Astable y Monoestable
En esta actividad lo que haremos sera conocer tanto el mecanismo interno del 555 como su funcionamiento para poder efectuar las distintas configuraciones que nos puede proporcionar este integrado.
Acá tenemos Hoja de datos del LM555 el cual nos va a proporcionar información sobre dicho integrado. En la misma podremos ver las configuraciones que nos ofrece el integrado y cuales son las especificaciones que debemos seguir para un correcto funcionamiento del mismo.Dentro de la hoja de datos también encontraremos el PINOUT del integrado y la configuración interna.
Función de cada PIN
Este integrado puede utilizarse entre otras cosas para el diseño de:
- Circuitos monoestables
- Osciladores astables
- Generador de rampas de tensión
- Detector de desaparición de impulsos
- Circuitos moduladores de impulsos
- Temporizadores secuenciales
- Osciladores controlados en tensión
Sus características más destacadas son:
- Trabaja con tiempos desde microsegundos a horas
- Puede funcionar en modo astable o monoestable
- Ciclo de trabajo ajustable
- Corrientes de salida de +-200mA
- Compatible con TTL con Vcc=5V
- Muy estable con la temperatura 0.005% por ºC
- Tensión de alimentación entre 4.5 y 18V
Configuraciones:
Astable
Monoestable
Acá les dejo un vídeo donde muestra el funcionamiento del LM555 y alguna de sus aplicaciones:
Acá dejo otro video de como utilizar el proteus para la actividad que vamos a realizar:
Aspectos básicos del Proteus
Presenta una filosofía de trabajo semejante al SPICE, arrastrando componentes de una barra e incrustandolos en la aplicación, como no es el objetivo de esta ayuda, dar un curso de Proteus si resaltaremos los aspectos relacionados a la configuración del proteus para que pueda simular diseños realizados para microcontroladores PIC usando las herramientas del curso de procesadores.
Una caracteristica por el cual el programa Proteus se destaca de los otros simuladores es que se puede simular el microcontrolador conectado al circuito habiendole precargado el programa es decir, te simula el programa y que hace en el programa.
Esta información fue tomada de http://www.frino.com.ar/proteus.htm
Además de dicha pagina podemos ver como configurar el programa.
Acá comienza la actividad con el astable:
Primero realizamos el circuito en proteus como el que vemos en la imagen anterior. Luego lo que hicimos fue verificar que el circuito funcionara correctamente con el osciloscopio, entonces lo que hicimos fue simularlo y ver la salida del 555 y como se carga y descarga el capacitor C1
La linea en Amarillo es la salida del 555 (pata 3) y la linea en celeste es la capacitor "C1"
La frecuencia de oscilación 992 Hz
El periodo dura 1 ms
La tensión en la salida es de 5v cuando esta en estado alto y 0v cuando se encuentra en estado bajo
El ciclo de trabajo es de D% = ( T1 / T ) * 100%
Donde D es Duty, T1 es el tiempo en que la salida se encuentra activa y T es el periodo, entonces hallamos el valor del ciclo de trabajo expresado en porcentaje:
R1 = 68K
R2 = 39K
C1 = C2 = 10nF
V+ = 5v
T1 = Ln (2) * C1 * ( R1 + R2 )
T1 = 0,7416
T2 = Ln (2) * C1 * R2
T2 = 0,2703
T = T1 + T2
T = 1 ms
D% = ( T1 / T ) * 100% = 73,28%
Entonces el ciclo de trabajo es del 73,28% por ende, de todo el periodo el 73,23% estará en estado alto mientras que el 26,62% restante estará en estado bajo. Esto se puede observar en el gráfico mostrado arriba.
La tensión con la cual se va a cargar y descargar el capacitor sera de 0 a 2/3 de Vcc y una vez cargado se ira a descarga hasta llegar a 0v.
2/3 de Vcc = 2,686v
Si desconectaras el pin de reset de V+ y lo conectaramos a GND lo que va a producir es que la salida se vaya a 0 y deje de funcionar hasta que lo vuelvas a conectar la pata a V+
Para poder armar un 555 de 40KHz lo que tenemos que hacer es guiarnos por la hoja de datos para ver que capacitores y resistores nos conviene utilizar. Nos fijamos y utilizamos estos componentes:
Supongo capacitor por la curva del 555 para aproximar el valor de resistor.
C1 = 10nF
Pero para llegar a dichos valores tuvimos que realizar ciertos cálculos como los que vemos a continuación:
Periodo = 1 / Frecuencia
T = 25 us
El duty lo elegimos nosotros, elegimos este particularmente debido a que los valores de resistencia nos van a dar iguales como a continuación lo demostraremos.
D% = 66 %
66% = T1 / T
T1 = 66% * T
T1 = 0,0165ms
T1 = Ln (2) * C1 * ( R1 + R2 )
T2 = Ln (2) * C1 * R2
0,0165 ms = Ln (2) * C * ( R1 + R2 )
0,0085 ms = Ln (2) * C *R2
R2 = 0,0085 ms / ( Ln (2) * C)
R2 = 1k2
0,0165ms = Ln (2) * C * ( R1 + R2 )
R1 = [0,0165 / (Ln (2) * C)] - R2
R1 = 1K2
Cuando ya teníamos todo calculado procedimos al armado del circuito para verificar el correcto funcionamiento del mismo.
Para poder armar el circuito lo que hicimos fue conseguir los materiales que habíamos calculado anteriormente, tener un protoboard y cables de par telefónico para poder conectar los distintos pines y alimentaciones del circuito.
Pasos a seguir para la realización del 555 en configuración astable:
- Lo primero que debemos hacer es colocar el integrado en el protoboard y empezar a ver el circuito que diseñamos previamente para así poder empezar con el armado.
- Luego empezamos a conectar las alimentaciones, es decir conectamos a la pata "8" Vcc (+5v) y a la pata "1" GND (0v)
- Por especificaciones tecnicas en la pata 5 colocaremos un capacitor de 10pF
- Colocaremos Vcc a pata "4" para que este funcionando y no se nos resetee el integrado y pueda funcionar correctamente
- Paso siguiente colocaremos la resitencia denominada "R1" entre Vcc y la pata "7"
- Luego desde la pata "7" colocaremos una segunda resistencia denominada "R2" a la pata "6" la cual va a estar puenteada con la pata "2"
- De la pata "2" sacaremos un capacitor llamado "C1" y lo conectamos a GND
- Y en la pata "3" es donde mediremos la señal de salida la cual veremos a continuación
- Y nuestro ultimo paso sera revisar el circuito para que ver que no hayamos cometido ninguna falla en el conexionado y que funcione correctamente.
En esta imagen observamos la salida que obtuvimos al medir con el osciloscopio el circuito diseñado
(medido en pata "3")
En la imagen lo que podemos observar es el ciclo de trabajo de 555 con la configuración en modo astable. Podemos ver que la salida esta mas tiempo en estado alto que estado bajo, por lo tanto el ciclo de trabajo es mayor al 50% y como hemos calculado deberia de ser del 66% pero no lo es, a continuación veremos un cuadro comparativo que nos compara los valores teóricos con los prácticos y ahi veremos la diferencias que encontramos
Como se ve en el cuadro anterior los valores teóricos difieren a los prácticos y por eso es que cuando vemos lo obtenido en el circuito que hemos armado no obtenemos los mismo valores que habiamos calculado previamente porque no estamos partiendo con los mismo valores debido a las imperfecciones que tienen los componentes a la hora de su fabricacion, ya que no se pueden hacer todos los componentes iguales. Estas imperfecciones hacen que nuestro resultado varie en algunos aspectos, como por ejemplo: como los valores de los resistores y del capacitor no son los que habiamos calculado esto nos modificara los tiempos de estado alto y bajo del 555 ya que dependen directamente de la resistencia y del capacitor. Si nosotros aumentamos la resistencia el tiempo sera mayor, al igual que si en vez de la resistencia aumentaramos el capacitor o subiéramos ambos valores, tanto de resistencia como del capacitor. También vemos que la tensión maxima no es la misma ya que se pierde algo de tensión en la fuente que tal vez nos entrega un poco menos de la requerida. Debido a todo es que nuestro resultado no sera identico al cualcuado por nosotros idealmente.
Luego de haber echo todos estos calculos lo que hicimos fue diseñarlo en plaqueta y lo primero que hicimos fue armar el esquemático y nos quedo asi
Este fue nuestro esquemático, un 555 en configuración hastable que consta de 2 resistores, 2 capacitores y 1 LM 555. Esta conectado como mensionamos anteriormente. Una vez que teniamos estos diseñado pasamos a la parte del diseño de la plaqueta, pero primero tuvimos que poner las reglas para poder diseñar correctamente y con las normas que requerimos para que su funcionamiento sea el correcto.
- La perimer regla que pusismo fue cambiar la distancia entre pistas y en polygon plane. Para ello vamos a Desing, luego a rules y nos aparecera una nueva ventana como la siguiente
- Ahora lo que haremos sera cambiar el ancho de las pistas, para ellos vamos a Width Constraint
- Ahora vamos a proseguir con seleccionar las lineas de ruteo, para ellos vamos a ir a Routing Layers
- Por ultimo vamos a la pestaña que dice manufacturing
Y aca lo que haremos sera modificar las medidas, ponerle 10 mil a la separación entre pistas y 40 mil a la separación en polygon plane, pero para el polygon lo que deberemos hacer sera cambiar las opciones a como lo vemos en la siguiente imagen
Y ahi ya tenemos estas reglas puestas y proseguimos al siguiente paso
Una vez que estamos aquí lo que haremos sera hacer doble click en la capa y modificarlo y ponerlo como vemos a continuación
Una vez que le dimos a todos los tamaños 20 mil ya terminamos con este paso y podemos continuar al siguiente
Luego tenemos que hacer doble click en la opción que nos da y poner en TopLayer "Not used" y en BottomLayer "Any" y termianmos con este paso y vamos al ultimo paso para poder finalizar de determinar las reglas a utilizar
Ahora lo que tenemos que hacer es entrar a la opción que nos da y modificar el tipo de conexionado a directo como se ve en la siguiente imágen
Una vez terminado de hacer esto ya estamos listo para empezar nuestro ruteado.
Luego lo que hicimos fue rutear nuestra plaqueta y asi es como nos quedo
Ahora comenzamos a trabajar con el 555 en su configuración de monoestable.
Lo primero que hicimos fue simular en el proteus el 555 en su configuración monoestable en el proteus y ver que era lo que sucedía.
En la imagen que acabamos de ver podemos observar la salida del 555 en su configuración monoestable (color amarillo) y la carga del capacitor (color celeste). En el gráfico lo que podemos ver es que desde que se da el pulso de inicio el LM 555 comienza a funcionar lo que hace es pasar de estado bajo a un estado alto durante el tiempo establecido por la siguiente ecuación:
T = Ln (3) * C * R
Esta ecuación es la que nos va a dar el tiempo de trabajo del integrado y el valor de este tiempo estará determinado por el valor de resistencia y capacitor.
Una vez que supimos la ecuación lo que hicimos fue plantearnos hacer el circuito nosotros para poder verlo diseñado por nosotros mismo y comprobar que pasaba en la practica, ya que la teoría no es igual a la practica. Entonces con el desafió planteado por el profesor y nuestra curiosidad lo que proseguimos a hacer es armar el circuito para ello primero calculamos el tiempo de trabajo. Para ello utilizamos al formula que previamente hemos mostrado y la aplicamos para ver los valores de los componentes requeridos. Lo s pasos fueron los siguientes:
Primero planteamos la ecuación con el tiempo que requeríamos
50 mseg = Ln (3) * C * R
Luego supusimos un valor de capacitor por hoja de datos para poder estimar el valor de resistencia, el valor seleccionado fue 10 uF, elegimos suponer el valor de capacitor y no el de la resistencia porque hay mas valores de resistencia que de capacitores
50 mseg = 1,1 * 10 uF * R
Los siguiente fue despejar el valor de R
R = 50 mseg / ( 10 uF * 1,1 )
Hallamos el valor de R
R = 4,55 K
Una vez que tenemos el valor de la resistencia la normalizamos
R = 4,7K
Ahora procedemos a re calcular el tiempo de trabajo
T = Ln (3) * C * R
T = 1,1 * 10uF * 4,7 K
Hallamos el nuevo tiempo de trabajo con la resistencia normalizada
T = 51,634 mseg
Una vez que poseíamos todos los valores necesarios para poder emplear nuestro circuito comenzamos con el armado, pero previamente conseguimos todos los componentes necesarios para poder armarlo y medirlo.
Los materiales utilizados fueron los siguientes:
- Resistencia de 4,7 K
- Resistencia de 10 K
- Capacitor de 10 uF
- Capacitor de 10 pF
- Pulsador
- LM 555
- Protoboard
- Cables de par telefónico
- Cable para conectar al osciloscopio
- Cable para conectar a la fuente
- Una fuente que nos provea de +5v
Una vez que teníamos todos los componentes que necesitábamos pasamos a armar el circuito siguiendo los pasos que a continuación voy a describir:
- Primero colocaremos el 555 en el protoboard
- Luego empezamos por conectar la alimentación, es decir, conectamos a la pata "8" +5v y a la pata "1" le conectaremos GND
- Ahora conectamos +5v a pata "4" para que el 555 no se resetee y funcione correctamente mientras lo necesitemos
- Después seguiremos por conectar una especificación técnica que veremos por hoja de datos que nos indica que debemos colocar un capacitor de 10 pF a la pata "5" del 555
- Luego conectamos la resistencia calculada entre +5v y la pata "7"
- Próximo paso puenteamos la pata "6" con la pata "7"
- Paso siguiente de pata "6" sacamos un capacitor (el que habíamos supuesto) y lo mandamos a GND
- Ahora lo que haremos sera colocar una resistencia de pull-up, para ellos la pondremos entre +5v y pata 2
- Lo que tenemos que hacer ahora es conectar el pulsador entre la pata "2" y GND
- La pata "3" quedara sin conexión hasta que la tengamos que usar para medir la salida, en ese momento lo que haremos sera sacar un cable de la pata "3" y conectarlo a la punta del osciloscopio
- Y el ultimo paso sera revisar el circuito para comprobar que no haya ninguna equivocación y que el circuito funcione correctamente.
- Y lo que resta sera probar el correcto funcionamiento del circuito.
Lo que hicimos luego de lo siguiente fue probar el circuito y ver que nos diera como habíamos visto cuando simulamos el circuito y esto fue lo que obtuvimos a la salida
La salida nos dio como lo habíamos previsto, salvando por los valores obtenidos que era lo mas seguro debido a las imperfecciones que poseen los materiales. Las diferencias que encontramos se pueden observar en el cuadro que veremos a continuación
En el cuadro que hemos visto se pueden notar las diferencias entre la teoría y la practica, estas diferencias son las que hacen que nuestros cálculos no sean iguales a los resultados prácticos.
Luego de todo lo visto nos apareció una curiosidad que pasaba si manteníamos apretado el pulsador más tiempo que el que habíamos calculado. Entonces probamos a ver que era lo que sucedía y lo que paso fue que la salida se mantuvo en estado alto hasta que soltamos el pulsador y se cumpliera el tiempo que habíamos seleccionado.
Para finalizar lo que hicimos fue diseñarlo en plaqueta y así nos quedo el esquemático y el PCB (para la realización de esta plaqueta seguimos los mismo pasos que para la realización de la plaqueta astable):
En el cuadro que hemos visto se pueden notar las diferencias entre la teoría y la practica, estas diferencias son las que hacen que nuestros cálculos no sean iguales a los resultados prácticos.
Luego de todo lo visto nos apareció una curiosidad que pasaba si manteníamos apretado el pulsador más tiempo que el que habíamos calculado. Entonces probamos a ver que era lo que sucedía y lo que paso fue que la salida se mantuvo en estado alto hasta que soltamos el pulsador y se cumpliera el tiempo que habíamos seleccionado.
Para finalizar lo que hicimos fue diseñarlo en plaqueta y así nos quedo el esquemático y el PCB (para la realización de esta plaqueta seguimos los mismo pasos que para la realización de la plaqueta astable):
Esquemático
Plaqueta
Observaciones y datos adicionales:
- El 555 es un integrado que pude cumplir varias funciones, ya que se lo pude utilizar para varias aplicaciones dependiendo de su configuración
- Este integrado en configuración astable nos proporciona un ciclo de trabajo el cual posee dos estados, uno alto y otro bajo. En el estado alto nos proveerá de la tensión igual o muy próxima a la de alimentación y en el estado bajo nos dará una tensión igual a 0v.
- El 555 en su configuración monoestable nos proporcionara un solo momento de trabajo el cual sera cuando nosotros le demos el inicio a través del pulsador, una vez que se le da el comienzo al circuito este empieza a trabajar durante un tiempo que previamente hemos seleccionado adecuadamente para el trabajo que vayamos a efectuar. Entonces la salida permanecerá en un estado alto hasta que el tiempo que habíamos calculado haya finalizado y automáticamente la salida pasara a 0v.
- Cuando el 555 se encuentra en configuración monoestable si mantemos el pulsador la salida se encontrara en estado alto hasta que soltemos el pulsador y luego de soltarlo esperara a cumplir el tiempo indicado y se apagara.
- Una curiosidad fue que los 555 en sus dos configuraciones se pueden conectar entre si y producir una nueva salida dependiente de el integrado anterior. Para poder hacer esto lo que se debe hacer es conectar la salida del 555 a la pata de reset del segundo 555 y lo que hará sera que mientras la salida del primer 555 este activo el segundo permanecerá activo y cuando la salida del primer integrado pase a el estado bajo el segundo integrado se reseteara y pasara su salida a 0. A esto se lo llama un tren de pulso. Además se podría conectar un tercer 555 a la salida del segundo 555 y que cuando el segundo 555 este en estado alto lo que pasara sera que en vez de tener la salida de este integrado, tendremos la activación del tercer 555 y veremos la salida del tercer 555. Produciendo así el tren de pulsos.
- Ademas hemos visto que la teoría no es igual a la practica por la imperfecciones de los materiales utilizados, por lo tanto debemos prevenir dicho errores para no tener problemas a la hora de usar un circuito, para algo especifico y que los valores que creíamos tener sean los mismos y no otros ya que esto nos podría traer problemas luego.
