Aplicações avançadas para o 555/556 (ART957)

Os circuitos integrados 555 (timer) e 556 (duplo timer) são usados numa infinidade de aplicações práticas muito simples em sua maioria, como blocos básicos astáveis e monoestáveis. No entanto, as possibilidades de uso destes componentes são infinitas e algumas levam a circuitos bastante avançados. Neste artigo descrevemos algumas aplicações pouco comuns desses componentes que podem atender ao leitor que procura uma aplicação sofisticada que um simples 555 ou 556 pode realizar.

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Sensor de Tensão com o CI 555

Sensor de Tensão com o CI 555

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VERTULO, Rodrigo Cesar.. Disponível em: . Acessado em: 08/06/2022.

Definitivamente todo projetista de circuitos eletrônicos deve conhecer profundamente o circuito integrado 555, pois sua versatilidade é impressionante. Nesse artigo é demonstrada mais uma utilidade desse incrível integrado, dessa vez funcionando como um sensor de tensão.

Internamente o CI 555 possui dois amplificadores operacionais (AOs) e conhecendo a forma como eles trabalham em conjunto com os outros sub circuitos do integrado é possível fazer uso deles em aplicações típicas dos AOs. No caso do circuito apresentado nesse artigo, o 555 está sendo utilizado como um comparador de tensão, podendo ser utilizado por exemplo em conjunto com sensores que têm sua saída dada por variações de tensão. Um exemplo típico desse tipo de componente é o famoso LM35, um sensor de temperatura de precisão que apresenta em sua saída uma variação linear de tensão de acordo com a temperatura.

Fig. 1 – Circuito Integrado 555 trabalhando como comparador de tensão.

No circuito da Fig. 1 o potenciômetro (valor 1kOhm) conectado ao pino TRIG (pino 2 do CI) funciona como um sensor cuja resposta é dada como variação da tensão de saída. Poderia ser por exemplo um LM35.

Sempre que a tensão em TRIG ficar abaixo de um terço do valor da tensão de alimentação do circuito, a saída do 555 (OUT, ou pino 3) vai para nível alto acionando a carga conectada a ela. Nesse caso a carga é um LED, mas poderia ser uma interface de potência para o acionamento de um relê ligado a um motor por exemplo. Como o circuito foi alimentado com 15V, quando a tensão em TRIG ficar abaixo de 5V a saída do integrado é acionada.

Após a saída ser acionada ela permanecerá nesse estado independentemente da tensão presente em TRIG. Para que a saída do 555 volte a ficar em nível baixo (desativada) é preciso que a tensão em TRIG seja maior ou igual a 5V e que o push button do circuito seja pressionado.

Uma aplicação desse circuito é em controle de estufas cuja temperatura deve sempre ficar acima de um determinado valor. Quando o sensor de temperatura (ex: LM35) apresentar em sua saída uma tensão inferior à temperatura limite a saída do 555 é acionada para ligar uma resistência.

Essa é uma aplicação não trivial do CI 555 que somente aqueles que possuem conhecimentos aprofundados sobre o componente são capazes de criar.

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Modulador PWM com CI 555: Como construir um modulador?

A modulação por largura de pulso (PWM – Pulse With Modulation) é uma técnica eficiente para transferência de potência e controle de velocidade. Diversos microcontroladores, tal qual o Arduino, possuem periféricos dedicados para produzir PWM. No entanto, não é necessário um Arduino ou outro microcontrolador para se produzir um modulador PWM simples. Para isso, também podemos utilizar um circuito integrado (CI) chamado 555, um dos osciladores mais conhecidos e um dos componentes eletrônicos mais populares, sendo capaz de produzir um sinal PWM ajustável. Neste post, veremos como construir um modulador PWM utilizando um CI 555.

O que é PWM?

A modulação por largura de pulso (PWM – em inglês, Pulse-Width Modulation), é uma técnica utilizada para transferência de potência e transmissão de dados baseada na variação do tempo em alto em relação ao período total de um onda quadrada (duty cycle). Ao variar o duty cycle de uma onda quadrada com frequência fixa, varia-se o valor médio de tensão deste sinal. Por exemplo, uma onda quadrada de 1 Hz, variando entre 10 V e 0 V com duty cycle de 50% (0,5 segundos em 10 V e 0,5 segundos em 0 V), possui uma tensão média de 5 V (50% de 10V).

A imagem abaixo representa um sinal PWM (imagem inferior) com duty cycle variando segundo uma função senoidal (imagem superior). O efeito médio de ambos os sinais é o mesmo, se o PWM tiver uma frequência alta o bastante, não veríamos diferença entre um LED acionado pelo sinal senoidal e outro acionado pelo sinal PWM.

A modulação PWM é utilizada em fontes chaveadas, pois permite fornecer o máximo de potência para a carga. Caso utilizássemos um regulador de tensão (como o 7805, por exemplo), uma parte da potência seria gasta pelo componente.

Praticamente todos os microcontroladores possuem um sistema para geração de PWM, incluindo o Arduino, capaz de produzir e ajustar o sinal através da função analogWrite. Dê uma olhada no post Ajustando o brilho de um LED por PWM com Arduino.

Circuito integrado 555

Desenvolvido em 1970 e comercializado pela primeira vez em 1971, o circuito integrado (CI) 555 é um dos mais populares e versáteis CIs já desenvolvidos. Qualquer profissional, estudante ou hobbista em eletrônica já deve ter ouvido falar ou o utilizado alguma vez.

O CI 555 é um oscilador/temporizador com três modos básicos de operação:

Modo monoestável: neste modo, após receber um disparo (um pulso de sinal) o CI mantém sua saída em alto por um determinado tempo e depois volta para baixo até que receba um novo disparo;

neste modo, após receber um disparo (um pulso de sinal) o CI mantém sua saída em alto por um determinado tempo e depois volta para baixo até que receba um novo disparo; Modo astável: neste modo o CI alterna sua saída entre alto e baixo em uma determinada frequência;

neste modo o CI alterna sua saída entre alto e baixo em uma determinada frequência; Modo biestável: Atua como um flip-flop, ao receber um sinal de disparo sua saída vai para alto até receber um sinal de reset.

Entretanto, o dispositivo não se limita a estes três modos. Como dito anteriormente, é um dos CIs mais versáteis já desenvolvidos. É possível realizar pequenas modificações nos modos de operação para obter novos comportamentos. Neste post vamos utilizar o 555 para produzir um PWM através de uma modificação no modo astável.

O modo astável

Para entendermos como o modulador funciona, vamos dar uma olhada no modo astável do 555. O circuito eletrônico desse modo está representado na imagem abaixo.

Neste modo, o componente produz uma onda quadrada com frequência definida pelos resistores e pelo capacitor ligados ao 555. Tanto o modo astável quando o monoestável se baseiam em um circuito RC (resistor e capacitor), utilizado para a temporização.

Um capacitor funciona de forma semelhante a uma bateria, podendo armazenar e liberar um carga elétrica. No entanto, o capacitor tem a capacidade de se carregar e descarregar quase que instantaneamente, fornecendo toda a energia armazenada de uma só vez, enquanto baterias tem uma limitação na corrente máxima fornecida. Ao associar um capacitor e um resistor em um circuito RC série, podemos determinar com precisão o tempo que leva para um capacitor atingir um certo valor de tensão. Essa propriedade é utilizada como temporizador pelo 555.

A imagem abaixo ilustra o modo astável em dois estados distintos: carga e descarga.

Quando a tensão no capacitor é inferior à 1/3 da tensão de alimentação, o componente entra no estado de carga. Neste estado, a saída do componente é alta, o pino 7 fica em aberto e o capacitor C é carregado através dos resistores R 1 e R 2 .

Quando a tensão no capacitor é superior à 2/3 da tensão de alimentação, o componente entra no estado de descarga. Neste estado, a saída do componente é baixa, o capacitor C é descarregado, através do resistor R 2 pelo pino 7, que é conectado ao terra.

O pino 5 do 555 nos dá acesso à tensão de referência (2/3 de Vcc) utilizada pelo CI para detectar quando entrar no estado de descarga. É possível deixar esse pino desconectado, porém é recomendado utilizar um pequeno capacitor, geralmente de 100 nF, para ajudar a estabilizar o oscilador.

Como o tempo de carga e descarga de um circuito RC é dado pelos valores dos resistores e do capacitor, podemos determinar o tempo em alto e o tempo em baixo da saída ao escolher valores apropriados para R 1 , R 2 e para o capacitor C. No entanto, como a carga é feita pelos dois resistores e a descarga somente pelo segundo, o resultado é que o tempo de carga e consequentemente o tempo em alto sempre será maior que o tempo de descarga, ou seja, o duty cycle sempre será maior que 50%.

O modo PWM

O primeiro passo para projetarmos o modulador PWM com o CI 555 é desacoplar o resistor de carga e o de descarga, caso contrário ficamos limitados à valores de duty cycle superior à 50%. Isso pode ser alcançado ao anular o efeito do resistor R 2 durante o estado de carga. Observe o sentido da corrente nos dois estados: ela flui em sentidos diferentes durante a carga (de cima para baixo) e a descarga (de baixo para cima), com isso podemos utilizar um diodo para separar a carga da descarga.

O diodo, de maneira simplificada, funciona como um curto quando polarizado diretamente (corrente flui do anodo para o catodo) e como uma chave aberta quando polarizado reversamente. Durante a carga o diodo D 1, em paralelo com R 2 , se comportará como um curto, portanto a corrente fluirá pelo diodo e não pelo resistor. No entanto, durante a descarga, o diodo D 1 se comporta como uma chave em aberto, portanto a corrente fluirá normalmente pelo resistor R 2 . Com essa pequena alteração podemos obter valores de duty cycle inferiores à 50% além de termos um controle melhor sobre o tempo em alto e tempo em baixo.

Na prática, no entanto, o diodo polarizado diretamente não se comporta exatamente como um curto, ele possui uma pequena resistência, porém é muito pequena e pode ser desprezada, e provoca uma queda de tensão de 0.7 V (para diodos de silício, os mais comuns) ou 0.3 V (para diodos de germânio). Essa queda provoca uma pequena alteração na carga do capacitor e complica um pouco o cálculo do tempo de carga e consequentemente da frequência produzida. Para contornar esse efeito, adiciona-se um segundo diodo D 2 em série com R 2 , com isso provocamos a mesma alteração na descarga do capacitor e compensamos o efeito.

Com a adição dos diodos, o tempo de carga (Th), de descarga (Tl) e a frequência (f) produzida pelo circuito, podem ser calculados pelas seguintes fórmulas

Th = 0.639 * R 1 * C

* C Tl = 0.639 * R 2 * C

* C T = 0.639 * (R 1 + R 2 ) * C

+ R ) * C f = 1/T

Em um PWM em geral, mantemos a frequência fixa e variamos somente o duty cycle, para isso é necessário variar o tempo em alto e produzir uma variação igual e inversa no tempo em baixo. No caso do nosso circuito, os tempos em alto e baixo são proporcionais aos respectivos resistores de carga e descarga (considerando que o capacitor é fixo). Ou seja, ao aumentarmos o resistor de carga, para aumentar o tempo em alto, precisamos simultaneamente diminuir o resistor de descarga, na mesma quantidade, para diminuir o tempo em baixo. Desta forma conseguimos variar o duty cycle sem alterar a frequência.

Um simples potenciômetro pode ser utilizado para obter esse efeito. Do ponto de vista do pino do meio, o potenciômetro R v pode ser considerado como dois resistores variáveis. Ao girar o potenciômetro para a esquerda, aumentamos o resistor a direita, ao mesmo passo que diminuímos o resistor da esquerda. No sentido contrário, o efeito é inverso.

Considerando as duas modificações mencionadas, o circuito final do modulador está representado na imagem abaixo.

Considerando as modificações, as equações que regem o comportamento do 555, no modo modulador PWM, são:

Th min = 0.639 * R 1 * C

= 0.639 * R * C Tl min = 0.639 * R 2 * C

= 0.639 * R * C T = 0.639 * (R 1 + R 2 + R v ) * C

+ R + R ) * C f = 1/T

Onde Th min refere-se ao mínimo valor de tempo em alto, Tl min ao mínimo valor de tempo em baixo e T ao período total do PWM (inverso da frequência f).

Modulador PWM com o CI 555

Os valores de R 1 , R 2 , R v e C são escolhidos de acordo com a necessidade do projeto, diferentes aplicações podem exigir diferentes valores mínimos e máximos de duty cycle e de frequência. Acionamento de LEDs, por exemplo, geralmente utiliza centenas de hertz. Motores, no entanto, algumas dezenas de kilohertz.

Neste caso, vamos utilizar valores comerciais de resistores e capacitores (que podem ser facilmente encontrados) e montar um modulador com frequência de pelo menos 10 kHz. Utilizando um capacitor de 10 nF, resistores de 1 kΩ e um potenciômetro de 10 kΩ, conseguimos uma frequência de aproximadamente 12 kHz e uma variação de duty cycle de 83% (de 8% a 91%).

Veja os dados do projeto abaixo:

Materiais Necessários

Circuito

Testes

Os testes deste circuito foram feitos utilizando um osciloscópio para observar o comportamento temporal do sinal produzido. Se estiver interessado, a loja FilipeFlop contém algumas opções de osciloscópios portáteis, uma solução muito boa para estudantes e hobbistas.

Ao variar o potenciômetro modificamos o duty cycle da onda quadrada entre, aproximadamente, 8% e 91%. É possível observar que existe uma variação na frequência com a variação do duty cycle, porém a frequência permanece na ordem de quilohertz.

Conclusão

O modulador PWM com o CI 555 é um projeto relativamente simples e de baixo custo, sem necessidade de qualquer software e pode ter seu duty cycle ajustado através de um potenciômetro. Obviamente existem algumas limitações quando comparado a um PWM produzido por microcontroladores e é menos preciso, no entanto consegue atender diversas aplicações mais simples nas quais a adição de um microcontrolador é desnecessária e apenas aumentaria os custos. Em um próximo post trarei alguns exemplos de aplicações para este modulador.

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