Teoria, e relativa pratica, sul NE555

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Categoria: Elettronica
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Teoria e funzionamento del NE555

Una breve spiegazione del funzionamento interno del NE555, con tanto di schemi, formule e realizzazione pratica su breadboard e millefori.

Introduzione

Questo probabilmente sarà il decimillesimo articolo sul NE555. Dopo aver analizzato un bel po' di altre pagine riguardo a questo integrato volevo condividere le conoscenze apprese alla comunità di grix. Per questo mi riferisco a come progettare circuiti con questo IC, all'analisi della sua struttura interna e alle sue caratteristiche.

Le caratteristiche del NE555

Anche se credo che ormai tutti i partecipanti di questa comunità le sappiano è bene ripeterle:

(tabella tratta in parte da Wikipedia).

Produttore

Modello Note
STMicroelectronics NE555/SA555/SE555 Uno dei più diffusi
National Semiconductor

LM1455/LM555C

LMC555

Vcc min. = 1,5V

(LMC555)

Texas Instruments NA555/NE555/SA555/SE555 Anche questo molto diffuso
Fairchild Semiconductor LM555/NE555/SA555  
Intersil SE555/NE555/ICM7555  
Texas Instruments (2) TLC555 Vcc min. = 2V
Maxim ICM7555 Vcc min. = 2V
Zetex ZSCT1555

Vcc min. = 0,6V

Vcc max. = 6V

Dove non sono indicate le tensioni minime o massime si adottano quelle standard per i C/Mos ossia da 5 a 15V.

Gli impieghi del NE555 e le due configurazioni di base

5V.Gli impieghi di questo integrato sono tantissimi: dal semplice lampeggiatore o rivelatore crepuscolare fino ai più complessi timer regolabili, generatori di segnali a onda quadra o a dente di sega, circuiti antirimbalzo o trasmettitori ad infrarossi.
Più complessi ma non tanto poichè i circuiti con questo integrato non tendono ad avere molti componenti.
In questo articolo ci interesseremo a due particolari configurazioni del NE555 che consentono di fare moltissime cose: sto parlando del circuito astabile e monostabile.
La loro definizione non è tanto difficile:
-Un circuito astabile con l'NE555 fa continuamente oscillare la sua uscita dal livello logico 0 al livello logico 1 o viceversa. In parole povere genera un segnale ad una certa frequenza che sale fino alla tensione di alimentazione (Vcc- livello logico 1) e poi scende (di colpo o lentamente) verso 0V (livello logico 0).
Una caratteristica di questo circuito è che la maggior parte delle volte non necessita di Input, ossia di un segnale che lo comandi (a meno che non si voglia agire sul pin 5 come spiegherò più avanti), ma solo di un'alimentazione.
-Un circuito monostabile sempre con l'NE555 necessita invece sempre di un Input. Appena questa tensione scende a meno di un terzo della Vcc l'uscita dell'IC si porta alla tensione di alimentazione per un certo tempo.
Fanno parte di questa configurazione anche i numerosi timer.
 
Ora che abbiamo definito queste due configurazioni base dell'integrato è tempo di analizzarne la sua struttura interna:
 

La struttura interna del NE555

Per affrontare questa parte, molto importante se si vuole progettare un circuito con il NE555, bisogna osservare attentamente lo schema a blocchi di questo integrato immaginando proprio lo scorrere della corrente al suo interno.
Definisco inoltre che questo IC è analogico (lo potete notare dal datasheet: utilizza transistor e non porte logiche o altro).
 
 
Quest'immagine tratta dal datasheet dell'NE555 della Philips mostra la sua struttura interna e il suo funzionamento in configurazione astabile.
Spieghiamo quindi un po' il suo funzionamento.
L'IC prende il nome dalle 3 resistenze contrassegnate con R che hanno ognuna il valore di 5 Kohm. La loro funzione è quella di dividere la tensione di alimentazione (Vcc) da applicare poi ridotta a due terzi all'ingresso non invertente (+ anche se nell'immagine non è segnato è possibile notarlo nella figura qui a destra) del primo comparatore e ridotta ad un terzo all'ingresso invertente del secondo (-, putroppo non è visibile nella prima immagine ma in questa qua a destra).
La loro funzione è semplice: se la tensione sulla loro entrata non invertente è maggiore di quella sull'entrata invertente la loro uscita si commuta a livello logico 1 pari a quello della tensione di alimentazione.
Quindi si può notare che per portare a livello logico l'uscita del secondo comparatore bisogna che nel suo ingresso invertente ci sia una tensione più bassa di Vcc/3. Ciò nel circuito dell'immagine si verifica quasi immediatamente grazie alle resistenze Ra e Rb.
Il livello logico 1 all'uscita del comparatore va ad attivare quel misterioso componente a forma rettangolare chiamato Flip-flop in questo caso di tipo set-reset.
Ignoriamo il suo funzionamento completo (spiegarlo porterebbe via molto tempo) ma notiamo solo che quando la porta set (proprio quella unita al secondo comparatore) si porta a livello logico 1, la sua uscita (in realtà sarebbero due ma vabbè...) si porta a livello logico 0.
Questo livello logico viene però invertito dalla porta logica Inverter, rappresentata nello schema da un blocco di nome Output.
Quindi all'uscita dell'integrato (pin 3) dopo tutto questo procedimento è presente un livello logico 1.
Questa condizione rimarrebbe stabile (e il NE555 sarebbe inutile) se non fosse presente un transistor collegato anch'esso all'uscita del flip-flop che come abbiamo visto è a livello logico 0 (0V).
Poichè questo segnale viene applicato sulla sua base il transistor è interdetto ("spento") e non fa passare corrente tra il suo emettitore e il suo collettore. Risultato: il pin 7 non è più collegato a massa.
Ciò fa scattare quindi un'altra cosa: il condensatore C ora riceve corrente e inizia a caricarsi... fino a quando non arriva a due terzi della tensione di alimentazione.
Siccome esso è collegato all'ingresso non invertente del primo comparatore esso si attiva (la tensione sull'entrata + è maggiore di quella sull'entrata -) e porta a livello logico 1 la sua uscita. Essa è collegata all'entrata reset del flip-flop che in pratica porta a livello logico 1 la sua uscita. L'Inverter fa il suo dovere e porta questo livello logico a 0 che rimane presente sull'uscita.
Il transistor però non è collegato al flip-flop tramite un Inverter e riceve quindi sulla sua base una tensione sufficiente a fallo saturare (ossia "accendere" per chi non conosce il termine) e inizia a scorrere corrente tra il suo emettitore e il suo collettore. Risultato ora il pin 7 è collegato a massa.
Il condensatore a questo punto si scarica tramite la resistenza Rb fino a quando... la tensione ai suoi capi non è inferiore ad un terzo di quella di alimentazione. Così si riattiva il secondo comparatore... ... ... ... e si ripete il ciclo all'infinito generando in uscita un'onda quadra.
Ora quelli che non hanno mai osservato la struttura interna del NE555 non lo considereranno più un circuito tanto "banale" poichè si può vedere come il suo funzionamento sia articolato e ingegnoso.
 
Ora analizzeremo il funzionamento di questo IC nella configurazione monostabile.
Siccome ho già spiegato il funzionamento di tutte le sue parti non lo rifarò ma eseguirò solo il corso completo della corrente all'interno dell'integrato.
Stavolta c'è un input che viene applicato sul pin 2 (quello dell'entrata invertente del secondo comparatore). Il funzionamento dell'intero circuito sarà quindi regolato proprio da questo segnale. Appena esso scende sotto un terzo della Vcc (la tensione di alimentazione) si attiva il secondo comparatore che porta a livello logico 1 la sua uscita. Essa arriva all'ingresso Set del flip-flop e manda la sua uscita a livello logico 0.
Questo livello viene invertito dall'Inverter in modo da ottenere in uscita (pin 3) un livello logico 1.
Il transistor però riceve un livello logico 0 sulla sua base e per questo rimane interdetto "scollegando" il suo emettitore dal suo collettore.
Ora il pin 7 non è più collegato a massa e quindi la Vcc può caricare il condensatore... fino a quando la tensione ai suoi capi non raggiunge i 2/3 della tensione di alimentazione.
Si attiva quindi il primo comparatore che porta la sua uscita a livello logico 1. Essa comanda l'ingresso Reset del Flip-flop che di conseguenza porta a livello logico 1 la sua uscita.
Questo livello logico viene invertito dall'Inverter portando quindi il pin 3 a 0V.
Intanto il transistor riceve un segnale sulla sua base che lo fa saturare "connettendo" il pin 7 alla massa.
La tensione non raggiunge più il condensatore che si scarica sul pin 7.
Il lavoro dell'integrato finisce qui, in attesa che un altro fronte di discesa sul pin 2 attivi il secondo comparatore.
 

 Qualche formula...

Ora riporterò qualche formula utile per progettare un circuito astabile o monostabile con l'NE555. Prima di ciò bisogna però conoscere un nuovo elemento che condiziona profondamente le formule... ossia il duty-cicle. Infatti l'onda quadra di un astabile rimane per un certo tempo a livello logico 1 e per un altro tempo a livello logico 0. Il duty-cicle è esattamente il rapporto fra questi due tempi. Nelle formule lo indicherò con "d". Un altro fattore importante è la frequenza dell'onda generata dall'IC in Hertz che riporterò con la sigla "Fs".

Iniziamo...

Formule per un buon astabile

-Duty-cicle > 50%

In questo caso lo schema è uguale a quello utilizzato per spiegare il funzionamento dell'astabile, lo riporto qui sotto "ripulito":

Fissando una resistenza (in questo caso Rb), il duty cicle e la frequenza si può ricavare il valore di Ra e di C (le resistenze sono espresse in Ohm, le capacità in Farad e il duty cicle in numero decimale: es. 50% = 0,5)

Rb = valore tra 5K e 200K

Ra = [Rb x (2xd - 1)] / (1 - d)

C = 1,443 / [Fs x (Ra + Rbx2)]

Ora passiamo anche alle formule inverse, utili per calcolare la vera frequenza o il vero duty-cicle con i valori reali delle resistenze o dei condensatori.

Ecco quindi:

d = (Ra + Rb) / (Ra + 2xRb)

Fs = 1,443 / [C x (Ra + 2Rb)]

Inoltre per curiosità si possono calcolare anche i periodi in cui l'onda rettangolare resta a livello logico 1 (t1) o 0 (t2) con queste formule:

t1 = 0,693 x (Ra + Rb) x C

t2 = 0,693 x Rb x C

-Duty cicle = 50%

In questo caso lo schema risulta leggermente modificato come visibile in figura:


In questo caso bisogna fissare il valore di una resistenza (per esempio la R1). L'altra sarà data dalla seguente formula:

R2 = 2,36 x R1

Dopodichè sarà possibile calcolare la capacità (in Farad) del condensatore C1:

C = 0,7215 / (Fs x R2)

Il condensatore C2 tra la massa e il pin 5 serve per "filtrare" alcuni disturbi che potrebbero alterare il comportamento del 555.

 Formule per un buon monostabile

In questo caso ci interesserà sapere solo il valore del condensatore e di t1 ossia del tempo in cui il segnale che esce dal pin 3 resta a livello logico 1.

Lo schema è lo stesso della seconda spiegazione ma per maggiore chiarezza lo rielaboro con Eagle:

Quindi le formule sono:

Ra = valore da 1K a 200K

t1 = 1,1 x Ra x C

C = t1 / (1,1 x Ra)

Passiamo quindi alla pratica...

Pratica con il NE555

Inizio col dire che ho realizzato i tre circuiti presentati, uno sulla breadboard e gli altri due sulla millefori (non avevo abbastanza NE555 xD).

Partiamo da quello realizzato su breadboard... è un astabile con duty cicle maggiore del 50% di cui ho fatto anche un breve video del funzionamento.

Ho scelto una frequenza di 0,25 Hz per far notare molto bene il duty cicle (purtroppo non avendo l'oscilloscopio ho dovuto verificare ad "occhio"). Il duty-cicle che ho scelto è dell' 80% e la Rb di 10K.

Secondo le formule riportate prima si ottiene quindi:

Ra = [10000 x (0,8 x 2 - 1)] / (1-0, = [10000 x (1,6 - 1)] / 0,2 = 10000 x 0,6 / 0,2 = 30000 = 30K

C = 1,443 / [0,25 x (30000 + 10000 x 2)] = 1,443 / [0,25 x 50000] = 1,443 / 12500 = 0,00011544 F = 115uF

Siccome quest'ultimo valore non esiste ho optato per un condensatore da 100 uF. Per la resistenza invece ho messo in serie una res da 22K e una da 8,2K ottenendo 30,2K

La frequenza risulta quindi di:

1,443 / [0,0001 x (30200 + 10000 x 2)] = 1,443 / [0,0001 x 50200] = 1,443 / 5,02 = 0,287450199 Hz una differenza irrisoria alla frequenza che avevo in mente... (0,25Hz).

Ricapitolando:

Rb = 10K

Ra = 30,2 K (22K + 8,2K)

C = 100uF

Come potete vedere il primo LED si accende per un valore dato da questa formula:

t1 = 0,693 x (Ra+Rb) x C

che in questo caso è pari a:

0,693 x (30200 + 10000) x 0,0001 = 0,693 x 40200 x 0,0001 = 2,78586 s

Il secondo LED invece si accende per soli:

t2 = 0,693 x Rb x C

0,693 x 10000 x 0,0001 = 0,693s

Passiamo quindi al secondo circuito:

Questo è sempre un astabile ma stavolta con il duty cicle uguale a 50%. La frequenza che ho scelto è sempre di 0,25 Hz, che, equivalendo ad un periodo di (1/0,25) 4s, pone t1 e t2 al valore esatto di 2s.

Per fare questo ho scelto una Rb (anche se nello schema sopra è scritta R1) di 10K. Ra (nello schema R2) è quindi pari a 2,36 Rb e quindi a 23,6K (18K + 5,6K in serie).

Il condensatore sarà quindi:

0,7215 / (Fs x Ra) = 0,7215 / (0,25 x 23600) = 0,7215 / 5900 = 0,000122288 F = 122uF

Per realizzare questo valore ho messo in parallelo due condensatori, uno da 100uF e l'altro da 22uF ottenendo quindi la capacità desiderata.

Posto quindi le foto della realizzazione su millefori:

In questa foto si vede il circuito completo dei due LED

In questa si vede sempre il circuito ma da un'altra angolazione

E infine ecco il terzo, e ultimo, circuito:

Sempre su millefori passiamo all'ultimo circuito, ossia un timer monostabile. Lo schema lo potete vedere sempre nel capitolo precedente.

Ho scelto un t1 abbastanza basso per consentire di fare un filmato del funzionamento. Ho quindi calcolato il circuito timer per 10s.

Ra = 82K (per abbassare un po' la capacità C)

C = 10s / (1,1 x 82000) = 10s / 90200 = 0,000110864 = 110uF

Siccome non avevo condensatori da mettere in parallelo per ottenere questo valore mi sono accontentato di 100uF ottenendo però un periodo t1 pari a:

t1 = 1,1 x 82000 x 0,0001 = 9,02s

un secondo in meno del valore che volevo (10s).

Passiamo quindi alle foto e al filmato della realizzazione:

In questa si vede il circuito "spento". Il Led è quasi completamente nascosto dal condensatore.

(non badate al dip-switch in basso a destra... era per un altro progetto xD)

Qui invece si vede il timer in funzione: il LED è acceso e lo rimarrà per altri 9s

Nel filmato potete notare che toccando il cavetto del pin 2 del 555 il timer si attiva. Questo comportamento mi ha un po' sorpreso e per chiarirlo mi sono affidato alle risposte di soncerma (che ringrazio) per cui questo integrato è sensibile anche alle bassissime correnti elettrostatiche del corpo umano.

Conclusione e scopo della guida

 All'inizio ero incerto se mettere questa guida nella sezione tutorial o schemi. La mia scelta è ricaduta sui tutorial visto che non ho usato informazioni e schemi miei, ma notizie sparse su Internet e sui libri di elettronica.

Ho quindi rielaborato un po' tutto per una lettura più facile e comprensibile, con tanto di esempi "pratici" di uso delle formule. Questo articolo è dedicato a chi, come me, si affaccia ancora al mondo dell'elettronica.

Lascio quindi a voi la parola.

Saluti dal mago di Urkuk.

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