O circuito integrado 555 (ART011)

Pela utilidade do circuito integrado 555, este artigo é um dos mais acessados deste site. Nele explicamos quase tudo (pois tudo que ele pode fazer é impossível de descrever) sobre o funcionamento e utilidades do mais popular detodos os circuitos integrados usados atualmente. O circuito integrado 555 foi criado originalmente para funcionar como timer e oscilador de uso geral. No entanto, esse circuito integrado se mostrou tão versátil, que milhares de aplicações foram criadas e continuam criadas ainda hoje, quando já se anuncia que ele vendeu mais de 1 bilhão de unidades. Assim. quando se pensa em qualquer projeto em que a geração de formas de onda é necessária, retardos, temporizações ou o disparo de dispositivos a partir de sinais de todos os tipos o componente que em primeiro lugar vem à cabeça do projetista é o 555. Este artigo dá apenas uma breve idéia do que se pode fazer com este componente fabuloso.

 

Com mais de 1 bilhão de unidades vendidas, o circuito integrado 555 provavelmente é o mais importante componente dessa família, de todos até hoje lançados no mundo. Com versões CMOS e de baixa tensão, esse componente é insuperável quando se deseja uma temporização até 1 hora ou geração de pulsos de duração constante, ou ainda em aplicações em que precisam ser gerados sinais retangulares de até 500 kHz.

 


O CIRCUITO INTEGRADO 555
O circuito integrado 555 consiste em um timer de uso geral que pode operar tanto na configuração astável quanto monoestável. A pinagem básica deste CI é mostrada na figura 1

Figura 1 – Pinagem do 555.


Embora exista uma versão antiga com invólucro de 14 pinos, ela dificilmente é encontrada em nossos dias. Uma versão importante do 555 é o duplo 555 conhecido como 556, cuja pinagem é vista na figura 2.

 


Figura 2 - Pinagem do 556 – Duplo 555.



Na prática, os fabricantes acrescentam prefixos para identificar os seus 555, e denominações como LM555, NE555, µA555 e outras são comuns. Temos ainda versões "diferentes" do 555 que empregam tecnologias mais avançadas que a tradicional linear. Assim, um primeiro destaque é o 555 CMOS, também especificado como TL7555 ou TLC7555, e que se caracteriza por poder operar com tensões menores que o 555 comum, ter menor consumo e alcançar freqüências mais elevadas. Na figura 3 temos um diagrama simplificado das funções existentes no circuito integrado 555.

 

 


Figura 3 – Diagrama interno de blocos do 555.

 


Esses blocos podem ser usados de duas formas básicas (que serão analisadas em pormenores), as quais são astável (free running) e monoestável (pulso único). Na versão astável, o circuito opera como oscilador gerando sinais retangulares disponíveis na saída do pino 3. Na versão monoestável, o circuito gera um pulso retangular único ao ser disparado externamente. As características principais do 555 são:


Características: (*)
Faixa de Tensões de Alimentação: 4,5 - 18 V
Corrente máxima de saída: +/- 200 mA
Tensão de limiar típica com alimentação de 5 V: 3,3 V
Corrente de limiar típica: 30 nA
Nível de disparo típico com alimentação de 5 V: 1,67 V
Tensão de reset típica: 0,7 V
Dissipação máxima: 500 mW
Corrente típica de alimentação com 5 V: 3 mA
Corrente típica de alimentação com 15 V: 10 mA
Tensão típica de saída no nível alto com 5 V de alimentação (Io = 50 mA): 3,3 V
Tensão típica de saída no nível baixo com 5 V de alimentação (Io = 8 mA): 0,1 V

(*) As características dessa tabela são dadas para o NE555 da Texas Instruments, podendo variar levemente para CIs de outros fabricantes ou ainda com eventuais sufixos indicando linhas especiais.


CONFIGURAÇÕES
O circuito integrado 555 pode ser empregado em duas configurações básicas, astável e monoestável, que analisamos a seguir:


a)Astável

Na figura 4 temos o circuito básico do 555 na configuração astável.


Figura 4 – 555 na configuração astável.

 


Esse circuito pode gerar sinais de 0,01 Hz a 500 kHz e os valores limites para os componentes usados são:

R1, R2 = 1k a 3,3 Mohms
C = 500 pF a 2 200 µF


A freqüência de oscilação é dada por:

f = 1,44 /[(R1 + 2R2) C]


Onde:
f é a freqüência em hertz
R1 e R2 são os valores dos resistores em Ohms
C é a capacitância em farads.

O tempo em que a saída permanece no nível alto é dado por:

th = 0,693 x C (R1 + R2)

O tempo em que a saída permanece no nível baixo é dado por:

tl = 0,693 x R2 x C


Veja que, nessa configuração, o ciclo ativo não pode ser 50% em nenhum caso, pois o tempo de carga do capacitor é sempre maior que o tempo de descarga. Para se obter ciclos ativos menores existem configurações em que os percursos das correntes de carga e descarga são alterados, mas nesse caso, não vale o programa do CD para cálculo de freqüência.

Também é importante observar que a carga e descarga do capacitor permitem a obtenção de uma forma de onda dente-de-serra sobre esse componente, conforme ilustra a figura 5.

 

Figura 5 – Formas de onda no circuito.

 


Evidentemente, trata-se de um ponto do circuito em que esse sinal é de alta impedância e, portanto, não pode ser usado diretamente para excitar cargas de maior potência.


b)Monoestável
Na configuração monoestável, quando a entrada de disparo (pino 2) é momentaneamente levada ao nível baixo, a saída (pino 3) vai ao nível alto por um intervalo de tempo que depende dos valores de R e de C no circuito da figura 6.

 

 

Figura 6 – Carga com capacitores de diversos valores e com fuga.

Os valores limites recomendados são:
R - 1 k a 3,3 Mohms
C - 500 pF a 2 200 µF

Esse tempo também pode ser calculado pela fórmula:

T = 1,1 x R x C


Onde:
T é o tempo em segundos
R é a resistência em ohms
C é a capacitância em farads

Com os elementos fornecidos, o leitor poderá criar seus próprios projetos usando o 555 a partir dos circuitos aplicativos que damos a seguir.


APLICAÇÕES
A seguir, damos uma série de circuitos básicos que podem ser utilizados para gerar sinais em alarmes, produzir sinais de áudio, proporcionar temporizações até pouco mais de uma hora, detectar ausência de pulsos e muito mais.


1.Oscilador de Áudio Básico
Na figura 7 mostramos o circuito de um oscilador de áudio básico que excita um alto-falante ou transdutor.

 


Figura 7 –Oscilador de áudio com dois tipos de saída.


A freqüência pode ser ajustada numa faixa de 1:10 no potenciômetro e está basicamente determinada pelo valor do capacitor usado.

Para a excitação de um pequeno transdutor piezoelétrico de alta impedância ou uma cápsula de fone, pode-se usar diretamente a saída do pino 3. No entanto, para uma carga de baixa impedância como um alto-falante, deve ser usado um transistor excitador. Para tensões acima de 6 V o transistor deverá ser montado em um radiador de calor.


2.Pisca-Pisca/Metrônomo
Com a utilização de um capacitor acima de 1 µF temos a produção de pulsos intervalados e o circuito pode ser usado como um metrônomo, ou ainda excitar uma lâmpada num pisca-pisca conforme exemplo da figura 8.

 

Figura 8 – Excitação de carga com transistor PNP. Aciona no nível baixo da saída.


Lâmpadas de até 500 mA podem ser excitadas com o uso de transistores como o BD136 ou TIP32, e de maiores potências com o uso de transistores de efeito de campo de potência apropriados.



3.Inversor
Na figura 9 indicamos como ligar o 555 num pequeno transformador de alta tensão para gerar tensão suficiente para acender uma pequena lâmpada fluorescente, ou mesmo fazê-la piscar (com a operação em freqüência menor). Esse mesmo circuito pode ser utilizado para gerar estímulos num excitador de nervos.

 


Figura 9 – Circuito inversor que, na realidade, pode ser considerado uma fonte chaveada de alta tensão.

 


O transistor tanto pode ser bipolar PNP quanto um transistor de efeito de campo de potência, devendo ser dotado de um radiador de calor, se a alimentação for feita com mais de 6 V. A freqüência de operação é ajustada em P1 e deve ser escolhida de acordo com as características do transformador para resultar em um maior rendimento na transferência de energia.


4.Oscilador Modulado em Freqüência
O pino 5 do circuito integrado 555 pode ser usado para se controlar o ciclo ativo dos sinais na configuração astável e assim proporcionar uma modulação de freqüência. Na figura 10 mostramos como montar uma sirene básica com dois circuitos integrados 555, onde temos a modulação de freqüência feita pelo sinal de baixa freqüência de um dos osciladores.

 

Figura 10 – Uma sirene modulada em frequência utilizando dois circuitos integrados 555.

 


Nesse circuito, CI1 gera um sinal de baixa freqüência que é determinado basicamente pelo capacitor C1 e pelo ajuste de P1.Esse sinal é aplicado ao pino 5 de modulação atuando diretamente sobre a freqüência gerada por CI2. Em CI2 a freqüência é ajustada por P2 e pelo valor de C2. O resistor R3 determina a "profundidade" da modulação, ou seja, a amplitude da variação da freqüência gerada pelo segundo oscilador (CI2).
Etapas de potência como a observada no oscilador básico podem ser usadas para aplicar o sinal gerado pelo circuito a um transdutor ou ainda a um alto-falante.

5.Oscilador Intermitente
Acionamento intermitente de relé ou outras cargas em intervalos regulares, efeitos de som e aplicações intermitentes podem ser obtidas com o circuito ilustrado na figura 11.

 

Figura 11 – Neste circuito o relê abre e fecha seus contatos de modo intermitente, isso em intervalos regulares ajustados por P1.

 


Nesse circuito, o primeiro oscilador controla o segundo através de seu pino de Reset de modo a ligá-lo e desligá-los em intervalos regulares. O modo de acionamento e, portanto, a freqüência do efeito de intermitência é determinado por C1 e ajustado por P1. No exemplo, são dados valores típicos de componentes para acionamentos que vão de alguns segundos a mais de 15 minutos. A freqüência do segundo oscilador é ajustada em P1 e determinada basicamente por C2, que também tem os valores típicos para a faixa de áudio mostrados na figura. É importante observar que os valores de C1 devem ser bem maiores que os de C2 para que os ciclos de funcionamento do segundo oscilador possam ser encaixados em cada ciclo do primeiro, conforme ilustra a figura 12.

 

Figura 12 – Formas de onda no circuito em função de C1 e C2.

 


A carga depende da aplicação: podemos utilizar simples transdutores sonoros para aplicações onde sinais intermitentes de áudio devam ser gerados, até relés ou outras cargas de corrente contínua, com o uso da etapa excitadora apropriada. Um relé intermitente que abre e fecha um determinado número de vezes e depois entra em repouso por um tempo maior, para depois voltar a ter o mesmo ciclo de funcionamento, é uma aplicação possível para esse circuito.


6.Alterando o Ciclo Ativo
Conforme vimos, o ciclo ativo do circuito básico que emprega o 555 tem o tempo no nível alto dado pela soma dos valores dos dois capacitores usados e o tempo no nível baixo dado pelo segundo capacitor. Isso faz com que o tempo no nível alto seja sempre maior do que no nível baixo, tendendo a um ciclo ativo mínimo de 50 % quando R2 tem seu valor mínimo e R1 seu valor máximo, observe a figura 13.

 

Figura 13 – Trabalhando com o ciclo ativo.

 


Uma forma de se obter um ciclo ativo de menos de 50% para o acionamento de uma carga é trabalhar com a excitação no nível baixo, o que fazemos quando a carga é ativada por um transistor PNP. Entretanto, há uma outra forma de se obter um ciclo ativo menor que 50% sem precisarmos inverter o sinal de saída com um transistor PNP.
Isso pode ser conseguido com o uso de diodos para se obter um percurso separado para a carga e descarga do capacitor, conforme mostra a figura 14.

 

Figura 14 – Obtendo ciclos ativos menores do que 50%.

 


Nesse circuito, a carga do capacitor e portanto o tempo no nível alto depende apenas de R1, enquanto que a descarga depende apenas de R2. Assim, em lugar das fórmulas para o cálculo no nível alto da configuração tradicional, temos:

th = 0,693 x R1 x C

tl = 0,693 x R2 x C

E, para a freqüência:

f = 1,44/[(R1 + R2)xC]


Onde:
f é a freqüência em hertz
th é o tempo no nível alto em segundos
tl é o tempo no nível baixo em segundos
R1 e R2 são as resistências do circuito em ohms
C é o valor do capacitor em farads.

Para se obter um ciclo ativo ajustável, podemos empregar um potenciômetro ou trimpot na configuração exibida na figura 15.

 

Figura 15 – Circuito com ciclo ativo ajustável.



Se bem que o programa dado para calcular os elementos dessa configuração no CD não seja válido, lembramos que os valores limites para os componentes são os mesmos da configuração tradicional.

 


7.Temporizador Simples
Na figura 16 temos um circuito básico de timer que mantém um relé acionado (ou outra carga de corrente continua) por um intervalo de tempo que pode ser ajustado entre alguns segundos até mais de meia hora no potenciômetro P1.

 

Figura 16 – Um temporizador ajustável.

 


Uma vez ajustado o tempo em P1, pressiona-se o interruptor S1 por um instante para levar a saída do 555 ao nível alto e assim obter-se o atracamento do relé ou alimentação da carga de coletor do transistor.
O tempo máximo que se pode obter desse tipo de circuito depende basicamente das fugas do capacitor eletrolítico C1.

São estas fugas que determinam o seu valor máximo. Quando as fugas atingem um valor que forma com P1 um divisor de tensão cuja tensão aplicada aos pinos 6 e 7 caia abaixo do ponto de disparo, o circuito não desliga mais e se mantém constantemente disparado. É importante que o capacitor colocado nesse temporizador seja um tipo de excelente qualidade para que problemas de fugas não afetem o seu funcionamento.

Outro problema relacionado ao capacitor está na carga residual. Uma vez utilizado o temporizador, na vez seguinte em que ele for disparado, não teremos o mesmo intervalo de tempo ajustado, pois sempre resta uma carga residual no capacitor a partir da qual ele inicia a carga de temporização. Esta carga afeta sensivelmente a precisão de um temporizador que use o 555.


8.Temporizador Duplo
Na figura 17 temos uma configuração muito interessante para aplicações em automatismos de todos os tipos.

 

Figura 17 – Diagrama do temporizador duplo.

 


Trata-se da possibilidade de realizarmos uma dupla temporização em que, ao pressionarmos S1, o primeiro CI determina o intervalo de tempo inicial, depois do qual o relé usado como carga será acionado. Quando o relé for acionado, o intervalo de tempo de tempo em que ele ficará atracado dependerá do segundo CI. Assim, temos uma curva de operação conforme vista na figura 18.

 

Figura 18 – Diagrama de tempos do circuito da figura 17.

 


Nessa curva, t1 é o intervalo de tempo que decorre entre o pressionar de S1 e o acionamento do relé. t2 é o tempo em que o relé fica acionado. Os valores de C1 e C3 determinam t1 e t2 e seus valores limite são os indicados na aplicação tradicional. Trimpots em série com esses capacitores podem ser empregados para ajustes finos do tempo de acionamento de cada uma das etapas com o 555.Podemos ir além com a utilização dessa idéia agregando diversos 555 em série para um acionamento seqüencial, conforme mostra a figura 19.

 

Figura 19 – Circuito de acionamento sequencial utilizando três circuitos integrados 555.

 


Os tempos de acionamento de cada saída numa seqüência são determinados pelos capacitores associados aos pinos de disparo e ajustados nos trimpots em série com esses elementos.


9.Sensor Foto-Elétrico
O circuito integrado 555 pode ser disparado pelo aterramento momentâneo do pino 2. Como esse pino tem uma elevada impedância de entrada, diversos tipos de sensores podem ser usados com circuitos adicionais simples para fazer o seu disparo. Uma possibilidade interessante é o disparo por foco de luz, em um sensor foto-elétrico que pode ser usado em aplicativos industriais tais como alarmes de passagem, de presença de objetos e muito mais. O circuito sugerido é apresentado na figura 20.

 

Figura 20 – Sensor fotoelétrico com o 555. Acionamento por LDR.

 


Quando um foco de luz incide no LDR o transistor conduz, e com isso a entrada de disparo do 555 é levada ao nível baixo por um instante, disparando a configuração monoestável. A saída do 555 vai, então, ao nível alto por um intervalo de tempo que depende de R e de C, da forma que já vimos e que pode ser calculada pelo aplicativo no CD. Veja que, mesmo depois que o pulso de luz aplicado no sensor desaparecer, o relé ligado como carga permanecerá ativado. Para termos o acionamento com o corte de luz basta inverter o modo de ligação do sensor, observe a figura 21.

 

Figura 21 – Circuito para acionamento pelo corte momentâneo da luz que incide no LDR.

 


Nesse circuito, quando a luz é cortada no LDR por um instante, o transistor conduz colocando o nível baixo no pino de disparo do 555 ligado na configuração monoestável. Nos dois circuitos o ajuste da sensibilidade é feito pelo trimpot. Para se obter maior sensibilidade e diretividade para o acionamento do circuito, o sensor deve ser montado em um tubo opaco com uma lente convergente. Na figura 22 mostramos o posicionamento do sensor em relação ao foco da lente, para se obter maior sensibilidade e seletividade.

 

Figura 22 – Utilizando uma lente para aumentar a sensibilidade e obter maior diretividade.

 


Filtros de cores podem ser colocados para a detecção seletiva de luz em aplicações que exijam mais de um canal de operação. Nesses circuitos, com o uso de trimpots de valores maiores podem ser usados fototransistores e até fotodiodos. A sensibilidade obtida dependerá das características dos componentes usados. É importante observar que os fototransistores e fotodiodos são muito mais rápidos do que os LDRs na detecção de pulsos ou cortes de luz de curtíssima duração.


10.Detector de Ausência de Pulso
Uma aplicação importante do 555 em automatismos, transmissão de dados e controles remotos é o detector de ausência de pulsos. O que esse circuito faz é detectar quando um ou mais pulsos (numa seqüência que deve ser mantida constante), faltam. Em um sistema de segurança ou monitoramento de funcionamento de uma máquina, o detector de ausência de pulso pode acusar imediatamente quando ocorre uma interrupção em um elo de proteção ou ainda quando acontece uma situação em que o trem de pulsos de controle falha. A vantagem do sistema é o uso de pulsos numa freqüência que possibilita a proteção de áreas muito grandes, ou ainda o envio de sinal a uma estação muito distante, pois ele opera por freqüência e não por intensidade do sinal. Na figura 23 temos a configuração básica do 555 recomendada para essa aplicação.

 

Figura 23 – Detector de ausência de pulso.

 

A constante de tempo RC, que pode ser calculada pelo programa da configuração monoestável do CD, deve ser maior do que o intervalo entre dois pulsos transmitidos, mas menor do que dois intervalos sucessivos (para se detectar a ausência de um pulso). A transmissão dos pulsos pode ser feita com a ajuda de um outro 555 na configuração estável. Como a entrada do circuito é de alta impedância, a distância entre o transmissor e o detector pode ser muito grande. As formas de onda para essa aplicação são exibidas na figura 24.

 

Figura 24 – Sinal gerado quando o circuito detecta a falta de um pulso.

 



11. Divisor de Freqüência
Uma outra aplicação pouco conhecida para o circuito integrado 555 é como divisor de freqüência. Conforme podemos ver pela figura 25, o 555 é ligado como monoestável e o sinal retangular até 500 kHz cuja freqüência queremos dividir, é aplicado ao pino 2 de disparo.

 

Figura 25 – Divisor de frequência sincronizado.

 


A constante de tempo do circuito deve então ser calculada (usando a opção monoestável do programa) para ter um valor que corresponda a duas, três ou quatro vezes o período do sinal de entrada. Nessas condições, aproveitando o disparo no final de cada ciclo de temporização, temos a divisão da freqüência de entrada por esses valores.


12. Modulação de Posição de Pulso (PPM)
Pulse Position Modulation ou PPM é uma aplicação interessante para o circuito integrado 555 conectado na configuração astável. Na figura 26 mostramos o circuito. As formas de onda obtidas com o 555 usado nessa aplicação são pulsos .cuja separação varia conforme o sinal de entrada.

 

Figura 26 – Circuito 555 como PPM.

 


CONCLUSÃO
O que vimos até aqui é apenas uma pequena parcela do que pode ser feito com base no circuito integrado 555 e suas versões de menor consumo e menor tensão. Trabalhando com o ciclo ativo, com a entrada de modulação e de reset, o leitor imaginoso poderá criar aplicações que, de outra forma, exigiriam circuitos dedicados muito mais caros e complexos. Aproveitar o potencial de um circuito integrado que pode ser encontrado com facilidade e a um custo muito baixo, pode ser muito importante quer seja nos projetos de uso pessoal quer seja nos projetos industriais.

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