Un temporizador clásico y versátil
Existen algunos circuitos integrados que, pese a llevar años en el mercado, siguen vigentes por su gran utilidad. Tal es el caso del temporizador NE555. Este circuito integrado temporizador de 8 pines, muy económico, probablemente sea uno de los más versátiles de todos los tiempos, y puede utilizarse en muchísimos proyectos. Es muy simple de usar y solo requiere unos pocos componentes adicionales para realizar tareas útiles, no solo relacionadas con la temporización: osciladores astables, generadores de rampas, temporizadores secuenciales, etc. Además, es sumamente económico y permite conseguir temporizaciones muy estables frente a variaciones de tensión de alimentación y de temperatura, con una estabilidad en frecuencia de 0,005% por ºC.
Prácticamente cada fabricante de circuitos integrados tiene su propia versión del “555”. Según el fabricante recibe una designación distinta, como TLC555, LMC555, uA555, NE555C, MC1455, NE555 o LM555, aunque generalmente se lo conoce como “el 555” o “NE555”. También existe una versión de 14 pines, el NE556, que contiene dos NE555 en su interior y comparte los dos pines de alimentación. Como hay muchas aplicaciones que necesitan más de un temporizador, conviene tener presente esta versión doble.
El NE555 se alimenta con tensiones que van desde los 4.5 a los 18 voltios, aunque existen versiones, no muy fáciles de conseguir, que se alimentan con solo 2 voltios. Si la tensión de alimentación se fija en 5.0 voltios, sus señales de salida son compatibles con la lógica de la familia TTL.
Cuando el consumo del proyecto es un factor muy importante, podemos echar mano del ICM7555, un integrado 100% compatible con el NE555, incluso con la misma disposición de pines. Al estar construido con tecnología CMOS, su consumo es de solamente 20 miliamperios.
Frecuentemente, al cambiar el estado de sus salidas, tanto el NE555 como el NE556 producen un consumo significativo sobre la fuente de alimentación. Si bien generalmente no acarrea inconvenientes, suele provocar algunos dolores de cabeza en circuitos más complejos. En esos casos basta con agregar al diseño un condensador cerámico de unos 100 µF entre los pines de alimentación del integrado, lo más cerca posible del mismo.
Así es el interior del NE555
Hecha esta breve introducción, pasemos a ver su interior y cómo podemos usar este potente temporizador en nuestros proyectos.
Si bien no es indispensable conocer el diagrama interno del NE555 para armar algún circuito de forma ocasional, saber qué hay en su interior será muy útil a la hora de crear nuestros propios diseños. En su descripción, al igual que en el resto del artículo, utilizaremos indistintamente el nombre de los pines en español o en inglés.
Como se puede ver en las figuras, consta básicamente de dos amplificadores operacionales conectados como comparadores de tensión, cuyas entradas se corresponden con los pines 5 (CONTROL), 6 (THRESHOLD o “umbral”) y 2 (TRIGGER o “disparo”).
Las salidas de estos operacionales se encuentran conectadas internamente a las entradas R y S de un biestable RS, del que se utiliza su salida negada Q a través de un transistor y de una compuerta NOT (ver nota sobre compuertas lógicas).
La salida a través de la compuerta está conectada al pin 3 OUTPUT (salida) y puede manejar corrientes máximas de 200 mA, más que suficientes para la gran mayoría de las aplicaciones. La salida del colector del transistor, cuya base está conectada al biestable, se utiliza para descargar el condensador de temporización.
También podemos ver en las entradas de los operacionales una red de tres resistencias iguales, utilizada para fijar los niveles de referencia en la entrada inversora del primer operacional y en la no inversora del segundo, en 2/3 y 1/3 respectivamente de la tensión de alimentación.
Cuando la tensión en el terminal umbral (THRESHOLD) supera los 2/3 de la tensión de alimentación, su salida pasa a nivel lógico “1”, que se aplica a la entrada R del biestable. Con ello, su salida negada —la utilizada en este caso— pasa a nivel “1”, satura el transistor y comienza la descarga del condensador; al mismo tiempo, la salida del 555 pasa a nivel “0”. La impedancia de la entrada THRESHOLD es de al menos 10 megohmios. La entrada CONTROL se puede ajustar para fijar el nivel de umbral (THRESHOLD), aunque habitualmente no se utiliza y se la deja conectada a 0 V, posiblemente a través de un condensador de 0.01 µF si el “ruido” eléctrico es un problema, aunque generalmente no es necesario.
Analizando el otro amplificador operacional, podemos ver que si la tensión aplicada a la entrada inversora (el terminal de disparo o TRIGGER) desciende por debajo de 1/3 de la tensión de alimentación, la salida de este operacional pasa a nivel alto. Esa señal se aplica al terminal de entrada S del biestable RS, con lo que su salida se pone a nivel bajo, el transistor de descarga deja de conducir y la salida del 555 pasa a nivel lógico alto. La impedancia del terminal TRIGGER es mayor a 2 megohmios.
Por último, el terminal de RESET del biestable es accesible desde el exterior del NE555 a través del pin 4. Se activa poniéndolo a 0 voltios y puede utilizarse para poner a nivel bajo la salida del 555 en cualquier momento, sin importar el valor de sus entradas. Cuando no se utiliza el RESET, este pin debe conectarse a +V.
Los pines 1 y 8 son los que permiten alimentar al chip, correspondiendo el último a +V.
En el caso del NE556, el diagrama está duplicado y cada terminal tiene en su nombre el sufijo “A” o “B” según corresponda a uno u otro de los dos NE555 que alberga en su interior. La única salvedad es la de los pines 7 y 14, utilizados para alimentar el integrado, que no se encuentran repetidos.
El NE555 como oscilador astable
Uno de los usos más frecuentes del NE555 es como oscilador astable. En esta configuración, el circuito produce en su pin de salida OUTPUT una onda cuadrada con una amplitud igual a la tensión de alimentación. La duración de los periodos alto y bajo de la señal de salida pueden ser diferentes. El nombre de “astable” proviene de la característica de esta configuración: la salida no permanece fija en ninguno de los dos estados lógicos, sino que fluctúa entre ambos en un tiempo que llamaremos T.
El periodo T de la señal de salida es igual a la suma de los tiempos en estado alto Tm (por “Mark time” en inglés) y bajo Ts (por “Space time”). En general, en lugar de utilizar el tiempo T como parámetro, utilizaremos la frecuencia F de la señal de salida, igual a 1/T.
En la figura 1 podemos ver el esquema de conexión del NE555 para ser utilizado como oscilador astable. Solamente tres componentes adicionales bastan para determinar el periodo T y la relación de tiempos Tm y Ts. Un cuarto componente, el condensador de 0.01 µF, se utiliza únicamente para evitar ruido en el terminal de control.
Los valores de R1, R2 y C1 determinan la temporización de la señal, de acuerdo con las siguientes fórmulas:
T = 0.7 × (R1 + 2R2) × C1
F = 1.4 / ((R1 + 2R2) × C1)
Donde el periodo T se expresa en segundos, la frecuencia F en hercios, los valores de R1 y R2 en ohmios y la capacidad de C1 en faradios.
La relación marca-espacio (Tm y Ts), también conocida como “duty cycle” y muy utilizada a la hora de controlar la velocidad de motores de corriente continua o el brillo de una lámpara, se calcula con las tres fórmulas siguientes:
T = Tm + Ts
Tm = 0.7 × (R1 + R2) × C1
Ts = 0.7 × R2 × C1
Como se deduce de ellas, cuando Tm y Ts necesitan ser iguales (duty cycle del 50%), R2 deberá ser mucho mayor que R1.
Al momento de diseñar nuestro propio oscilador astable con el NE555 debemos elegir primero el valor de C1, que es el que determina el rango de frecuencias a utilizar (ver la figura 2). Luego elegimos R2, considerando que
R2 = 0.7 / (F × C1)
Y por último R1, generalmente un 10% del valor de R2, salvo que necesitemos tiempos Tm y Ts muy diferentes entre sí.
Cuando queramos hacer variable la frecuencia de salida, la mejor opción es reemplazar R2 por un potenciómetro del valor adecuado y una resistencia de al menos 1000 ohmios en serie, para evitar que en un extremo del potenciómetro el valor de R2 sea cero.
Duty cycle y control PWM
Como veíamos antes, el NE555 utilizado como oscilador astable permite el control de dispositivos como motores o lámparas mediante una técnica conocida como PWM (Pulse Wide Modulation) o Modulación por Ancho de Pulso. Como es tan utilizada, merece la pena ver algunas características más asociadas a ella.
La señal presente en el pin 3 se repite continuamente, a menos que se fuerce la salida a 0 V mediante el terminal RESET, conectándolo a una tensión menor a 0.7 V.
Una baja frecuencia de oscilación puede utilizarse para hacer destellar un LED, y una frecuencia un poco más alta (mayor a 20 Hz pero menor a 20 kHz) puede emplearse para hacer sonar un parlante o buzzer conectado al pin 3 y construir así una alarma audible fácilmente.
Volviendo al control PWM, la relación entre Tm y Ts generalmente se expresa como un porcentaje. Si ese porcentaje debe ser igual o mayor al 50%, utilizamos el circuito de la figura 1, como vimos antes, y las fórmulas de la figura 2 nos permiten calcular exactamente su porcentaje.
En el caso de que la relación deba ser menor al 50%, se debe agregar un diodo tipo 1N4148 en paralelo con R2, como se ve en la figura 3, para permitir la circulación de corriente durante el periodo Tm. En este caso, Tm y Ts se calculan como se ve a continuación:
Tm = 0.7 × R1 × C1
Ts = 0.7 × R2 × C1
Duty cycle (con diodo) = Tm / (Tm + Ts) o R1 / (R1 + R2)
Configuración monoestable
Un circuito monoestable recibe ese nombre por permanecer estable en un solo estado: el nivel bajo.
En efecto, si conectamos el NE555 de manera que se comporte como un monoestable (figura 1), su salida permanecerá en estado bajo, salvo en el momento en que reciba una señal en su pin TRIGGER. En ese caso, la salida pasará a nivel alto durante un tiempo T determinado por los valores de R1 y C1, de acuerdo con la fórmula de la figura 2, donde el periodo T se expresa en segundos, R1 en ohmios y la capacidad de C1 en faradios.
Al presionar el pulsador identificado como “trigger”, la salida del NE555 pasará a estado alto hasta que transcurra el tiempo fijado por R1 y C1 o hasta que se presione el pulsador “reset”, lo que ocurra primero. En general, no se desea interrumpir el periodo en que el integrado tiene su salida en nivel alto, por lo que el pulsador conectado al RESET puede no ser necesario.
Como para obtener largos periodos en estado alto (superiores a 10 minutos) se deben utilizar condensadores electrolíticos, que presentan fugas que afectan su confiabilidad, hay que recordar al hacer nuestros diseños que pueden producirse errores de hasta un 20% en los tiempos determinados por R1 y C1.
Es importante aclarar que una vez disparado el monoestable, hasta que no transcurra el tiempo T (o se resetee el temporizador) cualquier actividad en el TRIGGER es ignorada, por lo que un disparo efectuado durante el estado alto de la salida será ignorado.
En algunos casos puede ser deseable que el circuito efectúe un reset automático al ser conectado a la alimentación, o bien que se auto dispare al encender el dispositivo. En esos casos, se puede utilizar un circuito como el de la figura 3, que conectaremos al pin RESET o TRIGGER según corresponda.
Configuración biestable
Otra configuración habitual para el NE555 es la de biestable. En ella, ambos estados, alto y bajo, son estables, y la salida permanece en ellos hasta que se modifican mediante los pines TRIGGER o RESET.
En este caso, al no haber tiempos implicados en ninguno de los dos estados, no hay fórmulas que aplicar.
Simplemente, al aplicar 0 V al pin TRIGGER, la salida pasará a estado alto y permanecerá en él hasta que se desconecte la alimentación o se ponga a 0 V el terminal RESET. En ese caso, la salida se mantendrá en estado bajo hasta una nueva conexión del TRIGGER a 0 V.
El esquema de esta configuración se puede ver en la figura 1.
Tres circuitos de ejemplo
Nuestro primer circuito de ejemplo, el de la figura 1, utiliza un 555 para generar una señal cuadrada que excita al transistor TR1, conectado a un transformador elevador de tensión que permite encender un pequeño tubo fluorescente de 4 vatios con solo 12 V. Este circuito es ideal para alimentarlo con baterías o desde el encendedor del automóvil, para usarlo como luz de emergencia o en actividades al aire libre. Es muy importante mantener las manos lejos de la sección de 230 V del transformador, para evitar descargas desagradables.
La resistencia variable entre los pines 6 y 7 permite ajustar la frecuencia de salida, de forma de obtener el brillo adecuado en el tubo fluorescente. Podemos utilizar un preset, ya que una vez logrado el ajuste óptimo del circuito no necesitaremos volver a tocarlo. Incluso, si se desea, en ese momento se puede reemplazar por una resistencia fija equivalente.
En la figura 2 tenemos un 7555, la versión CMOS del NE555 (que también podría utilizarse aquí), conectado como monoestable. La resistencia que fija el tiempo en el estado alto de la salida se ha reemplazado por un conmutador que permite elegir una de 6 resistencias puestas en serie, de manera que se obtienen temporizaciones que van desde los 5 a los 30 minutos. Por supuesto, el lector podrá cambiar estos valores para obtener tiempos mayores o menores usando las fórmulas que vimos. Un transistor BC109C o equivalente se utiliza para comandar un relé, al que podremos conectar cualquier artefacto eléctrico que queramos controlar con este circuito.
Nuestro tercer circuito de ejemplo (figura 3) consiste en una luz parpadeante construida con 40 diodos LED para utilizar en una bicicleta, como baliza, etc.
El circuito se alimenta con 4 pilas de 1.5 V, y los LEDs, divididos en dos grupos de 20 cada uno, parpadean alternativamente. Como se puede ver, el NE555 está configurado como oscilador astable. La corriente a través de los LEDs está limitada por las resistencias de 100 ohmios, y se utilizaron transistores para poder manejar el consumo de cada rama de LEDs.
En caso de ser necesario, se puede armar este circuito con menos LEDs: por ejemplo, con solo cinco, un grupo de dos en cada rama y el LED que está entre la resistencia de 160 ohmios y el transistor 2N2905.
No dejen de experimentar y crear sus propios diseños, utilizando como base alguno de los ejemplos que comentamos, siempre teniendo a mano las fórmulas de la primera parte del artículo para obtener los tiempos que deseemos.
Para seguir experimentando
Existen miles de aplicaciones posibles para este pequeño circuito integrado. Con esta pequeña guía el lector podrá crear sus propios diseños, ya que generalmente bastará con utilizar alguno de los diagramas presentados a lo largo del artículo y modificar los valores de algunos componentes de acuerdo con las fórmulas enunciadas.
Es muy recomendable comprar un par de NE555, un puñado de resistencias, condensadores y algún potenciómetro, y, usando un protoboard o alguna placa de circuito impreso de las que ya vienen perforadas, realizar experimentos modificando los valores de los componentes y analizando los resultados. No es mala idea conectar un diodo LED entre la salida (pin 3) y 0 V, con una resistencia en serie de unos 470 ohmios, para poder ver en qué estado se encuentra en cada momento. Recordemos que si la frecuencia de oscilación es elevada, probablemente el ojo humano sea incapaz de distinguir si el LED está encendido o apagado; en esos casos puede ser conveniente reemplazarlo por un pequeño parlante.
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