é exatamente a mesma que o modo astável. Porém o que mudou é a forma como você está ligando e usando seu circuito. O circuito é parecido com o anterior, mas agora sem o R2 e o pino TRIG é acionado separadamente.

O funcionamento do circuito é o seguinte: o pino trigger é alimentado constantemente com Vcc. E, assim que um pulso ocorre (a tensão do TRIG vai para 0), o comparador ligado ao pino S é ativado e aquela mesma ideia de antes acontece. Ou seja, o pulso acaba depois que o capacitor carregar a 2/3 de Vcc.

Modo biestável

Como dito anteriormente, o biestável transforma o 555 em um flip flop rs. O pino Reset é usado como o R do flip flop e o Trigger como o próprio S mesmo. O THR está ligado ao GND, ou seja, o comparador conectado a esse pino não faz nada, até porque agora o reset que está fazendo o papel de acionar o pino R. Não tem muito mistério, é basicamente isso.

Como calcular

Modo astável

Para o modo astável que foi visto acima, existem algumas fórmula para calcular o período:

E a frequência final, basta inverter o o valor do período:

Exemplo:

Vamos supor que eu queira uma frequência de 1Hz, sendo que 60% do tempo a saída deve ficar em alta e 40% em baixa. 1Hz representa um período de 1s. 60% disso representa 600ms e 40%, 400ms. Sendo assim, vou pegar a fórmula do tempo em baixa:

Eu posso estipular tanto um valor para o capacitor, quanto para o R2. Vamos considerar um capacitor de 100uF. E com base no calculo acima eu acho um valor próximo de 5,7KΩ, mas vou pegar o valor comercial mais próximo: 5,6KΩ. Agora é só achar o valor de R1 usando a fórmula do tempo em alta (usando o valor comercial de R2):

O resultado que encontro é em torno de 3KΩ e existe um valor comercial para 3KΩ, então está ótimo. Se você quiser conferir a frequência, basta jogar os valores na fórmula. É claro, que a precisão não é de 100%, já que para isso você teria que usar resistores ideais dos valores calculados.

Uma dica para quem quer facilitar a vida é, usar programas e aplicativos que fazem esses cálculos para você.

Modo monoestável

O tempo do pulso pode ser calculado como:

Exemplo:

Supondo que eu quero um tempo de 3 segundos. Então basta estipular um valor para R ou C. Vou considerar um capacitor de 100uF. O valor que eu encontro é de aproximadamente 33KΩ para R2 que é também um valor comercial. É bem simples.

Conheça o chip e o modo monoestável (parte 1)

Conheça o CI 555, o chip de maior sucesso no mundo. Ele existe a mais de 40 anos, ainda é produzido na escala dos bilhões de unidades e já foi utilizados em projetos de todos os tipos. O CI 555 marca o início de uma série de artigos sobre componentes eletrônicos no Fazedores.

Porque falar de componentes como o CI 555?

Quem tem acompanhado o Fazedores já deve ter percebido que somos fãs de plataformas como o Arduino e o Raspberry Pi e que temos mostrado vários projetos interessantes feitos com eles. Claro, eles são super poderosos, fáceis de usar e facilitam muito a vida de quem está começando. Porém, sentimos falta de projetos feitos com componentes mais básicos pois eles ajudam muito a entender como as coisas funcionam e alguns conceitos básicos da eletrônica. E foi por isto que resolvemos fazer uma série de artigos sobre alguns componentes que são super versáteis, simples, baratos e que fazem parte do mundo da eletrônica há muito tempo.

Quando alguém começa a estudar como montar projetos com o Arduino ou o Raspbery Pi a primeira coisa que ele aprende é a fazer um LED piscar. Estes projetinhos são o equivalente a um programa “Hello World” – ou Olá Mundo – do mundo da programação e são chamados carinhosamente de “Blink“. O CI 555 é excelente para fazer LEDs piscarem e também servem como uma boa introdução aos projetos eletrônicos. Mas não foi apenas por isto que escolhemos o circuito integrado 555 para começar esta série de posts.

O Timer 555 é nada menos que um dos chips de maior sucesso na história (se não for o de maior sucesso). Ele foi criado em 1970 pelo engenheiro Hans Camenzind quando algumas poucas empresas do Vale do Silício começavam a trabalhar na fabricação de circuitos integrados. Hoje, mais de 40 anos depois, já foram produzidos alguns bilhões deste CI e seu design continua o mesmo até hoje. Podemos dizer que o 555 já foi utilizado em praticamente todos os tipos de projetos eletrônicos, de brinquedos a computadores, de alarmes a naves espaciais.

O Circuito Integrado 555

O 555 é um simpático componente normalmente encontrado na forma de um pequeno invólucro de plástico preto com oito terminais metálicos na configuração DIP (Dual In-line Package). Nesta configuração você encontrará 4 terminais de cada lado do invólucro. Ele pode ser utilizado em várias aplicações como temporizador (timer), oscilador e gerador de pulsos. Trata-se de um componente bem versátil e que possui três modos de operação: monoestável, astável e biestável. Mas falaremos disto depois, primeiro vamos conhecer o componente.

Os pinos do CI 555

Para identificar os pinos do 555 no empacotamento DIP, observe a presença de uma pequeno dente no componente ou uma pequena depressão na forma de um círculo. Alinhe o chip de modo que a marcação fique para cima e você poderá identificar os pinos contando eles a partir do pino de cima a esquerda e caminhando em sentindo anti-horário. Normalmente os pinos de chips são numerados desta maneira. Veja na figura abaixo a identificação dos pinos do 555:

Os pinos do CI 555 possuem as seguintes funções:

Pino Nome Descrição 1 GND Terra – Este pino deve estar sempre conectado ao terra da alimentação. Cuidado para não inverter a alimentação pois isto pode danificar o seu chip. 2 TRIGGER Gatilho – Este pino ativa o biestável interno e a saída (OUTPUT) quando estiver com uma tensão abaixo de 1/3 da tensão VCC. 3 OUTPUT Saída – Quanto ativada permanece em VCC por um intervalo de tempo. O intervalo de tempo é definido por alguns componentes externos e isto ficará mais claro mais tarde. 4 RESET Reset – Interrompe um ciclo de temporização quando conectado ao terra (“pulled low”). 5 CONTROL Tensão de Controle – Usada para alterar o funcionamento do comparador interno do chip ligado ao pino limiar (THRESHOLD) tornando-o mais ou menos sensível. 6 THRESHOLD Limiar – Desativa o biestável interno e a saída (OUTPUT) quando estiver com uma tensão acima de 2/3 da tensão VCC. 7 DISCHARGE Descarga – É usado para descarregar o capacitor conectado a este terminal. O capacitor é um dos componentes externos que citamos ao descrever o pino saída. 8 VCC Positivo – Este pino deve estar sempre conectado ao positivo da alimentação. A alimentação deve estar entre +5 e +15V.

O papel de cada pino e o funcionamento do 555 ficará mais claro ao estudarmos seus modos de operação. Vamos a eles…

Modo de Operação Monoestável

No modo de operação monoestável o 555 funciona como um disparador. Quando ele recebe um sinal adequado no gatilho ele gera um pulso de duração específica na saída. Depois ele volta a deixar a saída desligada e fica pronto para receber outro estímulo. Caso durante o período em que saída está ligada ele receber um sinal de reset ela é desligada imediatamente. Neste tipo de configuração o 555 pode ser utilizado em aplicações como temporizadores, detectores de pulso e até para remover o ruído de chaves (o que normalmente chamamos de debounce).

Nesta configuração o 555 é conectado da seguinte forma:

Vamos entender o circuito:

Neste circuito o 555 é alimentado pelos pinos GND e VCC que estão conectados respectivamente ao terra e ao positivo da fonte de alimentação de 9V. Vale lembrar que ele pode ser alimentado com tensões entre 5V e 15V e que o sinal de saída – quando ativo – é bem próximo de VCC. Colocamos um capacitor eletrolítico de 100uF ( C3 ) apenas para filtrar a alimentação. Ele não te relação com o funcionamento do 555.

e que estão conectados respectivamente ao terra e ao positivo da fonte de alimentação de 9V. Vale lembrar que ele pode ser alimentado com tensões entre 5V e 15V e que o sinal de saída – quando ativo – é bem próximo de VCC. Colocamos um capacitor eletrolítico de 100uF ( ) apenas para filtrar a alimentação. Ele não te relação com o funcionamento do 555. Colocamos um LED ( LED1 ) no pino de saída – OUTPUT – em série com um resistor de 1K ( R4 ) para limitar a corrente que passa por ele.

) no pino de saída – – em série com um resistor de 1K ( ) para limitar a corrente que passa por ele. Como o gatilho do 555 é ativado quando a tensão fica abaixo de 1/3 de VCC, colocarmos um resistor “pull up” de 10K ( R2 ) entre o pino TRIGGER e VCC . A chave ( S1 ) ligada ao terra faz que o sinal do gatilho caia para zero quando ela for pressionada conectando o pino ao terra. Quando a chave não está acionada o gatilho fica em VCC graças ao resistor de “pull up”.

) entre o pino e . A chave ( ) ligada ao terra faz que o sinal do gatilho caia para zero quando ela for pressionada conectando o pino ao terra. Quando a chave não está acionada o gatilho fica em VCC graças ao resistor de “pull up”. De maneira semelhante ao que fizemos com o gatilho, também colocamos uma resistor de “pull up” ( R3 ) entre o pino RESET e VCC . E a chave ( S2 ) ligada ao terra faz que o sinal de reset caia para zero quando ela for ativada. O reset do 555 é acionado quando está ligado ao terra, ou seja, apenas quando a chave (S2) é pressionada.

) entre o pino e . E a chave ( ) ligada ao terra faz que o sinal de reset caia para zero quando ela for ativada. O reset do 555 é acionado quando está ligado ao terra, ou seja, apenas quando a chave (S2) é pressionada. O pino de controle não está em uso e por isto colocamos um capacitor cerâmico de 0.1uF ( C2 ) entre o pino CONTROL e GND apenas para evitar que oscilações da tensão nele afetem a sensibilidade do 555 e interfiram no funcionamento de nosso circuito.

) entre o pino e apenas para evitar que oscilações da tensão nele afetem a sensibilidade do 555 e interfiram no funcionamento de nosso circuito. Entre o resistor de 100K ( R1 ) colocado entre o pino DISCHARGE e VCC é um dos componentes externos fundamentais para o funcionamento do 555. Ele define com que velocidade o capacitor C1 se carrega quando o gatilho é acionado.

) colocado entre o pino DISCHARGE e VCC é um dos componentes externos fundamentais para o funcionamento do 555. Ele define com que velocidade o capacitor se carrega quando o gatilho é acionado. O capacitor de 47uF (C1) tem um de seus terminais ligados os pinos DISCHARGE e THRESHOLD e a outra ligada ao GND. Ele é outro componente externo fundamental para o funcionamento do 555. Ele se carrega através do resistor R1 quando o o 555 é acionado pelo gatilho e, depois, descarrega através do pino DISCHARGE quando sua tensão atinge 2/3 de VCC.

Agora que já tendemos o circuito vamos entender como ele funciona. Para isto é importante conhecermos o 555 por dentro. A figura abaixo representa o 555 por dentro. Esta figura não é uma representação fiel do circuito interno do 555, mas é suficientemente boa para fins didáticos.

Internamente o 555 é composto por quatro blocos fundamentais:

A peça central – em verde – é um flip-flop. Podemos entender o flip-flop como duas chaves que são acionadas em conjunto quando ele recebe um determinado sinal e que mudam de estado quando ele recebe outro. Em nosso caso os sinais estão indicados por BAIXAR e SUBIR. O flip-flop tem um papel fundamental em acionar a saída e controlar o carregamento do capacitor C1. Observe que a chave de cima é conectada ao pino DISCHARGE e a de baixo é conectada à saída (OUTPUT).

Depois temos um divisor de tensão com três resistores – em branco- de mesmo valor em série entre os pinos GND e VCC. Este divisor de tensão cria dois pontos intermediários com 1/3 de VCC e 2/3 de VCC respectivamente. É daí que vem os valores de 1/3 e 2/3 de VCC que citamos anteriormente.

Ligado ao pino gatilho (TRIGGER) temos um comparador que compara o sinal do gatilho com a tensão de 1/3 de VCC. Quando a tensão do gatilho é menor do que 1/3 de VCC o comparador envia um sinal ao flip-flop para ele BAIXAR.

E, para completar, temos outro comparador ligado ao pino THRESHOLD e ao ponto do divisor de tensão com 2/3 de VCC. Quando a tensão no pino limiar (THRESHOLD) fica maior do que 2/3 de VCC ele envia um sinal para o flip-flop para ele SUBIR.

Bom, com isto fica fácil entender o funcionamento do 555 na configuração monoestável. Ele funciona assim:

Ao ligar o circuito temos os pinos gatilho (TRIGGER) e reset positivos em VCC graças aos resistores de “pull-up”. Além disto o capacitor C1 está sem carga e com isto os dois comparadores estão desativados. Assim, ao ligar o circuito o flip-flop está na posição “EM CIMA” – como na figura – e com isto a saída (OUTPUT) está conectada ao terra (desativada).

Ao pressionar a chave S1 ligada ao gatilho, a tensão do gatilho cai – pois ele é conectado ao terra – e o comparado A envia um sinal ao flip-flop para ele BAIXAR. Ao ir para posição “EM BAIXO” o flip-flop conecta a saída ao pino VCC e o LED acende. Simultaneamente, o outra chave do flip-flop desconecta o pino descarga (DISCHARGE) do terra e permite que o capacitor C1 comece a carregar através do resistor R1.

Quando a tensão no capacitor – que está ligado ao pino limiar (THRESHOLD) atinge 2/3 de VCC o comparador B envia um sinal ao flip-flop para ele SUBIR. Ao ir para posição “EM CIMA”o flip-flop desconecta a carga do VCC e o LED apaga. Ao mesmo tempo o pino descarga é conectado ao terra descarregando o capacitor quase imediatamente. Desta forma o circuito volta ao estado original e está pronto para receber outro sinal no gatilho.

Se durante o período em que o flip-flop está na posição “EM BAIXO” – ou seja, a saída está ativa e o LED está aceso – a chave S2 for pressionada o flip-flop receberá um sinal para ir para SUBIR fazendo o 555 voltar ao estado inicial. O reset faz com que o 555 volte ao estado original antes do capacitor atingir sua carga de 2/3 de VCC. Ele reseta o temporizador.

Controlando o tempo

Um temporizador não serviria de nada se não pudéssemos especificar quanto tempo ele deve ficar ativo. O 555 é tão bom para fazer isto que alguns o chama de “The IC Time Machine” ou “A Máquina do Tempo num chip”. Para calcular o tempo de duração do pulso na saída quando o 555 monoestável é ativado utilize a seguinte fórmula:

t = R * C * 1.1

Onde:

t é o tempo em segundos;

é o tempo em segundos; R é a resistência de R1 em ohms; e

é a resistência de R1 em ohms; e C é a capacitância de C1 em farads.

Desta maneira, para nosso circuito de exemplo com um R1 de 100 Kohms e C1 de 47 uF temos:

t = 100000 * 0.000047 * 1.1 = 5.17 segundos

Se trocássemos o capacitor de 47 uF por um de 10 uF o tempo cairia para:

t = 100000 * 0.00001 * 1.1. = 1.1 segundos

E é exatamente este comportamento que você pode observar no video que preparamos para você. No vídeo você verá o circuito exemplo que apresentamos e o que acontece com o LED quando acionamos o botão azul (TRIGGER) e também o botão vermelho (RESET). Observe que na metade do vídeo trocamos o capacitor de 47 uF por um de 10 uF e que isto faz com que o LED fique aceso por bem menos tempo.

Bom, agora que você já conhece o 555 e sabe como utilizá-lo na configuração monoestável você pode utilizá-lo em seus projetos nas mais diferentes aplicações. Uma boa maneira de aprender como ele funciona é montar o circuito que apresentamos acima e testar diferentes maneiras de utilizá-lo. Troque os capacitores, os resistores e utilize cargas diferentes. Se puder, coloque seu multímetro ligado entre o terra e o pino THRESHOLD para ver como as mudanças na carga do capacitor – depois de apertar a chave S1 – acontecem e afetam o funcionamento do chip.

Nos próximos artigos desta série continuaremos falando do 555 e apresentaremos seus outros modos de operação e também como utilizar o chip em diferentes aplicações.

Fique de olho!

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Aplicações CI 555 — Páginas Pessoais

Aplicações CI 555

Alex Messias ,Felipe Martinhuk, Filipe Morais, Valquiria Yurie CI. Modos de Funcionamento. Aplicações: timer para acionar um LED, alarmes sonoro de segurança, sensor foto-elétrico, alarme de velocidade, tacômetro.

Circuito integrado 555.pptx — 602Kb