O Circuito Integrado NE 555 (Timer)

Neste texto estarei apresentando o integrado 555 que é um timer (temporizador) de uso geral. Da série os famosinhos da eletrônica ele chegou e veio pra ficar, simples e robusto para diversas aplicações onde se deseje, oscilador, temporizador e mais algumas coisas que ele é capaz de realizar.

O 555 associa um oscilador de relaxação, dois comparadores, um flip-flop RS e um transistor de descarga. Entendendo seu funcionamento, podemos modificá-lo e encontrar novos usos para este CI.

Diagrama de Blocos Interno e Princípio de Funcionamento do Integrado NE 555

Na figura a seguir podemos conferir o diagrama em blocos do NE 555, que foi apresentado pela Signetics Corporation em 1972. Vamos partir deste diagrama e analisar seu funcionamento.

Figura 1 - Diagrama em blocos simplificado do NE 555.

Devemos destacar que o CI tem 8 pinos e todos eles podem ser vistos na Figura 1. Analisando o diagrama, temos que o comparador superior tem uma entrada limiar (pino 6) e uma entrada de controle (pino 5). Na maioria das aplicações, a entrada de controle não é utilizada, de modo que a tensão de controle é igual a +⅔Vcc. Sempre que a tensão de limiar exceder a tensão de controle, o comparador fornece nível alto de tensão na saída, setando o flip-flop.

O coletor do transistor de descarga (pino 7) geralmente é conectado a um capacitor marcador de tempo, de modo que o flip-flop com saída em nível alto (Q = 1) leva o transistor a saturação e o capacitor se descarrega. Um nível baixo na saída do flip-flop (Q = 0) leva o transistor a corte e permite a carga do capacitor.

O sinal complementar de Q (pino 3) é a saída. O pino 4 (reset) quando em nível baixo, ou seja, conectado ao terra, inibe o funcionamento do CI (característica que pode ser útil). Geralmente o pino 4 é conectado diretamente ao +Vcc evitando o desligamento do CI.

Analisando o comparador de baixo. Sua entrada inversora é chamada de disparador (trigger) (pino 2). Devido ao divisor de tensão, a entrada não-inversora tem uma tensão fixa de +⅓Vcc. Quando a tensão de disparo é ligeiramente menor que +⅓Vcc, a saída do AOp sobe e dá um reset no flip-flop.

Finalmente o pino 1 é o terra do CI e o pino 8 a alimentação positiva +Vcc. Na Figura 2 a seguir podemos conferir os pinos do CI NE 555.

Figura 2 - Pinos de conexão NE 555.

Conhecendo os pinos do CI e o que cada um faz basicamente, podemos ver agora alguns modos de operação deste integrado.

Operação Monoestável

A Figura 3 a seguir apresenta o CI conectado em modo de operação monoestável, também conhecido como disparo.

Figura 3 - Modo de operação monoestável.

Neste modo de operação, quando a entrada de disparo é ligeiramente menor que +⅓Vcc, o comparador de baixo tem saída em nível alto e dá reset no flip-flop. Isso leva o transistor ao corte, permitindo que o capacitor carregue. Quando a tensão do capacitor é ligeiramente maior que +⅔Vcc, o comparador de cima tem saída em nível alto, o que ativa (set) o flip-flop. Logo que Q = 1, ele liga o transistor, isso provoca a descarga instantânea do capacitor.

Na Figura 4, podemos conferir as formas de ondas típicas deste modo de operação.

Figura 4 - Tensões típicas do CI 555 em modo monoestável.

A entrada do disparador é um pulso estreito com valor quiescente de +Vcc. O valor deve cair abaixo de +⅓Vcc para o reset do flip-flop e permitir a carga do capacitor. Quando a tensão de limiar exceder ligeiramente +⅔Vcc o flip-flop é setado novamente, saturando o transistor e descarregando o capacitor. Como resultado obtemos um pulso retangular na saída (pino 3).

O capacitor C se descarrega através do resistor R. Quanto maior a constante de tempo 𝜏 =  RC, mais tempo leva para a tensão do capacitor chegar a +⅔Vcc. Em outras palavras a constante de tempo controla a largura do pulso de saída.

A dedução da equação a seguir, que descreve o período de tempo que durará o pulso na saída é feito utilizando análise de circuitos, finalmente temos a seguinte equação:

T = 1,1RC [seg]

Ela nos fornece o tempo em que a saída permanece em nível alto de tensão, quando o disparo for acionado.

Note que o pino 5 (controle) é conectado ao terra através de um capacitor de 0,01𝜇F, o capacitor tem a função neste caso de filtrar ruídos da tensão de controle. Geralmente se usa neste pino capacitores com valores pequenos.

Basicamente o que a operação em modo monoestável faz é gerar um pulso na saída, toda vez que o disparo for levado a +⅓Vcc.

Pode parecer simples, mas, este modo de operação tem inúmeras aplicações práticas.

Operação Astável

A Figura 5 a seguir apresenta a conexão dos componentes ao CI 555 para operação em modo astável, também chamado de percurso livre.

Figura 5 - Modo de operação astável.

Neste modo de operação do 555 inicialmente o capacitor C está descarregado, logo isso significa que a tensão de disparo é menor que +⅓Vcc isso mantêm o transistor em corte, permitindo que o capacitor C se carregue através de uma resistência RA + RB. A constante de tempo de carga nesta etapa é 𝜏 = (RA + RB)C. A medida que o capacitor se carrega, a tensão de limiar aumenta. Eventualmente, a tensão de limiar ultrapassa +⅔Vcc. Então o comparador superior dá set na entrada do flip-flop fazendo com que o transistor sature e o capacitor feche a malha com o terra, logo, ele se descarrega através do resistor RB. Tendo agora constante de tempo igual a 𝜏 = RBC. Quando a tensão do capacitor cai ligeiramente abaixo de +⅓Vcc o flip-flop é resetado e o ciclo se repete.

Na Figura 6 a seguir podemos conferir os principais sinais na operação astável descrita acima.

Figura 6 - Sinais típicos na operação astável.

Como podemos observar da Figura 6, o capacitor carrega e se descarrega exponencialmente. A saída é periodicamente retangular. Esse tipo de saída também é chamado de trem de pulsos, pois temos repetidos pulsos de mesma largura na mesma frequência. Notamos obviamente assimetria no sinal de saída. Isso pode ser explicado pelo ciclo de trabalho, ou seja, quanto de tempo a saída permanece em nível alto. Que pode ser medido em percentual.

ton = DT ou melhor D = (ton/T)x100%

Onde D é chamado de duty-cicle (ciclo ativo), ou seja, o percentual do período em que a saída é nível alto de tensão.

Para este modo de operação a análise matemática do circuito nos revela que o tempo em nível alto da saída é dado por:

ton = 0,7(RA + RB)C [seg]

e o tempo em que a saída permanece em nível lógico baixo é dado por:

toff = 0,7(RB)C [seg]

Sabemos que f = 1/T, logo, se somarmos os tempos acima (T = ton + toff), deveremos obter a seguinte equação que estabelece a frequência de oscilação da tensão de saída:

f = 1,44 / (RA+2RB)C [Hz]

Com as três equações acima podemos caracterizar e determinar um oscilador em modo astável com o CI 555. Este tipo de circuito tem inúmeras aplicações em diversos circuitos eletrônicos.

Foi exposto aqui um pouco sobre a teoria do CI 555, um excelente integrado, sua concepção em projetos eletrônicos ajudou na melhora de circuitos osciladores principalmente quando desejamos um trem de pulsos. Obviamente sua pequena estrutura física com oito terminais diminui consideravelmente o espaço utilizado em uma PCB. E sua facilidade de projeto é excepcional.

Espero que tenham gostado do tema abordado, em breve muitos outros CI's estarão sendo comentados aqui no blog.

Obrigado por nos acompanhar e até a próxima!

Referências utilizadas:

➤ Dispositivos Eletrônicos e Teoria dos Circuitos - Boylestad, Robert L. Nashelsky, Louis.

➤ Eletrônica vol. 2 - Malvino, Alert Paul.

➤ Instituto Newton C. Braga