Apostila Eletronica II Automacao Eron 555

5/11/2018 Apostila Eletronica II Automacao Eron 555 - slidepdf.com

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Apostila de Eletrônica II Prof. Eron da Silva 99

SATC - ASSOCIAÇÃO BENEFICENTE DA INDÚSTRIA CARBONÍFERA DE SANTA CATARINACurso de Tecnologia em Automação IndustrialDiscipl ina: Eletrônica II Código:Professor: Eron da Silva

UNIDADE V - TEMPORIZADOR 555

DEFINIÇÃO

Foto: Circuito Integrado 555

O 555 é um circuito integrado (chip) utilizado em uma variedade de aplicações de temporização ou como multivibrador.Desenvolvido já na década de 70, este componente continua em plena fabricação, graças a sua simplicidade de uso, baixopreço e boa estabilidade. Como exemplo, a Samsung na Coréia fabrica acima de 1 bilhão de unidades por ano (dados de 2003).

O temporizador 555 é um dos mais populares e versáteis circuitos integrados jamais produzidos. É encapsulado em uminvólucro duplo em linha (DIP) de 8 pinos Da mesma família de temporizadores temos ainda o CI 556 composto pelacombinação de dois temporizadores 555 combinados em um encapsulamento de 14 pinos DIP. O CI 558 é umencapsulamento de 16 pinos DIP que combina quatro temporizadores 555. Também estão disponíveis versões de ultra baixapotência como o CI 7555, que utiliza um número menor de componentes externos e tem menor consumo de energia.

Estudaremos aqui a versão 555, mais clássica e disponível.

Curiosidade: o nome "555" foi adotado em alusão ao fato de que existe uma rede interna (divisor de tensão) formada por trêsresistores de 5kΩ que servem de referência de tensão para os comparadores do circuito integrado.

> Pinagem:

1 – GND2 –Trigger (Disparador – ativa com baixo nível de tensão)3 – Output (Saída)4 – Reset (Desabilita o funcionamento do 555 com baixo nível de tensão)5 – Control Voltage (Tensão de controle)6 – Threshold (Limiar)7 – Discharge (Descarga)

8 – VCC




FUNCIONAMENTO BÁSICO

Composto de um Flip-Flop do tipo RS, dois comparadores simples e um transistor de descarga, o 555 pode trabalhar em doismodos de operação: monoestável (possui um estado estável - timer) e astável (não possui estado estável - oscilador). Suatensão de alimentação situa-se entre 4,5V a 16V e sua saída pode fornecer ou drenar correntes de até 200mA.

Diagrama: Circuito interno simplificado de um CI 555.O resistor R e capacitor C exibidos externamente, são utilizados na maioria das aplicações do CI como timer.

Flip Flop RS Básico:

Entradas SaídasS (set) R (reset) Q /Q (comp lementar)0 (nível baixo) 0 (nível baixo) Não mudam de estado0 (nível baixo) 1 (nível alto) 0 (nível baixo) 1 (nível alto)1 (nível alto) 0 (nível baixo) 1 (nível alto) 0 (nível baixo)1 (nível alto) 1 (nível alto) Condição não aceita pelo circuito

Funcionamento Básico do 555:Geralmente o pino 5, entrada de controle, não é conectado, deixando assim a tensão de controle fixa em 2/3Vcc.

O disparador (trigger) está conectado à entrada inversora do comparador 2. A entrada não-inversora tem uma tensão fixa de1/3Vcc. Toda vez que a tensão do disparador for menor que 1/3Vcc, a saída do comparador vai a nível alto, setando o flip-flop,deixando assim a saída Q (pino 3) em nível alto. Como /Q estará em nível baixo, o transistor de descarga TR1 estará em corte(chave aberta).

O reset (pino 4) habilita o 555 a funcionar normalmente com nível alto e o desabilita com nível baixo. Geralmente na maioria dasaplicações, este pino é ligado à Vcc.

Toda vez que a tensão de limiar (threshold, pino 6) exceder a tensão de controle (2/3Vcc), a saída do comparador 1 vai para

nível alto, resetando o flip-flop, deixando assim a saída Q (pino 3) em nível baixo. Como /Q estará em nível alto, o transistor dedescarga TR1 estará em saturação (chave fechada), realizando assim a descarga da tensão armazenada no capacitor.




MONOESTÁVEL (Timer)

Na configuração monoestável, o 555 é utilizado como timer, tendo uma grande gama de aplicações para construção de timersindustriais, sistemas de alarmes e inúmeras outras aplicações.

Diagrama: Circuito para operação Monoestável.

Gráfico: Formas de onda típcas para circuito monoestável. Gráfico: Duração do pulso de saída em função de RAe C.

Funcionamento:

Quando o pino de disparo (trigger) recebe um pulso de nível baixo, a tensão na entrada não-inversora (+1/3Vcc) émaior que a tensão na entrada inversora (0V) no comparador 2. Isto faz com que a sua saída vá a nível alto, setando o flip-flop(nível alto na saída Q e nível baixo na saída /Q). Assim, a saída do 555 vai para nível alto e internamente o transistor dedescarga permanece em corte (chave aberta). Desta maneira, o capacitor “C” se carrega por RA.

A tensão do capacitor é aplicada à entrada ao pino Threshold (limiar), sendo que esta tensão aumenta até que exceda a tensãode controle (2/3Vcc). Quando isto ocorre, a saída do comparador 1 vai a nível alto, resetando o flip-flop (nível baixo na saída Qe nível alto na saída /Q). Assim, a saída do 555 vai para nível baixo e internamente o transistor de descarga fica em saturação(chave fechada) descarregando o capacitor “C”, que fica “pronto” para uma nova temporização quando for recebido um novo

pulso no pino de disparo (trigger).




Diagrama: Esquema de funcionamento do 555 no modo monoestável.

Quanto maior a constante de tempo RA.C, mais tempo leva para a tensão do capacitor atingir 2/3Vcc (tensão de controle).Isto determina a largura do pulso ou a temporização na saída, que é dada por:

C RT A..1,1=

Onde T é dado em segundos, RA em ohms e C em farads.

A tensão de controle, geralmente de 2/3Vcc, pode ser desacoplada através de um outro capacitor ligado ao pino 5 e àterra (tipicamente de 10nF), para melhorar a imunidade a ruído.

Alterando os valores de RA e C, o período da temporização pode ser controlado. Porém, em uma temporização acima de5 minutos a confiabilidade fica comprometida, devido aos altos valores de R A e C necessários para esta temporização. Comrelação ao valor máximo de RA, geralmente os fabricantes recomendam um máximo de 20MΩ, mas acima de 1MΩ a precisãofica comprometida. Portanto, em aplicações gerais, o valor de RA deve ficar entre 1kΩ e 1MΩ .

Não há limites para o valor de C, a não ser o seu custo. Apenas notar que dependendo do valor da capacitância do capacitor eletrolítico e de sua qualidade, ele pode apresentar correntes de fuga que podem distorcer os períodos calculados dastemporizações.

A seguir um circuito de aplicação para o 555 no modo Monoestável (timer):

Diagrama: Circuito de um timer disparado ao pressionar o interruptor.




Timer Seqüencial

É possível cascatear vários estágios de circuitos monoestáveis, para gerar um timer seqüencial:

Diagrama: Circuito de um timer seqüencial, disparado ao pressionar o interruptor “S”.

Gráfico: Diagrama de tempos para cada estágio do timer seqüencial.




ASTÁVEL (Oscilador)

Na configuração astável, o 555 é utilizado como oscilador, sendo útil em várias aplicações, como sinalização intermitente,geração de tons de áudio para alarmes, dentre várias outras aplicações possíveis.

Diagrama: Circuito para operação Astável.Nota A: a utilização de um capacitor de desacoplamento pode melhorar o desempenho do circuito, mas deve ser avaliada para cada aplicação.

Gráfico: Formas de onda típicas para circuito astável. Gráfico: Freqüência de operação em função de RA, RB e C.

Funcionamento:

Como ponto de partida, vamos supor que inicialmente o flip-flop está setado (nível alto na saída Q e nível baixo na saída /Q).Assim sendo, o transistor interno de descarga está em corte (chave aberta) e o capacitor “C” está se carregando através dosresistores RA e RB em série.

A tensão do capacitor “C” é aplicada aos pinos de disparo (trigger) e limiar (threshold). Assim, quando o capacitor se carregar e exceder a tensão de controle (2/3Vcc), irá fazer com que a tensão na entrada não-inversora do comparador 1 seja maior quea tensão na sua entrada inversora, isso faz com que sua saída vá a nível alto, resetando o flip-flop (nível baixo na saída Q enível alto na saída /Q).

Com nível alto em /Q, o transistor interno de descarga entra em saturação (chave fechada) fazendo com que o capacitor “C” sedescarregue por RB.




Agora, a tensão no capacitor diminui até que fique menor que a tensão da entrada não inversora do comparador 2 (1/3Vcc).Neste momento a saída do comparador 2 vai a nível alto, setando o flip-flop e voltando ao ponto de partida (reinicia o cicloindefinidamente).A tensão no capacitor “C” varia entre 1/3Vcc e 2/3Vcc.

Diagrama: Esquema de funcionamento do 555 no modo astável.

A duração do período alto ou tempo de carga é dada por:

C R Rt B A H )..(693,0 += tH = período do sinal de saída em nível alto (+duty cycle)

E a duração do período baixo ou tempo de descarga é dada por:C Rt B L ..693,0=

tL = período do sinal de saída em nível baixo (-duty cycle)

A freqüência pode ser calculada por:

( )C R R f

B A ..2

44,1

+

=

f = freqüência

A seguir um circuito de aplicação para o 555 no modo astável (oscilador):

Diagrama: circuito astável.




No circuito anterior, como se pode observar pelas fórmulas, teremos sempre o sinal de saída com duração do período alto(+duty cycle) maior que a duração do período baixo (-duty cycle). Caso seja desejado montar um oscilador com maior flexibilidade com relação ao ciclo de trabalho (razão da duração dos períodos de alto e baixo), pode-se utilizar um circuito comoo sugerido a seguir:

Diagrama: circuito astável com maior flexibilidade do ciclo de trabalho do sinal de saída.

Neste circuito, com a adição de um diodo, o capacitor carrega-se através do resistor RA (R1) e descarrega-se pelo resistor RB (R2). Assim, as fórmulas para projeto deste circuito ficam:

Duração do período alto ou tempo de carga:

C Rt A H ..693,0=

tH = período do sinal de saída em nível alto (+duty cycle)

Duração do período baixo ou tempo de descarga:

C Rt B L ..693,0= tL = período do sinal de saída em nível baixo (-duty cycle)

Freqüência:

( )C R R f

B A .

44,1

+

=

f = freqüência




DETECTOR DE FALTA DE PULSO

O circuito mostrado a seguir pode ser usado para detectar falta de pulso ou um espaçamento longo e anormal entre umconsecutivo trem de pulsos.

Diagrama: Circuito detector de falta de pulso.

Seu funcionamento baseia-se na configuração de um circuito monoestável (timer) que é continuamente “re-disparado” por umtrem de pulsos aplicados na entrada, de forma que o espaçamento entre estes pulsos de entrada sejam menores que ointervalo de tempo projetado para o circuito monoestável.

Um grande intervalo entre os pulsos de entrada ou mesmo a falta de um dos pulsos, permite que o tempo de intervalo domonoestável seja completado, gerando uma saída com nível baixo de tensão, conforme ilustrado nos gráficos a seguir.

Gráfico: Formas de onda para circuito detector de falta de pulso.

Este circuito pode ter grande utilidade na área de automação, como exemplo, como em um sistema validação de saída depeças de uma etapa de prensagem, onde na saída das peças um sensor apropriado geraria o trem de pulsos para a entrada do

circuito, sendo que quando uma peça ficar presa no processo, imediatamente a saída do circuito alterna para um nível baixo detensão, que poderia desarmar um relé de proteção, desligando a máquina.




MODULADOR DE PULSOS

Utilizando as configurações astável e monoestável, podemos utilizar o pino 5 (control voltage) do CI 555 como entrada de umsinal de tensão externo de modo a criar circuitos de modulação de pulsos. Alterando o nível de tensão aplicada ao pino 5(control voltage), é alterado a tensão de controle dos comparadores internos, fazendo com que a largura dos pulsos presentesna saída do circuito alterem dinamicamente.

Modulador de Posição de Pulso (Pulse-Position Modulation):

Diagrama: Circuito para Modulação de Posição de Pulso.Nota A: o sinal de entrada para modulação pode ser aplicado diretamente ou acoplado ao pino 5 através de um capacitor.

Caso aplicado diretamente, os efeitos sobre a polarização dos circuitos internos deverão ser considerados.

Gráfico: Formas de onda para circuito modulador de posição de pulso.

Este circuito consiste basicamente de um oscilador (astável), cuja tensão aplicada na entrada CONT (pino 5), controla aduração dos pulsos do oscilador. Quanto maior a tensão presente na entrada CONT, menor a freqüência do sinal de saída.

Este circuito também pode ser chamado de VCO (Voltage Controlled Oscilator) ou Oscilador Controlado por tensão.




Modulador de Largura de Pulso (Pulse-Width Modulation - PWM):

Diagrama: Circuito para Modulação de Largura de Pulso - PWM.Nota A: o sinal de entrada para modulação pode ser aplicado diretamente ou acoplado ao pino 5 através de um capacitor.

Caso aplicado diretamente, os efeitos sobre a polarização dos circuitos internos deverão ser considerados.

Gráfico: Formas de onda para circuito modulador de largura de pulso.

Neste circuito, a operação de um timer (monoestável) é modificada dinamicamente pela tensão aplicada na entrada CONT(pino 5). Um trem contínuo e regular de pulsos aplicados à entrada de disparo (trigger, pino 2), dispara continuamente ocircuito monoestável, e a tensão aplicada na entrada CONT (controle, pino 5) modula então a tensão de controle interna,alterando a duração do nível alto do sinal de saída.

Neste caso, a freqüência do sinal de saída é a mesma do sinal de entrada aplicado no pino 2, sendo modulado então a razãoentre o períodos de nível alto e baixo do sinal de saída.

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