O CI 555 é bem versátil, barato e é muito utilizado quando se deseja criar um clock específico ou até controlar uma carga por PWM.

O que é?

O 555 é um circuito integrado (CI) de 8 pinos que é capaz de, em uma de suas configurações, emitir pulsos em sua saída com um período configurável. A imagem abaixo mostra ele na versão PTH e SMD.

 

Fonte: Wikipedia

Diante do que foi falado no parágrafo anterior, o 555 é capaz de criar um clock, que é um sinal muito importante para coordenar/sincronizar os componentes digitais. A imagem abaixo ilustra como é a saída do 555 no modo astável (veremos mais detalhes adiante).

555 gráfico vxt

No caso, T é o período do sinal: o tempo dele em nível alto mais o tempo dele em nível baixo.

Estrutura interna

O 555 possui 8 pinos conforme está ilustrado adiante. Veremos o que cada um faz no tópico do funcionamento. Por enquanto, vamos focar na organização do CI.

Fonte: Wikipedia

E internamente o CI apresenta o seguinte circuito:

Fonte: Wikipedia

De acordo com a imagem acima, temos os seguintes elementos:

  • Um flip flop RS (em roxo);
  • Dois comparadores simples, que são basicamente amplificadores operacionais (um em amarelo e outro em vermelho);
  • Um transistor de descarga (em azul claro);
  • Um divisor de tensão formado por três resistores de 5 kΩ (em verde).

Esclarecendo algumas informações:

  • O reset é ligado ao Clear barrado do flip flop (chamado de R1 na figura). Ou seja, recebendo 5 V, ele impede que o flip flop tenha seu sinal zerado constantemente;
  • O flip flop possui a saída barrada, neste caso, e o elemento em rosa nega (barra) a saída de novo. Ou seja o elemento em azul recebe a saída Q barrada e o elemento em rosa transforma a saída para Q (sem barrar). Usando a imagem abaixo como referência, é como se o elemento em azul estivesse ligado em Q barra e o em rosa em Q normal.
Fonte: Wikipedia
  • A bolinha que está nos comparadores representa o ”–” do amplificador operacional (entrada inversora);
  • A tensão no divisor de tensão será de 2/3Vcc (comparador amarelo) e 1/3Vcc (comparador vermelho) de cima para baixo.

Como funciona

Considerações iniciais

O 555 opera em 3 modos:

  • Monoestável: atua como disparador (gera pulso);
  • Astável: atua como oscilador (gera sinal oscilante);
  • Biestável: utilizado como flip flop.

Apesar dos três modo, vou explicar usando o astável como base, pois, aprendendo ele, o resto fica bem fácil de entender.

Mas, antes de entrar na explicação, acho importante deixar claro alguns pontos (não deixe de ler a parte da estrutura interna para entender também):

  • O comparador que está ligado ao pino S do flip flop é disparado apenas se a tensão do divisor de tensão (1/3Vcc) for maior que a tensão do pino TRIG;
  • O comparador que está ligado ao pino R do flip flop é disparado apenas se a tensão do pino THR for maior que a tensão do divisor de tensão (2/3Vcc) (o contrário do de cima);
  • Além disso, vou usar a ligação abaixo (típica do modo astável) como referência.
Fonte: Wikipedia

Funcionamento geral

Considere que o capacitor C está inicialmente descarregado. Vou citar os acontecimentos do circuito pela ordem cronológica (do que ocorre primeiro ao que ocorre por último):

  • A primeira coisa que ocorre é o capacitor C começar a carregar:
    • Nesta situação, a tensão em cima dos pinos TRIG e THR é próxima de 0;
    • Assim, 0 < 1/3Vcc fazendo o comparador ligado ao pino S ser acionado e o flip flop manda sinal de nível alto na saída.
  • À medida que o capacitor carrega, a tensão sobe, e, uma hora, ela chega a um valor minimamente acima de 1/3Vcc.
    • Neste momento, o comparador não é mais acionado;
    • Portanto, o flip flop recebe 0 em ambos os pinos, que, nesse caso, apenas mantém o ultimo estado da saída (continua em nível alto).
  • O capacitor continua carregando até que a tensão atinge um valor minimamente acima de 2/3 Vcc:
    • O comparador ligado ao pino R é acionado;
    • Então, o flip flop manda um sinal de nível baixo na saída, fazendo com que o transistor de descarga seja ativado (pois ele está ligado na saída barrada);
  • Com o transistor ativo, o capacitor começa imediatamente a descarregar. Ele faz isso até que a tensão fique minimamente abaixo de 1/3Vcc.
    • Quando isso ocorre, o comparador do pino S é acionado;
    • A saída vai para nível alto novamente, o transistor de descarga é desativado e o capacitor, sem ter onde descarregar, começa seu ciclo de carga novamente.

E assim, esse ciclo se repete, criando uma onda quadrada na saída do 555 com um determinado período. A figura adiante mostra a tensão em cima do capacitor e a tensão na saída (Q).

CI 555 gráfico do funcionamento

No início, a saída fica mais tempo em alta porque a tensão inicial do capacitor é 0. E o capacitor precisa passar pela primeira carga/descarga para entrar no ciclo normal, onde o período será constante (T).

Análise do circuito

O resistor R2 vai determinar o tempo de carga e descarga, então quanto menor o valor dele, menor vai ser o período. E pela mesma ideia, quanto maior o valor do capacitor mais ele vai demorar a descarregar. Como o resistor R1 não interfere na descarga, ele vai influenciar apenas na carga do capacitor, ou seja, no tempo em alta da saída.

Por fim, o capacitor de 10 nF do circuito serve apenas para estabilizar a entrada CTRL. Isso, porque não estamos aproveitando a funcionalidade dela.

Modo monoestável

O modo monoestável gera apenas um pulso de acordo com o sinal recebido no pino TRIG (é um disparador). A ligação é bem parecida com a do modo astável, existindo apenas algumas pequenas diferenças. Agora o resistor R2 não é usado e o pino TRIG (trigger) é acionado separadamente. Veja abaixo:

Fonte: Wikipedia

O funcionamento do circuito é o seguinte:

O pino trigger é alimentado constantemente com Vcc. Assim que este pino vai para 0, o comparador ligado ao pino S é ativado e aquela mesma ideia de antes acontece:

  • A saída vai para nível alto;
  • O capacitor começa a carregar. Quando ele atinge uma tensão minimamente acima de 2/3 de Vcc: o comparador ligado ao pino R é acionado, a saída vai para nível baixo e o capacitor volta a descarregar.

Ou seja, é gerado um pulso na saída que acaba depois que o capacitor carrega a 2/3 de Vcc. Detalhe: o sinal do Trigger deve ser pulsado para que o circuito funcione adequadamente.

O valor do resistor R e do capacitor C vão afetar o tempo de carga do capacitor C, então eles vão ter uma relação direta com o tempo do pulso.

Modo biestável

Como dito anteriormente, o biestável transforma o 555 em um flip flop RS. O pino Reset é usado como o R do flip flop e o Trigger como o próprio S mesmo. O THR fica ligado ao GND, portanto, o comparador conectado a esse pino não faz nada. Até porque, agora é o Reset que está fazendo o papel de acionar o pino R. Não tem muito mistério, é basicamente isso:

Fonte: Wikipedia

Como calcular

Modo astável

Para o modo astável que foi visto acima, existem algumas fórmula para calcular o período:

T_{Total} = ln(2) \times C \times (R1 + 2 \times R2)

T_{Alta} = ln(2) \times C \times (R1 + R2)

T_{Baixa} = ln(2) \times C \times R2

E, para a frequência final, basta inverter o valor do período:

f = \frac{1}{ln(2) \times C \times (R1 + 2 \times R2)}

Exemplo do modo astável

Vamos supor que eu queira uma frequência de 1 Hz, sendo que 60% do tempo a saída deve ficar em alta e 40% em baixa. 1 Hz representa um período de 1s. 60% disso representa 600ms e 40%, 400ms. A partir disso, vou começar o cálculo pela fórmula do tempo em baixa (poderia ser pelo tempo em alta):

0,4 = ln(2) \times C \times R2

Posso estipular tanto um valor para o capacitor, quanto para o R2. Para o exemplo, vou considerar um capacitor de 100 μF:

0,4 = ln(2) \times 100 μ \times R2

Com base no calculo acima, encontro um valor próximo de 5,7 kΩ para R2. Entretanto, vou pegar o valor comercial mais próximo: 5,6 kΩ. Agora é só achar o valor de R1 usando a fórmula do tempo em alta (usando o valor comercial de R2):

0,6 = ln(2) \times 100μ \times (R1 + 5,6k)

O resultado que encontro é em torno de 3 kΩ e existe um valor comercial para 3 kΩ, então está ótimo. Se você quiser conferir a frequência, basta jogar os valores na fórmula. É claro, que a precisão não é de 100%, já que, para isso, você teria que usar resistores iguais aos valores calculados.

Existem aplicativos e sites que fazem esses cálculos automaticamente, inclusive considerando os valores comerciais do capacitor e dos resistores. Então vale a pena utilizá-los.

Modo monoestável

O tempo do pulso pode ser calculado como:

t = ln(3) \times R \times C

Exemplo do modo monoestável

Supondo que desejo um tempo de 3 segundos, basta estipular um valor para R ou C. Para este exemplo, vou considerar um capacitor de 100 μF:

3 = ln(3) \times R \times 100μ

Assim, o valor que encontro para R é cerca de 27 kΩ e um valor comercial próximo é 33 kΩ. Este caso é bem simples até.

Multivibrador astável com transistor