CI 555 – Conheça o chip e o modo monoestável – Parte 01

Conheça o CI 555, o chip de maior sucesso no mundo. Ele existe há mais de 40 anos, ainda é produzido na escala dos bilhões de unidades e já foi utilizados em projetos de todos os tipos.

Por que falar de componentes como o CI 555?

Vocês já devem 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 artigos.

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.

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.

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”.

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.

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 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 C1se 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!

CI 555- Modo Astável (Oscilador)

O Timer 555 é um circuito integrado mais populares e versáteis do mercado. Pode ser usado como oscilador, temporizador, geradores de pulso, etc. O 555 pode ser configurado de três formas:

Modo Monoestavel: nesta configuração, o CI 555 funciona como um disparador. Suas aplicações incluem temporizadores, detector de pulso, chaves imunes a ruído, interruptores de toque, etc. Modo Astável: o CI 555 opera como um oscilador . Os usos incluem pisca-pisca de LED , geradores de pulso, relógios, geradores de tom, alarmes de segurança, etc. Modo biestável : o CI 555 pode operar como um flip-flop , se o pino DIS não for conectado e se não for utilizado capacitor. As aplicações incluem interruptores imunes a ruído, etc.

O circuito astável produz ondas quadradas, oscilando entre 0V e VCC. A configuração do astável está demonstrado abaixo:

No circuito astável pode-se alterar o tempo Tm (tempo em +Vs) e o Ts (tempo em 0V). Quando o capacitor carrega até (1/3)*Vs, o 555 dispara pelo trigger e tensão de saída vai para +Vs, e quando chega a (2/3)*Vs, o 555 corta e a saída vai para 0V. Os tempos Tm e Ts podem ser calculadas pelas fórmulas abaixo:

Tm=0.7*(R1+R2)*C1

Ts=0.7*R2*C1

E o Período T da forma de onda quadrada e a frequência f podem ser calculadas pelas fórmulas abaixo:

T=0.7*(R1+2*R2)*C1

f=1.4/((R1+2*R2)*C1)

Sendo: T = Tm + Ts - tempos em segundos

f - frequencia em Hertz

R1 - resistência em Ohm

R2 - resistência em Ohm

C1 - capacitância em Faraday

Escolha o capacitor C1. Escolha os períodos Tm e Ts e com as fórmulas dadas, calcule R1 e R2.

Exemplo:

frequência = 6.8kHz, capacitor escolhido:0.01uF

Fazendo os calculos, chega-se em R1=1Kohm e R2=10Kohm.

Pronto, agora é só montar como está mostrado na figura acima.

Caso queira uma frequência diferente, é só utilizar as fórmulas.

Qualquer dúvida, poste no blog! Boa sorte e até mais!

Referências:

Timer com CI 555 (Multivibrador monestável)

CB05 - Timer com CI 555 (Multivibrador monestável)

CB05 - Circuitos eletrônicos básicos

Temporizador com CI 555 (modo monoestável)

Criar um circuito para ser utilizado como um temporizador para componentes eletrônicos, onde utilizamos um led de 5mm. Para este circuito vamos configurar o CI 555 no modo monoestável, ou seja, operando como um timer. Utilizaremos também um botão ("push button") para acionar o componente eletrônico por um determinado tempo.

Multivibrador Monoestável: quando o circuito opera como um disparador ou um timer. Modo aplicável à projetos de temporizadores, detectores de pulso, chaves imunes a ruído, interruptores de toque, etc.. Para saber mais leia: CI 555- Modo Monoestável (Temporizador) e Multivibradores com CI 555.

Aplicação

Para fins didáticos e projetos eletrônicos.

Componentes necessários

Referência Componente Quantidade Imagem Observação Protoboard Protoboard 830 pontos 1 No mínimo utilizar protoboard com 830 pontos Jumpers Kit cabos ligação macho / macho 1 Led 5mm LEDs 5mm 1 1 LED alto brilho verde ou de outra cor qualquer Você poderá utilizar também LEDs de qualquer outra cor ou LEDs difusos de 3 ou 5mm nas cores que desejar. Resistor Resistor 3 1 Resistor de 150Ω - 1/4w (led vermelho)

2 Resistores de 10KΩ - 1/4W (CI555) Circuito integrado 555 CI 555 1 Capacitor eletrolítico Capacitor eletrolítico 1 1 Capacitor eletrolítico de 100μF (16V) Utilizando capacitores maiores, o led ficará mais tempo aceso. Push Button Push button 6X6X5mm 1 Fonte ajustável para protoboard Fonte ajustável 1 Se você não tiver uma fonte ajustável, utilize pilhas ou bateria como fonte de energia (este projeto pode ser utilizado para tensões entre 5V a 12V)

Esquema elétrico

Montagem do Circuito

1. Conecte os componentes no Protoboard como mostra a figura abaixo. Verifique cuidadosamente os cabos de ligação antes de ligar na fonte de energia.

Obs.: Para o Led utilize: 150Ω para fonte de 5V | 330Ω para fonte de 9V | 470Ω para fonte de 12V

Atenção:

a) Lembre-se que o LED tem polaridade: O terminal maior tem polaridade positiva e o lado do chanfro tem polaridade negativa.

b) Da mesma forma que um led o capacitor eletrolítico também tem polaridade: O terminal maior tem polaridade positiva e o lado identificado com faixa tem polaridade negativa.

c) Para montar o circuito integrado 555 é importante observar a(s) marcas(s) de referência para a identificação dos pinos de contato. Os pinos deverão ser identificados conforme mostra a imagem abaixo:

Observação: A montagem invertida do CI 555 pode causar danos irreversíveis ao componente.

d) O circuito integrado 555 é um temporizador, oscilador e gerador de pulso, que pode ser usado em qualquer projeto que necessite dessas características. Pode ser usado em um circuito pisca led, para a geração de notas músicais em diversas frequências, para posicionamento de servo dispositivos e diversas outras aplicações. Abaixo segue o mapa dos pinos do componente eletrônico NE555. Para saber mais sobre CI 555 assista o vídeo: O versátil CI 555 - Teoria e aplicações!

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 ou Comparador – Ativa a 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 (capacitor e resitores). Varia sua tensão de próximo a zero e próximo a tensão aplicada no pino 8. Esse intervalo de variação da tensão depende da forma e modo como o CI é usado (modo astável, monoestável ou biestável) 4 RESET Reset – reinicia o processo de temporização do CI e interrompe um ciclo de temporização quando conectado ao terra (“pulled low”). Leva o CI 555 à sua condição inicial. Quando não utilizado, o Reset deve estar ligado ao VCC para evitar ruídos no circuito. 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. Pode ser usado para eliminar ruidos do CI, através de um capacitor ligado ao terra, ou para alterar a largura do sinal de saída. 6 THRESHOLD Limiar – monitora o valor da tensão, caso seja maior que 2/3 do valor de Vcc desativa saída pino 3. Desativa a saída (OUTPUT) quando estiver com uma tensão acima de 2/3 da tensão VCC. 7 DISCHARGE Descarga – usado para descarregar o capacitor externo quando o pino 3 está em estado "LOW". 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 – É o pino de alimentação positiva do CI 555. Este pino deve estar sempre conectado ao positivo da alimentação. A alimentação deve estar normalmente entre +5 e +15V.

e) Para fazer com que o led fique aceso por um determinado tempo vamos utilizar o CI 555 como um temporizador, ou seja, no modo monoestável. Veja abaixo a ligação externa ao CI 555 para se obter a operação no modo monoestável:

É importante salientar que dependendo dos componentes externos utilizados, R e C, teremos valores diferentes para o tempo que a lâmpada permanece ligada. Para saber como calcular esses valores e dimensionar seu circuito, utilize a equação abaixo:

onde:

. t = período em que o componente eletrônico ficará ligado (tempo em milisegundos). Obs.: 1 segundo = 1.000 ms

. R = Resistor conectado ao pino 7 do CI 555 (em KΩ)

. C = Capacitor conectado ao pino 6 do CI 555 (em μF)

Observações:

. Quando acionamos o botão, o led ficará ligado por um período determinado pela equação acima.

. Quando aumentamos o valor de R e/ou o valor de C, aumentamos também o tempo em que o led ficará ligado (valor lógico alto)

f) Se desejar, você pode melhorar mais ainda o projeto reduzindo ruídos no circuito para obter uma onda perfeitamente retangular na saída do CI (pino 3). Para isso, acrescente um capacitor de 1nF (0,01μF) no pino 5 do CI 555. Veja o esquema abaixo:

g) Neste projeto você poderá utilizar fontes de energia de 5V a 12V, como pilhas, baterias ou fontes ajustáveis para protoboard. Para instalar e utilizar uma fonte ajustável, assista o vídeo: Fonte Ajustável para Protoboard - Arduino

Montagem dos Componentes

2. A montagem abaixo foi realizada em um protoboard com linhas de alimentação não contínuas, onde acrescentamos jampers para a ligação. Verifique se o seu protoboard possui linhas de alimentação contínuas ou separadas - saiba mais em protoboard

Observe que utilizamos no nosso exemplo uma fonte ajustável com 5V e um resistor de 150Ω para o led.

Vídeo

No vídeo abaixo testamos o nosso circuito com um resistor de 47kΩ (tempo do led ligado = 5,17s) e com um resistor de 10kΩ (tempo do led ligado = 1,1s).

Experiências

1. Para entender todos os conceitos neste tutorial, experimente substituir o resistor R e o capacitor C que ligam os pinos 6 e 7 do CI 555. Aumentando os valores do resistor e/ou do Capacitor obteremos tempos maiores do componente ligado. Desta forma, entenda como dimensionar o seu projeto para obter um timer com um tempo definido previamente.