CI 555 – O que é e como funciona

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?

Um 555 PTH e SMD 

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. Ou seja, ele é capaz de criar um clock, que, para quem não sabe, é um sinal muito importante para coordenar os componentes digitais. A imagem abaixo ilustra como é a saída do 555 no modo astável.

T seria justamente o período (o tempo do sinal em nível alto mais o tempo do sinal em nível baixo).

Estrutura interna

O 555 possui 8 pinos. No funcionamento a gente verá o que cada um faz.

De acordo com a imagem abaixo, internamente ele tem 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 5KΩ (em verde)

Esclarecendo algumas informações sobre a imagem:

• O reset é ligado ao Clear barrado do flip flop (na figura chama R1), ou seja, recebendo 5v 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 barra e o elemento em rosa transforma a saída para Q (sem barrar). Olhando a imagem abaixo, é como se o elemento em azul estivesse ligado em Q barra e o em rosa em Q normal.

• A bolinha que está nos comparadores representa o ” – ” do amplificado operacional.
• 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
• Astável: atua como oscilador
• Biestável: utilizado como flip flop

Apesar dos três modo, vou explicar em cima do astável que é mais complicado e assim é possível ter ideia de como o resto funciona.

Vamos usar o seguinte diagrama de ligação e a imagem da estrutura interna (tópico acima) como base.

Antes de entrar na explicação, vamos 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).

Funcionamento geral

A primeira coisa que ocorre é o capacitor C começar a carregar, feito isso a tensão em cima dos pinos TRIG e THR é próxima de 0. Com isso, 0<1/3Vcc logo o comparador ligado ao pino S é acionado e o flip flop manda sinal de nível alto na saída. A medida que o capacitor carrega a tensão sobe, e uma hora ela chega a um valor minimamente acima de 1/3Vcc, logo o comparador não é mais acionado. Desse modo, 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 e 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 ele ativado, o capacitor começa imediatamente a descarregar. Ele faz isso até que a tensão fique minimamente abaixo de 1/3Vcc e assim o comparador do pino S é acionado.

Isso faz com que: a saída vá para nível alto novamente, o transistor de descarga seja 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.

No início a saída é maior justamente por causa que a tensão no instante inicial vai ser 0. E o capacitor precisa dar a primeira descarga para entrar no ciclo normal, onde o período será constante.

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, que na imagem, é de 10nF serve apenas para estabilizar a entrada CTRL. Isso porque não estamos aproveitando da funcionalidade dela.

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Modo monoestável

O modo monoestável gera apenas um pulso de acordo com o sinal recebido no pino TRIG (ele é um disparador). A ideia do funcionamento é exatamente a mesma que o modo astável. Porém o que mudou é a forma como você está ligando e usando seu circuito. O circuito é  parecido com o anterior, mas agora sem o R2 e o pino TRIG é acionado separadamente.

O funcionamento do circuito é o seguinte: o pino trigger é alimentado constantemente com Vcc. E, assim que um pulso ocorre (a tensão do TRIG vai para 0), o comparador ligado ao pino S é ativado e aquela mesma ideia de antes acontece. Ou seja, o pulso acaba depois que o capacitor carregar a 2/3 de Vcc.

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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 está ligado ao GND, ou seja, o comparador conectado a esse pino não faz nada, até porque agora o reset que está fazendo o papel de acionar o pino R. Não tem muito mistério, é basicamente isso.

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Como calcular

Modo astável

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

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

Exemplo:

Vamos supor que eu queira uma frequência de 1Hz, sendo que 60% do tempo a saída deve ficar em alta e 40% em baixa. 1Hz representa um período de 1s. 60% disso representa 600ms e 40%, 400ms. Sendo assim, vou pegar a fórmula do tempo em baixa:

Eu posso estipular tanto um valor para o capacitor, quanto para o R2. Vamos considerar um capacitor de 100uF. E com base no calculo acima eu acho um valor próximo de 5,7KΩ, mas vou pegar o valor comercial mais próximo: 5,6KΩ. Agora é só achar o valor de R1 usando a fórmula do tempo em alta (usando o valor comercial de R2):

O resultado que encontro é em torno de 3KΩ e existe um valor comercial para 3KΩ, 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 ideais dos valores calculados.

Uma dica para quem quer facilitar a vida é, usar programas e aplicativos que fazem esses cálculos para você.

Modo monoestável

O tempo do pulso pode ser calculado como:

Exemplo:

Supondo que eu quero um tempo de 3 segundos. Então basta estipular um valor para R ou C. Vou considerar um capacitor de 100uF. O valor que eu encontro é de aproximadamente 33KΩ para R2 que é também um valor comercial. É bem simples.

PWM (Pulse Width Modulation)