Ne555
Vediamo in questo articolo di andare a conoscere un altro dei circuiti integrati più famosi, il ne555.
Essendo un integrato, si presenta nel suo package dip8, ovvero il classico contenitore da integrato con 8 pin.
Questo integrato, racchiude al suo interno un vero e proprio circuito, composto da vari componenti elettronici.
Sopra vediamo lo schema interno del 555, notiamo un partitore composto da 3 resistenze da 5K, da cui il nome 555, 2 amplificatori operazionali OP1 e OP2, un circuito set/reset comunemente chiamato flip/flop, ed un transistor npn con la sua resistenza di polarizzazione.
Partiamo con il parlare del circuito set/reset, esso oltre ai 2 pin di alimentazione vcc e gnd, presenta 2 ingressi S ed R, una uscita Q ed un altra uscita Q con sopra un stanghetta, detta Q negata, ed infine un pin di reset.
Il funzionamento del circuito set/reset è abbastanza semplice, ovviamente dopo averlo alimentato, quando invio tensione sull'ingresso S, la sua uscita Q si attiva, portandosi a livello alto, ovvero Vcc.
La cosa interessante, è che l'uscita Q rimane attiva, anche dopo aver tolto tensione sull'ingresso S, in pratica basta un impulso sull'ingresso S per attivare l'uscita Q.
L'uscita Q rimane attiva fino a quando un nuovo impulso sull'ingresso R non disattiva l'uscita, a quel punto tutto torna nella condizione di partenza in attesa di un nuovo impulso sull'ingresso S.
Infatti S sta per Set, ovvero setta l'uscita su on, R sta per reset ovvero resetta l'uscita portandola su off.
Insieme all'uscita Q, vi è pure l'uscita Q negata, (la Q con il trattino sopra), in molti integrati esistono uscite cosiddette negate, e altro non sono che normali uscite che però hanno il funzionamento invertito, ovvero forniscono tensione Vcc quando sono disattivate, e si portano a 0V o gnd quando vengono attivate.
Per farvi capire, se collegassimo un led all'uscita normale Q, questo sarebbe acceso quando l'uscita è attiva, e ovviamente spento con l'uscita disattivata, bene l'uscita Q negata funziona esattamente al contrario, quindi led acceso con uscita disattivata, e led spento con uscita attiva.
Infine oltre ai 2 ingressi e le 2 uscite, vi è un pin reset, questo serve per bloccare il funzionamento dell'integrato.
Noterete che tale ingresso è disegnato con un cerchietto, tale segno non è un errore, ma sta ad indicare che l'ingresso è negato, e come per l'uscita negata funziona in modo invertito.
Ovvero tale ingresso viene considerato attivo, quando è collegato a gnd o massa, e viene considerato inattivo quando collegato a Vcc, per cui normalmente tale ingresso di reset viene tenuto collegato a Vcc.
Adesso che abbiamo analizzato il funzionamento del circuito set/reset, possiamo analizzare l'intero circuito del ne555.
La prima serie di componenti che troviamo sono il partitore composto dalle 3 resistenze di uguale valore, tale partitore fissa 2 valori di tensione, pari a 1/3 di Vcc e 2/3 di Vcc.
Conosciamo la formula per calcolare la tensione proveniente da un partitore di tensione:
Vout=R2/(R1+R2)xVcc
Sul primo punto del partitore, (quello collegato all'ingresso V- di OP1) abbiamo la nostra R1 che è costituita dalla prima resistenza da 5K, e la R2 che è composta dalla serie delle rimanenti 2 resistenze, quindi 5K+5K=10K, e supponendo di alimentare il circuito con una tensione di 12V avremmo:
Vout=10/(5+10)x12 → 10/15x12 → 0,666x12=8V
Mentre invece sul secondo punto del partitore,(quello collegato all'ingresso V+ di OP2) abbiamo la nostra R1 che è costituita dalla serie delle prime 2 resistenze, quindi 5K+5K=10K, mentre la nostra R2, è costituita dall'ultima resistenza da 5K, e supponendo di alimentare il circuito sempre con la stessa tensione di 12V avremmo:
Vout=5/(10+5)x12 → 5/15x12 → 0,333x12=4V
Come è dimostrato dai calcoli, alimentando il circuito con 12v otteniamo le 2 tensioni di 4V e 8V, che sono esattamente 1/3 e 2/3 della tensione di alimentazione.
Tali tensioni sono collegate rispettivamente ai 2 ingressi dei 2 amplificatori operazionali, OP1 e OP2, quindi appena alimentiamo il nostro ne555 otteniamo questa situazione:
Adesso entrano in gioco i 2 amplificatori operazionali, utilizzati come comparatori, quando sull'ingresso V- di OP2 è presente una tensione inferiore a 4V, l'uscita di OP2 si porterà a circa Vcc, andando ad attivare l'ingresso S del set/reset, con conseguente attivazione dell'uscita Q.
Viceversa quando sull'ingresso V+ di OP1 è presente una tensione superiore ad 8V l'uscita di OP1 si porterà a circa Vcc, andando ad attivare l'ingresso R del set/reset, con conseguente disattivazione dell'uscita Q.
Infine vi è un transistor pilotato dall'uscita Q negata del set/reset, in questo modo quando il set/reset viene resettato, l'uscita Q negata diviene attiva, la resistenza satura il transistor, e il pin 7 viene collegato a massa.
Quanto detto sopra, in parole povere è il funzionamento del circuito ne555, ma a cosa servirà tutto questo in un circuito elettronico?
Vediamo subito di trovare alcune applicazioni.
Aggiungiamo al nostro ne555 una manciata di componenti, e precisamente due resistenze R1,R2 un condensatore C1, ed un pulsante P1.
Quando il circuito sopra viene alimentato, troviamo il set/reset che è resettato, l'uscita Q (pin3) sarà allora a livello basso gnd, e l'uscita Q negato del set/reset sarà invece a livello alto.
Questo significa che il transistor interno sarà attivo e di conseguenza l'uscita pin7 sarà connessa a massa.
Tale pin7 è collegato direttamente al pin 6, e al circuito RC composto da R2 e C1, questo comporta come prima cosa che il condensatore non si può caricare, (si trova in questo stato collegato tra massa e massa), e come seconda cosa che l'ingresso V+ di OP1 è mantenuto a tensione inferiore rispetto al suo ingresso V-, con la conseguenza che l'uscita di tale comparatore OP1 sarà 0V.
Pure l'uscita del secondo comparatore OP2, in questa situazione si trova a 0V, in quanto anche qua l'ingresso V+ è a tensione inferiore rispetto all'ingresso V- infatti su V+ ci sono 4V mentre su V- tramite la resistenza R1 ci sono 12V.
Diciamo che in questa situazione non può succedere nulla, e l'uscita pin3 rimane a 0V.
Vediamo ora quello che succede premendo il pulsante P1.
Con tale operazione portiamo l'ingresso pin2, direttamente a massa, questo comporta che l'ingresso V- di OP2 viene potato a 0V, mentre invece l'ingresso V+ rimane a 4V, in questa situazione V+ è maggiore di V-, allora l'uscita di OP2 si porta a circa Vcc andando a settare il set/reset interno.
Con set/reset attivo, la sua uscita Q si porta subito a circa Vcc, e di conseguenza il pin3 di uscita si porta a circa Vcc, in pratica premendo il pulsante attiviamo l'uscita del 555 pin3.
Tale uscita rimane attiva anche dopo aver lasciato il pulsante, perché abbiamo detto che il set/reset rimane attivo fino a quando non arriva un nuovo impulso sul pin R di reset.
Con l'attivarsi del set/reset e quindi dell'uscita Q, però si disattiva contemporaneamente l'uscita Q negata, e quindi il transistor interno, con la conseguenza che il pin7 cessa di essere collegato verso massa.
Questo significa che ora il condensatore C1 può iniziare a caricarsi tramite la resistenza R2, sul pin 6 avremmo allora una tensione che da 0V inizia a salire lentamente verso Vcc.
Il pin 6 è direttamente connesso all'ingresso V+ del comparatore OP1, il quale ricordiamo che ha il l'ingresso V- fissato a 8V, quindi succederà che solo dopo un certo lasso di tempo, il pinV+ si verrà a trovare a tensione superiore rispetto al pin V-.
Quando ciò accade, l'uscita del comparatore OP1, si porterà a livello alto circa Vcc, andando a resettare il set/reset.
L'uscita Q e quindi il pin3 tornerà a 0V, l'uscita Q negata tornerà nuovamente attiva, andando a saturare il transistor con la conseguenza che il quest'ultimo porterà nuovamente il pin 7 ad essere collegato a massa.
Il condensatore si verrà nuovamente a trovare collegato tra massa e massa, scaricandosi di colpo, e tutto tornerà nella condizione di partenza.
In pratica collegando 2 resistenze ed un condensatore, al nostro 555, abbiamo di fatto costruito un temporizzatore.
Premendo il pulsante P1, attiviamo l'uscita pin3, tale uscita rimane attiva per un certo tempo, che dipende dalla carica del condensatore, e quindi dalla sua capacità, e dal valore di R2 che regola la corrente di carica, dopo di che l'uscita si porterà a 0V, in attesa di una nuova pressione del pulsante P1.
Ovviamente l'integrato può avere anche altri utilizzi, e adesso ne vediamo un altro.
Sopra vediamo un altro schema, è stato eliminato il pulsante P1, e cambiato leggermente la disposizione delle resistenze.
Appena alimentiamo tale circuito, succede che il condensatore C1 è scarico, e sappiamo che un condensatore scarico si comporta come un circuito chiuso, questo significa che sui pin 2 e 6 che questa volta sono collegati assieme, abbiamo una tensione di 0V.
L'uscita di OP1 rimane a 0V, in quanto V+( che si trova a 0V) è minore di V-(che si trova ad 8V).
L'uscita di OP2 invece si porta subito a Vcc, perché V+(che si trova a 4V) è maggiore di V-(che si trova a 0V).
Con OP1 disattivo e OP2 attivo, si setta il set/reset, quindi l'uscita pin3 si porta subito a Vcc, e viceversa l'uscita Q negato si porta a 0V.
Il transistor interno quindi non è attivo, e l'uscita pin7 non viene collegata a massa.
In questa situazione, il condensatore C1 può iniziare a caricarsi, tramite le resistenze R1 ed R2, questo significa che la tensione sui pin 2 e 6, inizia a salire da 0V verso Vcc.
Quando questa tensione supera il valore di 4V, succede che l'uscita di OP2, si disattiva, in quanto ora V+ non è più maggiore di V-.
Questo non comporta nulla, il set/reset rimane comunque settato, e quindi l'uscita pin3 rimane attiva.
La tensione sui pin 2 e 6 continua ancora a salire fino a quando non supera il valore di 8V.
Quando ciò avviene succede che l'uscita di OP2 si porta a Vcc, in quanto adesso V+ è maggiore di V-, e la conseguenza è che il set/reset interno si resetta.
Resettandosi il set/reset, l'uscita pin3 si porta a massa, l'uscita Q negato si attiva, il transistor viene attivato, e il pin7 viene adesso collegato a massa.
Con pin7 collegato verso massa, il condensatore C1 non può più caricarsi, ma viceversa inizia a scaricarsi sulla resistenza R2, la tensione sui pin 2 e 6 inizia a scendere.
Quando tale tensione torna inferiore a 8V, l'uscita di OP1 nuovamente torna verso massa, perché V+ torna ad essere inferiore a V-, ma questo non comporta nulla, perché il set/rest interno rimane comunque resettato.
Quando però tale tensione scende sotto il valore di 4V, succede che l'uscita OP2 si attiva, perché adesso V+ torna ad essere maggiore di V-, con la conseguenza che il set/reset viene nuovamente settato.
L'uscita pin3 si porta nuovamente a Vcc, l'uscita Q negato si porta nuovamente a 0V, quindi transistor interno interdetto e pin7 che non è più collegato verso massa.
In questa situazione il condensatore C1 può nuovamente iniziare a caricarsi, in pratica siamo tornati nella situazione di partenza.
Tale ciclo si ripete all'infinito, con il condensatore che si carica e si scarica in continuazione, e l'uscita pin3 che si attiva e si disattiva in continuazione.
Anche in questo caso, il tempo che intercorre tra un passaggio e l'altro, dipende dal tempo di carica e scarica di C1, e quindi dalla capacità dello stesso, e dal valore di R1 ed R2.
Questo sistema di attivare e disattivare in continuazione una uscita, è chiamato oscillatore, o anche multivibratore.
Il suo utilizzo più semplice potrebbe essere quello di venir utilizzato per un lampeggiatore, ma vedremo in altri articoli, che questo circuito è molto utilizzato anche per altri scopi.
Nell'articolo sul condensatore, abbiamo visto che esiste una formula per calcolare il tempo di carica e di scarica di un condensatore, nella fase di On, il condensatore si carica tramite la serie di R1 + R2, quindi il possiamo pure calcolare il tempo in cui l'uscita rimane su ON con la formula:
Ton= 0,693x(R1+R2)xC
Mentre invece nella fase di Off, il condensatore si scarica solo sulla resistenza R2, quindi il tempo di scarica è uguale a:
Toff= 0,693xR2xC
Il 555 è un integrato, e come tale avrà dei parametri di funzionamento, il più importante è ovviamente la tensione di alimentazione che può andare da un minimo di 5V, ad un massimo di 15V, tale tensione è anche la massima che può essere inviata sugli ingressi, tra i parametri da conoscere vi è poi sicuramente la corrente di uscita del pin3 che può fornire max 200mA.
Insomma, un integrato che con pochi componenti è in grado di effettuare temporizzazioni, anche cicliche, non a caso vine pure definito timer 555.
Un integrato che torna utile in molte occasioni, e non mancherà di certo l'occasione di vederlo utilizzato in diversi circuiti.