timer 555 e circuiti di impiego

37 Pages·2012·0.2 MB·Italian

TIMER 555 E CIRCUITI DI IMPIEGO

A CURA DEL PROF. GIANCARLO FIONDA
I.T.I.S. “A. MONACO” - COSENZA

INDICE

Timer 555 e circuiti di impiego ……………………………………………………………....Pag. 1

Multivibratore astabile col timer 555 ………………………………………………………...Pag. 2

Multivibratore monostabile col timer 555 ………………………………...…………….……Pag. 4

Criteri di progetto …………………………………………………………………………….Pag. 6

Progetto e verifica di un multivibratore astabile a frequenza fissa con timer 555 …………...Pag. 8

Progetto e verifica di un multivibratore astabile a frequenza fissa con timer 555
e taratura del duty-cycle al 50% ……………………………………………………………...Pag. 10

Progetto e verifica di un multivibratore astabile con duty-cycle regolabile ……………...…..Pag. 14

Altro multivibratore astabile con duty-cycle regolabile …………………………………........Pag. 20

Progetto e verifica di un multivibratore monostabile ………………………………..………..Pag. 22

Generatore di segnale a dente di sega ………………………………………………………...Pag. 27
TIMER 555 E CIRCUITI DI IMPIEGO

Il timer 555 è un circuito integrato temporizzatore a 8 pin. Il suo schema interno funzionale è il
seguente:

GND 1 8 V
CC

V 2 5 7 Scarica
t
5
Out 3 6 V
5 s
Reset 4 5 Vcxh

Il partitore di tensione resistivo R-R-R fornisce le tensioni di riferimento ai comparatori di trigger
(V /3) e di soglia (2V /3). Se si inserisce tra il pin 5 (V ) e massa una resistenza si ottiene una
CC CC ch
tensione di riferimento nel comparatore di soglia minore di 2V /3 (e una tensione di riferimento
CC
nel comparatore di trigger minore di V /3.
CC
Se non utilizzato, tra pin 5 e massa si inserisce un condensatore di 10ηF, al fine di cortocircuitare
eventuali disturbi presenti sull’alimentazione.
Le uscite dei due comparatori sono applicate in ingresso ad un flip-flop SR. L’uscita Q del FFSR è
collegata alla base di un transistor e all’ingresso di un buffer invertente che fornisce la tensione
d’uscita. Quando l'uscita Q si trova a livello basso il transistor è interdetto (il piedino 7 è un
circuito aperto) e la tensione d’uscita è a livello alto (V ). Quando l'uscita Q si trova a livello alto
CC
il transistor è saturo (il piedino 7 è un cortocircuito verso massa) e la tensione d’uscita è a livello
basso (0V). Il buffer d’uscita è in grado di erogare una corrente massima di 200mA; la tensione di
alimentazione può variare da 5V a 15V.
Il funzionamento del circuito può riassumersi nel seguente modo:

⎧V = 0 ⎧R =0 ⎧Q =1
o1 ⎧V = V
⎪ ⎪ ⎪ ⎪ o CC
Se V ,V < V 3 ⇒ ⎨ ⇒ ⎨ ⇒ ⎨ ⇒ ⎨
t s CC
Vt<VCC 3 e VCC 3<Vs<2VCC 3 ⎪⎩Vo2 = Vo2H ⎪⎩S=1 ⎪⎩Q =0 ⎪⎩TR interdetto
1
⎧V = V ⎧R =1 ⎧Q = 0
o1 o1H ⎧V =0
⎪ ⎪ ⎪ ⎪ o
Se V ,V > 2V 3 ⇒ ⎨ ⇒ ⎨ ⇒ ⎨ ⇒ ⎨
t s CC
Vs>2VCC 3 e VCC 3<Vt<2VCC 3 ⎪⎩Vo2 =0 ⎪⎩S=0 ⎪⎩Q =1 ⎪⎩TR saturo

⎧V =0 ⎧R =0
o1
⎪ ⎪
Se V 3< V ,V < 2V 3 ⇒ ⎨ ⇒ ⎨ ⇒ stato precedente
CC t s CC
⎪ ⎪
V =0 S=0
⎩ ⎩
o2

ASTABILE COL TIMER 555

Il multivibratore astabile è un circuito in grado di generare una forma d'onda rettangolare, senza
segnale applicato in ingresso. Lo schema elettrico è il seguente:

V
CC
8 4
R
A
Alim Res 7
Dis

3
V Out R
o B
6
V
S
2

V GND V
ch t

5 1 C

10ηF

Supponendo il condensatore C inizialmente scarico, al momento dell’alimentazione del circuito, gli
ingressi di trigger e di soglia in tale istante vengono cortocircuitati a massa dal condensatore
(differenza di potenziale ai suoi capi nulla, i due terminali sono equipotenziali).

Vo , VC
V
CC
transitorio T T
L H
iniziale
2V /3
CC
V
C
V /3
CC

0 t t t
1 2

Le tensioni sull’ingresso di trigger e di soglia, V e V , che coincidono con la tensione istantanea
t s
V del condensatore, sono minori di V /3; pertanto, l’uscita V del timer si trova a livello alto
C CC o
(V ) e il transistor è interdetto (piedino 7 circuito aperto). Il condensatore si carica attraverso la
CC
serie delle resistenze R ed R , con costante di tempo τ = (R + R )C, verso V . Quando la
A B C A B CC
tensione V , e quindi anche le tensioni V e V , raggiunge, istante t = 0, il valore 2V /3 si ha la
C t s CC
commutazione dell’uscita dal livello alto V al livello basso 0V e il transistor si porta in
CC
saturazione, cortocircuitando il piedino 7 a massa.
2
Da tale istante la capacità inizia a scaricarsi, partendo dalla tensione 2V /3, attraverso la resistenza
CC
R e il transistor saturo, con costante di tempo τ = R C, verso massa. All’istante t = t la tensione
B S B 1
V , e quindi anche le tensioni V e V , raggiunge il valore V /3 in corrispondenza del quale si ha
C t s CC
la commutazione dell’uscita dal livello basso 0V al livello alto V e l’interdizione del transistor,
CC
che scollega dalla massa il piedino 7.
Da tale istante la capacità inizia a caricarsi, partendo dalla tensione V /3, attraverso la serie delle
CC
resistenze R ed R , con costante di tempo τ = (R + R )C, verso V . All’istante t = t la tensione
A B C A B CC 2
V , e quindi anche le tensioni V e V , raggiunge il valore 2V /3 in corrispondenza del quale si ha
C t s CC
la commutazione dell’uscita dal livello alto V al livello basso 0V e il transistor si porta in
CC
saturazione, cortocircuitando il piedino 7 a massa.
Da questo instante in poi il ciclo si ripete identicamente, fornendo in uscita un’onda rettangolare, la
cui durata a livello alto è sempre maggiore di quella a livello basso.
Sommando i due tempi T e T si ottiene il periodo:
H L

T = T + T .
H L

T
Si definisce duty cycle (ciclo utile) a livello alto (D ) il rapporto tra T e T: D = H >50%
H H H T

T
Si definisce duty cycle (ciclo utile) a livello alto (D ) il rapporto tra T e T: D = L <50%
L L L T

In genere viene indicato come duty cycle D quello a livello alto.
Per calcolare il periodo occorre calcolare, utilizzando l’equazione di carica e scarica del
t
( ) −
condensatore V (t) = V + V −V ⋅e τ, T e T .
C f i f H L

Calcolo di T
L

Si scrive l’equazione di scarica del condensatore e si impone che al tempo t = t = T la tensione
1 L
V (t) ai capi del condensatore abbia raggiunto il valore V /3:
C CC

t T T
2 − 2 − L 1 − L 1
V (t) = V ⋅e τS ⇒ V (t )= V ⋅e τS = V ⇒ e τS = ⇒
C 3 CC C 1 3 CC 3 CC 2
T 1 1
⇒ − L =ln ⇒ T = −τ ln = τ ln2=0,7τ = 0,7R C
τ 2 L S 2 S S B
S

Calcolo di T
H

Poiché l’equazione di carica è valida se il transitorio inizia al tempo t = 0, bisogna considerare
come istante iniziale il tempo t = t , ossia fare una traslazione dell’ordinata in t , il che equivale a
1 1
passare dalla variabile tempo t alla variabile tempo t − t .
1
Si scrive l’equazione di carica del condensatore e si impone che al tempo t = t (t − t = T ) la
2 2 1 H
tensione V (t) ai capi del condensatore abbia raggiunto il valore 2V /3:
C CC

t−t T
⎛1 ⎞ − 1 2 − H 2
V (t−t )= V +⎜ V −V ⎟⋅e τC ⇒ V (t −t )= V (T )= V − V ⋅e τC = V ⇒
C 1 CC ⎝3 CC CC⎠ C 2 1 C H CC 3 CC 3 CC
3
T
− H 1 T 1 1
⇒ e τC = ⇒ − H =ln ⇒ T = −τ ln = τ ln2= 0,7τ =0,7(R +R )C
2 τ 2 H C 2 C C A B
C

Per il periodo T e il duty cycle D si ha:

( ) ( )
T = T +T = 0,7 R +R C+0,7R C =0,7 R +2R C
H L A B B A B

( )
T 0,7 R +R C R +R
D = H = A B = A B >50%
( )
T 0,7 R +2R C R +2R
A B A B

MULTIVIBRATORE MONOSTABILE CON TIMER 555

Il multivibratore monostabile genera un impulso rettangolare d’uscita di durata prefissata quando
viene sollecitato da un impulso esterno sull’ingresso di trigger.

V
CC

8 4

R
Alim Res RA
3
V Out
o
7
C Dis
i
V V 2 V 6
iD t t
Vi VS
D V GND
i ch
R
i
R 5 10ηF 1 C

V
i
VCC/3
t
ViD

t

V
t
V /2
CC

t
V , V
o C
VCC
T
2V /3
CC

V
C

t t t
o 1
4
Il monostabile ha un solo stato stabile, nel nostro caso l'uscita si mantiene sempre a livello basso
(0V) finché non arriva un impulso dall’esterno (attraverso un opportuno circuito derivatore) sul
piedino 2 tale da portare la sua tensione al di sotto di V /3. Infatti, il partitore resistivo posto tra
CC
V e massa mantiene la tensione di trigger V al valore V /2; tale situazione forza l’uscita a
CC t CC
livello basso (0V) e il transistor saturo mantiene la tensione del condensatore V e la tensione
C
dell’ingresso di soglia V a zero volt.
S
Quando un impulso esterno sul piedino 2 porta la tensione di trigger al di sotto di V /3, l’uscita
CC
commuta dal livello basso 0V a livello alto V , il transistor si interdice e il condensatore inizia a
CC
caricarsi, con costante di tempo τ = R C, verso la tensione di alimentazione V .
A CC
Tale carica dura un tempo T, pari al tempo che la tensione ai capi del condensatore impiega a
raggiungere il valore 2V /3, in corrispondenza del quale l’uscita commuta dal livello alto V al
CC CC
livello basso 0V e il transistor si satura cortocircuitando a massa il condensatore, che si scarica
quasi istantaneamente.
Per calcolare la durata T dell’impulso, si utilizza l’equazione di carica del condensatore, in cui si
impone che dopo intervallo di tempo T abbia raggiunto il valore 2V /3, al quale si ha la
CC
commutazione dell’uscita al livello basso.
Si considera come istante iniziale il tempo t = t , ossia si fa una traslazione dell’ordinata in t , il che
o o
equivale a passare dalla variabile tempo t alla variabile tempo t − t .
o
Si scrive l’equazione di carica del condensatore e si impone che al tempo t = t (t − t = T) la
1 1 o
tensione V (t) ai capi del condensatore abbia raggiunto il valore 2V /3:
C CC

−t−to ( ) −t1−to 2
V (t) = V −V ⋅e τ ⇒ V t = V −V ⋅e τ = V ⇒
C CC CC C 1 CC CC 3 CC

−T 1 T 1 1
⇒ e τ = ⇒ − =ln ⇒ T = −τln = τln3=1,1τ=1,1R C
3 τ 3 3 A

Il tempo di recupero è trascurabile, essendo la scarica del condensatore quasi istantanea.

Per un corretto funzionamento dei circuiti deve risultare: R ≥ 1kΩ ; C ≤ 500µF. Inoltre:
A

− se V = 15V ⇒ R + R ≤ 10MΩ;
CC A B

− se V = 5V ⇒ R + R ≤ 3,4MΩ.
CC A B

l’uscita può essere utilizzata per un funzionamento normalmente alto o normalmente basso, a
secondo di come viene collegato il carico.

V V
CC CC
8
8

R 3
L

R
L

3 1
1

Uscita normalmente alta Uscita normalmente bassa
5
CRITERI DI PROGETTO

Astabile

Si fissa la frequenza f e il duty-cycle D. dall’espressione del duty-cycle si esplicita R in funzione
A
di R :
B

R +R
D = A B ⇒ R +R = R D+2R D ⇒ R (1−D)= R (2D−1) ⇒
R +2R A B A B A B
A B

2D−1
⇒ R = R ; si fissa il valore di R e si calcola R .
A 1−D B B A

Dall’espressione del periodo T si calcola C:

T 1
T =(R +2R )Cln2 ⇒ C = =
A B (R +2R )ln2 f(R +2R )ln2
A B A B

Monostabile

Dall’espressione della durata T dell’impulso d’uscita si calcola il prodotto R C:
A

T
T = R Cln3 ⇒ R C = ; si fissa il valore di C e si calcola il valore di R .
A A ln3 A

Si fisa un opportuno valore per le due resistenze R.

Regolazione dell’impulso a compensazione delle variazioni della capacità di temporizzazione
dal valore nominale dovute alla tolleranza

Nel monostabile la durata dell’impulso d’uscita è uguale al tempo che la capacità di
temporizzazione impiega a caricarsi, partendo da zero e tendendo a V , fino a 2V /3 = V (pin
CC CC ch
5).
V , V
o C

V
CC
T

V
c h V = 0 ; V = V ; τ = R C
Ci Cf CC A
VC
t t t
o 1

L’equazione di carica della capacità è:

t t ⎛ t ⎞
V (t) = V +(V −V )⋅e−τ = V −V e−τ = V ⎜1−e−τ ⎟
C Cf Ci Cf CC CC CC⎜ ⎟
⎝ ⎠

6
Dopo un tempo T, la tensione sulla capacità raggiunge il valore V al quale il BJT di scarica si
ch
satura cortocircuitando la capacità a massa e termina l’impulso d’uscita.
⎛ − T ⎞ − T V ⎛ V ⎞
V = V ⎜1−e RAC ⎟ ⇒ e RAC =1− ch ⇒ T = −R Cln⎜1− ch ⎟
ch CC⎜ ⎟ V A ⎜ V ⎟
⎝ ⎠ CC ⎝ CC ⎠

Una volta fissato il valore della costante di tempo R C, la durata dell’impulso d’uscita dipende dal
A
V
rapporto ch , ossia dal valore di V . Il valore di V (tensione ai capi della capacità), in
ch C
V
CC
corrispondenza del quale termina l’impulso d’uscita, può essere modificato, rispetto al valore
2V /3, inserendo, tra pin 5 e massa, una resistenza esterna. Tale resistenza, in parallelo alla serie
CC
R-R, modifica il rapporto di partizione con diminuzione della tensione V rispetto al valore
ch
2V /3.
CC

Se si aggiunge in serie alla resistenza sul pin 5 un trimmer, si ha la possibilità di far variare la
tensione V , che determina la fine dell’impulso, tra un valore minimo e un valore massimo.
C

Si sceglie R = 4R e R >> 2R ; con tali valori si ha:
1 T

( ) ( )
kR +4R ⋅2R kR +4R ⋅2R
R = T = T con 0 ≤ k ≤ 1 e
P kR +4R +2R kR +6R
T T

R V R
V = P V ⇒ ch = P
ch R +R CC V R +R
P CC P

4
R
4 R 3 4
− se k = 0 ⇒ kR = 0 ⇒ R = R ⇒ V = P V = V = V ⇒
T P 3 ch R +R CC 4 CC 7 CC
P R + R
3

7
V 4 ⎛ V ⎞ ⎛ 4⎞
⇒ ch = ⇒ T = −R Cln⎜1− ch ⎟ = −R Cln⎜1− ⎟ = 0,847R C
V 7 A ⎜⎝ V ⎟⎠ A ⎝ 7⎠ A
CC CC
( )
R +4R ⋅2R R ⋅2R
− se k = 1 ⇒ kR = R ⇒ R = T ≅ T = 2R ⇒
T T P R +6R R
T T

R 2R 2 V 2
⇒ V = P V = V = V ⇒ ch = ⇒
ch R +R CC R +2R CC 3 CC V 3
P CC

⎛ V ⎞ ⎛ 2⎞
⇒ T = −R Cln⎜1− ch ⎟ = −R Cln⎜1− ⎟ =1,1R C
A ⎜⎝ V ⎟⎠ A ⎝ 3⎠ A
CC

Fissati i valori di R e C , la durata dell’impulso d’uscita può essere regolato da un valore minimo
A
T = 0,847R C a un valore massimo T = 1,1R C. È quindi possibile effettuare piccole
MIN A MIN A
compensazioni della capacità di temporizzazione.

PROGETTO E VERIFICA DI UN MULTIVIBRATORE ASTABILE A FREQUENZA
FISSA CON TIMER 555

Si fissa f = 1,5kHz → T = 0,67ms ; D = 60% ; V = 5V e 12V.
CC

V
CC

R
a
8 4 R
L
7

R 3
b
V
o
6
2
1 5 R
L
C
10ηF

C
1

Calcolo di R ed R
A B

Dal duty-cycle si ha:

R +R
D = A B ⇒ R +R = R D+2R D ⇒ R (1−D)= R (2D−1) ⇒
R +2R A B A B A B
A B

2D−1 2⋅0,6−1
⇒ R = R = R =0,5R ⇒ R = 2R
A 1−D B 1−0,6 B B B A

8
Si fissa il valore di R = 2,2kΩ e si calcola R = 2⋅R = 2⋅2,2⋅103 = 4,4kΩ , valore
A B A
commerciale 3,9kΩ.
Calcolo di C

( )
Dall’espressione del periodo T si calcola C: T = R +2R Cln2 ⇒
A B

T 0,67⋅10−3
⇒ C = = =0,097µF=97ηF
(R +2R )ln2 (2,2⋅103 +2⋅3,9⋅103)ln2
A B

valore commerciale C = 100ηF.

Con tali valori si ha:
T =(R +R )Cln2= (2,2⋅103 +3,9⋅103)⋅100⋅10−9 ⋅ln2=0,423ms
H A B

T 0,423⋅10−3
T = R Cln2=3,9⋅103 ⋅100⋅10−9 ⋅ln2=0,270ms ; D = H = = 0,61 → 61%
L B T 0,693⋅10−3

1 1
T = T +T = 0,423⋅10−3 +0,270⋅10−3 =0,693ms ; f = = =1,44kHz
H L T 0,693⋅10−3

Procedimento di verifica

1. Si monta il circuito, lo si alimenta con tensione V = 5V e si collega all’uscita il canale CH1
CC
dell’oscilloscopio.
2. Del segnale visualizzato si misurano le durate dei due semiperiodi (T e T ) e l’ampiezza.
H L
3. Si riporta il disegno dell’oscillogramma.
4. Si regola la tensione dell’alimentatore a 12V e si ripetono i punti 2 e 3.

Risultati sperimentali

Con V = 5V e R = 10kΩ
CC L

Senza carico V = 4,4V uscita bassa.
o

Con un carico di 10kΩ V = 4,4V uscita bassa ; V = 4,6V uscita alta.
o o

In tutti i casi T = 0,44ms ; T = 0,28ms ; T = T + T = 0,72ms
H L H L

1 1 T 0,44⋅10−3
f = = =1,39kHz ; D = H = =0,61 → 61%
T 0,72⋅10−3 T 0,72⋅10−3

V V
o o
4 4,6

t t
9