Dominando el Timer 555: Principios, Diagramas de Bloques y Esquemas de Circuitos

En este tutorial aprenderemos cómo funciona el Timer 555, uno de los ICs más populares y ampliamente usados de todos los tiempos. Puedes ver el siguiente vídeo o leer el tutorial escrito a continuación.

Visión General

El Timer 555, diseñado por Hans Camenzind en 1971, se puede encontrar en muchos dispositivos electrónicos, desde juguetes y electrodomésticos de cocina hasta incluso una nave espacial. Es un circuito integrado altamente estable que puede producir retardos de tiempo precisos y oscilaciones. El Timer 555 tiene tres modos de operación: bistable, monoestable y astable.

Cómo Funciona, Esquema Interno y Diagrama de Bloques

Echemos un vistazo más de cerca qué hay dentro del Timer 555 y expliquemos cómo funciona en cada uno de los tres modos. Aquí está el esquema interno del Timer 555 que consiste en 25 transistores, 2 diodos y 15 resistencias.

Representado con un diagrama de bloques, consiste en 2 comparadores, un flip-flop, un divisor de voltaje, un transistor de descarga y una etapa de salida.

El divisor de voltaje consiste en tres resistencias idénticas de 5k que crean dos voltajes de referencia en 1/3 y 2/3 del voltaje suministrado, que puede variar de 5 a 15V.

Luego están los dos comparadores. Un comparador es un elemento de circuito que compara dos voltajes de entrada analógicos en su terminal de entrada positiva (no inversora) y negativa (inversora). Si el voltaje de entrada en el terminal positivo es mayor que el voltaje de entrada en el terminal negativo, el comparador emitirá 1. Viceversa, si el voltaje en el terminal de entrada negativo es mayor que el voltaje en el terminal positivo, el comparador emitirá 0.

El terminal de entrada negativo del primer comparador está conectado al voltaje de referencia de 2/3 en el divisor de voltaje y al pin externo de "control", mientras que el terminal de entrada positivo al pin externo "Threshold" (Umbral).

Por otro lado, el terminal de entrada negativo del segundo comparador está conectado al pin "Trigger" (Disparador), mientras que el terminal de entrada positivo al voltaje de referencia de 1/3 en el divisor de voltaje.

Así que usando los tres pines, Trigger, Threshold y Control, podemos controlar la salida de los dos comparadores que luego se alimentan a las entradas R y S del flip-flop. El flip-flop emitirá 1 cuando R es 0 y S es 1, y viceversa, emitirá 0 cuando R es 1 y S es 0. Adicionalmente, el flip-flop puede reiniciarse a través del pin externo llamado "Reset" que puede anular las dos entradas, reiniciando así todo el timer en cualquier momento.

La salida Q-bar del flip-flop va a la etapa de salida o controladores de salida que pueden suministrar o absorber una corriente de 200mA a la carga. La salida del flip-flop también está conectada a un transistor que conecta el pin "Discharge" (Descarga) a tierra.

Timer 555 – Modo Bistable

Ahora hagamos un ejemplo del Timer 555 operando en modo bistable. Para ese propósito necesitamos dos resistencias externas y dos pulsadores.

Los pines Trigger y Reset del IC están conectados a VCC a través de las dos resistencias, y de esa manera siempre están en alto. Los dos pulsadores están conectados entre estos pines y tierra, así que si los mantenemos presionados, el estado de entrada será bajo.

Inicialmente, las salidas de los dos comparadores son 0, así que la salida del flip-flop así como la salida del Timer 555 son 0.

Si presionamos el pulsador Trigger, el estado en la entrada Trigger se volverá Low, así que el comparador emitirá High y eso hará que la salida Q-bar del flip-flop vaya a Low. La etapa de salida invertirá esto y la salida final del Timer 555 será High.

La salida permanecerá alta incluso cuando el pulsador Trigger no esté presionado porque en ese caso las entradas R y S del flip-flop serán 0, lo que significa que el flip-flop no cambiará el estado anterior. Para hacer la salida Low necesitamos presionar el pulsador Reset, que reinicia el flip-flop y todo el IC.

Tutorial relacionado: Qué es Trigger Schmitt | Cómo Funciona

Timer 555 – Modo Monoestable

Luego, veamos cómo funciona el Timer 555 en modo monoestable. Aquí está un circuito de ejemplo.

La entrada trigger se mantiene en High conectándola a VCC a través de una resistencia. Eso significa que el comparador trigger emitirá 0 a la entrada S del flip-flop. Por otro lado, el pin Threshold está en Low y eso hace que la salida del comparador Threshold también sea 0. El pin Threshold está realmente en Low porque la salida Q-bar del flip-flop es High, lo que mantiene el transistor de descarga activo, así que el voltaje que viene de la fuente va a tierra a través de ese transistor.

Para cambiar el estado de salida del Timer 555 a High, necesitamos presionar el pulsador en el pin trigger. Eso pondrá a tierra el pin trigger, o el estado de entrada será 0, así que el comparador emitirá 1 a la entrada S del flip-flop. Esto causará que la salida Q-bar vaya a Low y la salida del Timer 555 a High. Al mismo tiempo, podemos notar que el transistor de descarga se apaga, así que ahora el capacitor C1 comenzará a cargarse a través de la resistencia R1.

El Timer 555 permanecerá en este estado hasta que el voltaje a través del capacitor alcance 2/3 del voltaje suministrado. En ese caso, el voltaje de entrada Threshold será mayor y el comparador emitirá 1 a la entrada R del flip-flop. Esto traerá el circuito al estado inicial. La salida Q-bar se volverá High, lo que activará el transistor de descarga así como hará que la salida del IC sea Low de nuevo.

Así que podemos notar que la cantidad de tiempo que la salida del Timer 555 está en High depende de cuánto tiempo necesita el capacitor para cargarse a 2/3 del voltaje suministrado, y eso depende de los valores tanto del capacitor C1 como de la resistencia R1. Podemos calcular este tiempo con la siguiente fórmula: T = 1.1 * C1 * R1.

Timer 555 – Modo Astable

Luego, veamos cómo funciona el Timer 555 en modo astable. En este modo, el IC se convierte en un oscilador o también llamado Multivibrador en Libre Funcionamiento. No tiene un estado estable y cambia continuamente entre High y Low sin aplicación de ningún disparador externo. Aquí está un circuito de ejemplo del Timer 555 operando en modo astable.

Solo necesitamos dos resistencias y un capacitor. Los pines Trigger y Threshold están conectados entre sí, así que no hay necesidad de pulso de disparo externo. Inicialmente, la fuente de voltaje comenzará a cargar el capacitor a través de las resistencias R1 y R2. Mientras se carga, el comparador Trigger emitirá 1 porque el voltaje de entrada en el pin Trigger sigue siendo menor que 1/3 del voltaje suministrado. Eso significa que la salida Q-bar es 0 y el transistor de descarga está cerrado. En este momento, la salida del Timer 555 es High.

Una vez que el voltaje a través del capacitor alcanza 1/3 del voltaje suministrado, el comparador Trigger emitirá 0, pero en este punto eso no hará ningún cambio ya que ambas entradas R y S del flip-flop son 0. Así que el voltaje a través del capacitor seguirá subiendo, y una vez que alcance 2/3 del voltaje suministrado, el comparador Threshold emitirá 1 a la entrada R del flip-flop. Esto activará el transistor de descarga y ahora el capacitor comenzará a descargarse a través de la resistencia R2 y el transistor de descarga. En este momento, la salida del Timer 555 es Low.

Mientras se descarga, el voltaje a través del capacitor comienza a declinar, y el comparador Threshold de inmediato empieza a emitir 0, lo que en realidad no hace ningún cambio ya que ahora ambas entradas R y S del flip-flop son 0. Pero una vez que el voltaje a través del capacitor cae a 1/3 del voltaje suministrado, el comparador Trigger emitirá 1. Esto apagará el transistor de descarga y el capacitor comenzará a cargarse de nuevo. Así, este proceso de carga y descarga entre 2/3 y 1/3 del voltaje suministrado seguirá ejecutándose por sí solo, produciendo una onda cuadrada en la salida del Timer 555.

Podemos calcular el tiempo que la salida está en High y Low usando las fórmulas mostradas. El tiempo High depende de la resistencia de tanto R1 como R2, así como de la capacitancia del capacitor. Por otro lado, el tiempo Low depende solo de la resistencia de R2 y la capacitancia del capacitor. Si sumamos los tiempos High y Low obtendremos el Período de un ciclo. Por otro lado, la frecuencia es cuántas veces esto ocurre en un segundo, así que uno sobre el Período nos dará la frecuencia de la onda cuadrada de salida.

Si hacemos algunas modificaciones a este circuito, por ejemplo, cambiamos la resistencia R2 por una resistencia variable o un potenciómetro, podemos controlar instantáneamente la frecuencia y los ciclos de trabajo de la onda cuadrada. Sin embargo, más sobre esto en mi próximo vídeo donde haremos un controlador de velocidad de motor DC PWM usando el Timer 555.

Espero que hayas disfrutado este tutorial y aprendido algo nuevo. Siéntete libre de hacer cualquier pregunta en la sección de comentarios a continuación.