Temporizador 555 como oscilador astable
Teoría de operación
El temporizador 555 se puede utilizar como astable o multivibrador de oscilación libre, esto quiere decir que a su salida no hay un estado fijo, sino que esta cambia de estado en periodos de tiempo fijo.
La Fig. muestra la configuración del 555 como astable.
La teoría de operación es como sigue: Supongamos que en un inicio el capacitor está descargado. En la entrada del comparador U2 se tiene en la entrada negativa un voltaje de 0V y en la entrada positiva un voltaje de Vcc/3, por lo cual, en la salida se tiene un valor aproximado de Vcc. En el comparador U1 se tiene en la entrada positiva un valor de 0V y en la entrada negativa un valor de 2Vcc/3, por lo cual en la salida se tiene un valor de 0V.
Con las salidas de los comparadores se tiene que en la entrada R del flip-flop se tenga V_cc y en la entrada S un valor de 0V, por lo tanto, en la salida del flip-flop se tiene un valor de Vcc y en su salida complementaria se tienga un valor de 0V.
Con la salida complementaria del flip-flop en 0V, el transistor de paso Q1 esta en corte, por tanto, no conduce. Lo anterior produce que el capacitor ahora se cargue gradualmente a través de R1 y R2. La carga del capacitor se realiza hasta que alcanza el valor de 2Vcc/3, cuando alcanza dicho valor las salidas de los comparadores se invierten. Esto produce que conmute la salida del flip-flop, en otras palabras, ahora la salida tiene un valor de 0V y la salida complementaria un valor de Vcc.
Con la salida del flip-flop en Vcc, el transistor de paso ahora conduce y esto produce que el capacitor ahora se descargue a través de R2. Este estado se mantiene hasta que el capacitor alcance el valor de Vcc/3 y conmuten nuevamente las salidas del flip-flop. Las condiciones anteriores se repiten indefinidamente, produciendo en la salida una oscilación. En la figura se observa el comportamiento antes mencionado, en donde la señal en verde representa la salida del flip-flop y la salida en rosa la carga y descarga del capacitor.
Un análisis similar se puede realizar si se considera que el capacitor está cargado completamente.
Para la carga del capacitor se tiene una salida en el 555 en alto. La ecuación que describe este comportamiento está dado por:
Teniendo en cuenta que para la carga del capacitor se tiene una salida en alto, obtenemos que t = tH y el voltaje final en el capacitor es 2 Vcc/3. Sustituyendo lo anterior y despejando tH, se obtiene:
El mismo análisis matemático se puede realizar para la descarga del capacitor, en donde la descarga se da a través de R2, dando un resultado ahora para tD de:
El periodo a la salida del 555 está compuesto por tH y tD. La ecuación que describe el periodo está dado por:
La frecuencia está dada por:
El ciclo de trabajo (en porcentaje), que se define como el tiempo en que está activo o en alto la salida con respecto al periodo de la señal al 100%, está dado por:
Ejemplo de análisis
Ejemplo: El 555 se configura como oscilador astable. Los valores de R1 son 10k, R2 de 10k y C es de 10n. Calcule el tiempo en alto, el tiempo en bajo, el periodo, la frecuencia y el ciclo de trabajo.
Solución: Como el 555 como oscilador astable, utilizamos las fórmulas mostradas anteriormente.
Para el tiempo en alto, tH, tenemos:
Para el tiempo en bajo, tL, tenemos:
Para el periodo de la señal, T, tenemos:
Para la frecuencia, f, tenemos:
Finalmente, para el ciclo de trabajo, D.C.(%), tenemos:
Ejemplo de diseño
Ejemplo: Diseñe un oscilador astable construido con un 555 de tal manera que se tenga a su salida una señal con una frecuencia de 2kHz y un ciclo de trabajo del 75%.
Solución: Se comienza realizando el análisis del problema como sigue:
De la ecuación de la frecuencia, f ,despejamos el valor del periodo, T:
De la ecuación del ciclo de trabajo, D.C.(%), podemos despejar el valor de tH y sustituyendo valores obtenemos:
De la ecuación del periodo que relaciona tH y tL podemos despejar el valor de tL, obteniendo:
Sustituyendo valores en las ecuaciones de tH y tL que relacionan a R1, R2 y C, tenemos:
y
Como observamos tenemos dos ecuaciones y tres incógnitas, R1, R2 y C, como en la mayoría de los diseños. En este caso de estudio, podemos elegir alguna de las incógnitas y darle un valor. Se elige entonces el valor de C, sin embargo, para esto se debe elegir un valor comercial, por tanto, damos a C el valor de 100nF. Finalmente de la ecuación de tL despejamos el valor de R2, teniendo así:
De la ecuación tH despejamos el valor de R1, teniendo así:
Ejercicios propuestos
Ejercicio 1: El 555 se configura como oscilador astable. El valor de R1 es 15k, R2 de 25k y C de 1uF. Calcule el tiempo en alto, el tiempo en bajo, el periodo, la frecuencia y el ciclo de trabajo.
Ejercicio 2: El 555 está configurado como oscilador astable. Determine el tiempo en alto, el tiempo en bajo, el periodo, la frecuencia y el ciclo de trabajo si R1 es de 20k, R2 de 33k y C es de 100 uf.
Ejercicio 3: Diseñe un oscilador astable con una frecuencia de 5 kHz y un ciclo de trabajo del 50%.