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Temporizador 555 – Teoria + Ficha de Trabalho

O TEMPORIZADOR 555

O NE555 (também o LM555, CA555 e MC1555) é o circuito integrado de temporização mais utilizado.
Ele pode funcionar de dois modos: monoestável (um estado estável) ou astável (sem estados estáveis). No primeiro modo produz atrasos de tempo muito precisos e podem ir desde microsegundos a horas. No segundo, produz sinais rectangulares com ciclos de trabalho variáveis.

Funcionamento como Monoestável

Figura 1 – Temporizador 555 funcionando em modo monostável (disparo único)

Inicialmente o 555 tem uma tensão de saída baixa na qual pode permanecer indefinidamente. Quando recebe um disparo, a tensão de saída passa ao nível alto, onde ficará por um período de tempo antes de regressar ao nível baixo.
Esse período de tempo é controlado por uma resistência e um condensador externos.

Um multivibrador é um circuito com dois estados que tem um ou dois estados de saída astáveis. No caso do multivibrador monoestável tem um estado astável (e um estável).

O 555 é um circuito integrado de 8 pinos, dos quais podemos ver 4 na figura anterior:
o pino 1 está ligado à Terra
o pino 8 está ligado a uma fonte de tensão positiva
o pino 2 é onde se produz o disparo
o pino 3 é o pino de saída
O 555 pode funciona com qualquer fonte de alimentação entre +4,5 V e +18 V.

Funcionamento como Astável
Neste caso produzirá uma onda rectangular na saída, não sendo necessário nenhum sinal de disparo.

Figura 2 – Temporizador 555 funcionando em modo astável (oscilação livre)

Diagrama Funcional de Blocos

Figura 3 – Diagrama de blocos funcional simplificado de um temporizador 555

Como o divisor de tensão tem as resistências todas iguais, o comparador superior tem um ponto de comutação de:
                2 . Vcc
PCS = ————-
                  3
E o comparador inferior tem um ponto de comutação de:
                Vcc
PCI = ————-
                  3
Na figura vemos também que o pino 6 está ligado ao comparador superior. A tensão que se aplica a este pino 6 chama-se tensão de limiar e é aplicada a partir de componentes externos ao 555. Quando a tensão de limiar é maior que o PCS, o comparador superior tem a sua saída no nível alto.
O pino 2 está ligado ao comparador inferior. A tensão que se aplica a este pino chama-se tensão de dsiparo. Quando a tensão de disparo é inferior ao PCI o comparador inferior fica com a sua saída no nível alto.
O pino 4 usa-se para fazer Reset, isto é, para pôr a saída no nível baixo.
O pino 5 usa-se para controlar a frequência de saída quando funciona como astável.
O Flip-Flop RS

Figura 4 – Flip-Flop RS construído com transístores

Um dos transístores está saturado enquanto o outro está ao corte.
Por exemplo, se o transístor da direita está saturado, a sua tensão de colector será aproximadamente zero, o que significa que não há corrente de base no transístor da esquerda, estando pois ao corte, provocando uma saída alta no colector. esta tensão no colector produz uma corrente grande que mantém o transístor da direita na saturação.
O Flip-Flop RS tem duas saídas ( Q e ) que são sempre opostas.

O estado da saída pode ser controlado com as entradas R e S:
Se se aplicar uma tensão suficientemente positiva na entrada S, o transístor esquerdo saturará e o da direita ficará ao corte, pelo que Q estará no nível alto e no nível baixo. Agora, mesmo que se elimine a tensão em S, a saída manter-se-à.
Coisa semelhante se passará se (com S a nível baixo) fizer R ir a nível alto, com a diferença que agora a saída Q ficará a nível baixo e a nível alto.
Devido a este comportamento S é a entrada de Set (Pôr a saída a nível alto – 1 lógico) e R é a entrada de Reset (Limpar a saída, isto é, pô-la a nível baixo – 0 lógico).
Funcionamento como monoestável

Figura 5 – Temporizador 555 configurado para funcionamento em modo monostável

A tensão do condensador utiliza-se como tensão de limiar, ligada ao pino 6.
Inicialmente Q está a nível alto. Isso satura o transístor e descarrega o condensador ao ligá-lo à terra. O circuito permanecerá neste estado até que receba um sinal de disparo.
Devido ao divisor de tensão, os pontos de comutação são os vistos anteriormente: PCS = 2/3 Vcc e PCI = 1/3 Vcc.
Quando a entrada de disparo cai até um valor abaixo de 1/3 Vcc, o comparador inferior reinicializa o fli-flop. Como Q passa para nível baixo ( fica a nível alto), o transístor fica ao corte, permitindo que o condensador se carregue.
O condensador carrega-se exponencialmente. Quando a sua tensão atingir os 2/3 Vcc, o comparador superior põe o o flip-flop (Q) outra vez no nível alto (e no nível baixo). Então Q satura o transístor que descarrega quase instantaneamente.
O circuito ficará neste estado até que haja uma nova tensão de disparo.

A largura do impulso (que é o tempo que o condensador demora a carregar até aos 2/3 Vcc) pode ser calculada através da seguinte fórmula:
T = 1,1 . R . C

A figura seguinte mostra um diagrama esquemático para um 555 como monoestável, como normalmente aparece.

Figura 6 – Circuito temporizador monostável
O pino 4 (Reset) liga-se a Vcc para que não actue acidentalmente sobre o funcionamento do circuito. Se quisermos impedir o circuito de funcionar, este pino 4 deve ser ligado à terra.
O pino 5 (control) é uma entrada especial que se pode usar para alterar o PCS, e assim alterar a largura do impulso. No nosso caso ligamo-lo à terra através de um condensador de desacoplamento, o que previne que o ruído electromagnético influencie o circuito.

Exemplo 1:
Na figura anterior, Vcc = 12 V, R = 33 kohms e C = 0,47 uF. Qual é a tensão mínima de disparo que produz um impulso na saída?
Qual é tensão máxima no condensador?
Quanto vale a largura do impulso?
Solução
Como mostra a figura 23-33, o comparador inferior tem um PCI. Portanto, a entrada de disparo do pino 2 deve cair desde +Vcc até uma tensão ligeiramente inferior a PCI. Com as equações dadas na figura anterior:
PCI = 12 / 3 = 4 V
Depois do sinal de disparo, o condensador carrega-se desde os 0 V até PCS, o qual vale:
PCS = 2 . 12 / 3 = 8 V
A largura de impulso é:
T = 1,1 . (33 kohm) . (0,47 uF) = 17,1 ms
Nota: este impulso pode ser usado para disparar outro circuito.

Exemplo 2:
Quanto vale a largura de impulso da figura anterior se R = 10 Mohm e C = 470 uF ?
Solução:
T = 1,1 . (10 Mohm) . (470 uF) = 86,2 min = 1,44 h

Funcionamento do 555 como Astável
Os pontos de comutação são os mesmos.
Quando Q está no nível baixo, o transístor está ao corte e o condensador carrega-se através da resistência total de: R = R1 + R2
Devido a isso, a constante de tempo de carga é (R1+R2)C. Como o condensador está carregado, a tensão de limiar do pino 6 aumenta.
Com o tempo, a tensão de limiar superará o valor de 2/3 Vcc, e então o comparador superior activa o flip-flop. Com Q a nível alto, o transístor satura e põe a terra no pino 7.
O condensador descarrega-se então através de R2. A constante de (des)carga será R2.C. Quando a tensão do condensador alcançar um valor ligeiramente inferior a 1/3 Vcc, o comparador inferior fará o Reset ao flip-flop e tudo volta ao início, repetindo-se indefinidamente.
A figura seguinte mostra a forma de onda que se obtem.

Figura 7 – Temporizador 555 configurado para funcionamento em modo astável

Como a constante de tempo de carga é maior que a de descarga, a saída não é simétrica. Dependendo dos valores de R1 e R2, o ciclo de trabalho estará entre 50 e 100%
Analisando as equações de carga e descarga, pode-se chegar às seguintes equações:
– Largura do impulso W = 0,693 . (R1 + R2) . C
– Período do sinal de saída T = 0,693 . (R1 + 2.R2) . C
                                    1,44
– Frequência do sinal de saída f = ——————
                                    (R1 + R2) . C
                       R1 + R2
– Ciclo de Trabalho D = —————–
                       R1 + 2.R2
A figura seguinte mostra um diagrama esquemático para um 555 como astável, como normalmente aparece.

Figura 8 – Multivibrador Astável
Oscilador Controlado por Tensão (VCO)

Figura 9 – (a) Oscilador controlado por tensão. (b) Forma de onda no condensador de temporização

Também se chama conversor de tensão-frequência pois com uma tensão consegue-se controlar o valor da frequência.
O pino 5 está ligado à entrada inversora do comparador superior. Normalmente este pino é ligado à terra através de um condensador, pelo que PCS é 2/3 Vcc.
Agora, devido ao potenciómetro, conseguimos alterar esta tensão interna. Por outras palavras, PCS é agora igual ao Vcon, pelo que, ajustando o potenciómetro conseguimos variar PCS entre 0 e Vcc.
A figura seguinte mostra a tensão nos extremos do condensador, que varia entre Vcon/2 e Vcon.
Se aumentarmos Vcon o condensador demorará mais a carregar-se, diminuindo pois a frequência.
Analisando a carga e descarga do condensador, podemos chegar às seguintes equações:
                                    Vcc – Vcon
– Largura do impulso W = – (R1 + R2) . C . ln ————————
                                    Vcc – 0,5 . Vcon
– Período do sinal de saída T = W + 0,693 . R2 . C

                                    1
– Frequência do sinal de saída f = ———————
                                    W + 0,693.R2.C

Exemplo 1:
O temporizador 555 da figura 8 tem R1 = 75 kohm, R2 = 30 kohm e C = 47 nF.
Quanto vale a frequência do sinal de saída?
Qual é o ciclo de trabalho?
Solução:
          1,44
f = ———————————- = 227 Hz
          (75 kohm + 60 kohm).(47 nF)
          77 kohm + 30 kohm
D = ————————— = 0,778
          75 kohm + 60 kohm

Exemplo 2:
O VCO da figura 9 tem as mesmas R1, R2 e C que o exemplo anterior.
Qual é a frequência e o ciclo de trabalho para Vcon = 11 V ?
Qual é a frequência e o ciclo de trabalho para Vcon = 1 V ?
Solução:
Usando as equações da figura 9:
                                    12 V – 11 V
W = – (75 kohm + 30 kohm) . (47 nF) ln ————————- = 9,24 ms
                                    12 V – 5,5 V

T = 9,24 ms + 0,693 (30 kohm) . (47 nF) = 10,2 ms

          W         9,24 ms
D = —- = ————- = 0,906
          T        10,2 ms

        1         1
f = —– = ————- = 98 hz
        T        10,2 ms

Quando Vcon = 1 V, os cálculos dão:

                                    12 V – 1 V
W = – (75 kohm + 30 kohm) . (47 nF) ln ————————- = 0,219 ms
                                    12 V – 0,5 V

T = 0,219 ms + 0,693 (30 kohm) . (47 nF) = 1,2 ms

        W        0,219 ms
D = —- = ————- = 0,183
        T        1,2 ms

        1        1
f = —– = ————- = 833 hz
        T         1,2 ms

Circuitos com o 555
Como a saída do 555 pode fornecer uma corrente até 200 mA, pelo que ele pode alimentar cargas relativamente grandes como relés, lâmpadas e altofalantes.
Exemplos de circuitos com o 555
. Arranque (START) e reinício (RESET)


Figura 10 – Temporizador monostável com largura de impulso ajustável por botões de Start e Reset

É um monoestável ligeiramente alterado.
Quando carregamos num botão (start) o circuito alimenta a carga por algum tempo.
O botão reset serve para reiniciarmos o circuito quando ele está a funcionar (alimentar a carga)

. Sirenes e Alarmes

Figura 11 – Circuito 555 astável funcionando como sirene ou alarme

É um astável.
Quando abrimos o interruptor o circuito produz um sinal rectangular com frequência determinada por R1, R2 e C1.

. Modulação de Largura de Impulso

Figura 12 – Temporizador 555 configurado como modulador de largura de impulso

É um monoestável.
Os valores de R, C, PCS e Vcc determinam a largura do impulso segundo a equação:
W = – R . C ln ( 1 – PCS/Vcc)
Ligando um sinal de baixa frequência chamado de sinal modulador através de um condensador ao pino 5. Este sinal pode ser voz ou dados. Como o pino 5 controla o valor de PCS, vmod spma-se a este valor, pelo que vamos ter um PCSmax e um PCSmin.
A entrada do pino 2 é uma sucessão de impulsos ou disparos chamda relógio. Cada disparo produz um impulso na saída. Como o período dos disparos é T, a saída será composta por uma série de impulsos do mesmo período. O sinal modulador não afecta este período mas faz alterasr a largura de cada impulso. No ponto A, o pico positivo do sinal modulador, o sinal de saída terá uma largura como se mostra na figura. No ponto B será mais estreito.
Este circuito usa-se muito em comunicações. Permite a um sinal modulador a baixa frequência (voz ou dados) mudar a largura de impulso de um sinal de frequência alta chamada portadora. A portadora modulada pode ser transmitida através de cabo de cobre, fibra óptica ou através do espaço para um receptor.
. Gerador de Rampa

Figura 13 – (a) O temporizador 555 e o transístor bipolar produzem uma saída em rampa. (b) Forma de onda do sinal de disparo e a rampa.

Se se carregar um condensador através duma resistência produz-se uma forma de onda exponecial. Se usarmos uma fonte de corrente constante em vez da resistência, a tensão do condensador é uma rampa.
Assim, da figura vemos que:
          Vcc – VE
Ic = —————-
          RE
Quando o sinal de disparo arranca o temporizador monoestável, o transístor pnp força uma corrente de carga no condensador. Portanto, a tensão através do condensador é uma rampa. A sua inclinação será:
          I
S = —-
          C
Como a tensão do condensador tem um máximo em 2/3 Vccantes de descarregar, o valor de pico da rampa mostrada é:
V = 2Vcc/3
e a duração T é:
T = 2Vcc/3S

Exemplo 1:
O gerador de rampa da figura 13 tem uma corrente constante de colector de 1 mA. Se Vcc = 15 V e C = 100 nF, quanto vale a inclinação da rampa de saída? Quanto vale o seu pico? Qual é a sua duração?
Solução:
A inclinação/declive:
          1 mA
S = ———– = 10 V / ms
          100 nF
O valor máximo:
        2 . (15 V)
V = —————— = 10 V
        3 . (10 V/ms)
A duração:
        2 . (15 V)
T = ——————— = 1 ms
        3 . (10 V/ms)

Questões:
1. Um temporizador 555 em modo monoestável tem um número de estados estáveis igual a:
a) 0
b) 1
c) 2
d) 3
2. Um temporizador 555 em modo astável tem um número de estados estáveis igual a:
a) 0
b) 1
c) 2
d) 3
3. A largura de impulso de um multivibrador de disparo único aumenta quando
a) Aumenta a tensão de alimentação
b) Diminui a resistência
c) Diminui o PCS
d) Aumenta o condensador de temporização
4. O sinal de saída de um temporizador 555 é
a) Sinusoidal
b) Triangular
c) Rectangular
d) Elíptica
5. Num modulador de largura de impulso o valor que permanece constante é
a) A largura de impulso
b) O período
c) O ciclo de trabalho
d) O espaço

Problemas
1. Um temporizador 555 está a funcionar em modo monoestável. Se R = 10 kohm e C = 0,022 uF. Qual é a largura do impulso?
2. Na figura 6, Vcc = 10V, R = 2,2 kohm e C = 0,1 uF. Qual é a tensão de disparo mínima que produz um sinal de saída? Qual é a tensão máxima no condensador? E a largura de impulso?
3. Um temporizador 555 em modo astável tem R1 = 10 kohm, R2 = 2 kohm e C = 0,0047 uF. Quanto vale a frequência?
4. O temporizador 555 da figura 8 tem R1 = 15 kohm, R2 = 10 kohm e C = 22 nF. Quanto vale a frequência do sinal de saída? Qual é o ciclo de trabalho?
5. O gerador de rampa da figura 13 tem uma corrente de colector de 05 mA. Se Vcc = 12 V e C = 68 nF, quanto vale a inclinação da rampa de saída? Quanto vale o seu máximo? Qual a sua duração?



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