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Introdotto nel 1971, venne chiamato “The IC Time Machine” e fu il primo timer integrato della storia. Dopo oltre 30 anni, il timer 555 viene ancora utilizzato in svariate applicazioni, vediamo in dettaglio questo dispositivo: la sua struttura interna, le configurazioni come astabile e monostabile e, come esempio di applicazione, la realizzazione di un metronomo elettronico.

ANALISI E SPECIFICHE DEL PROBLEMA

La definizione di metronomo secondo il dizionario della lingua italiana è la seguente: << s. m. strumento di misura usato spec. per battere il tempo in musica: metronomo meccanico, meccanismo a orologeria con carica a molla e scappamento a pendolo volutamente rumoroso; metronomo elettronico, dispositivo che comprende un generatore di impulsi e un piccolo altoparlante. >>
Si deve quindi realizzare un dispositivo in grado di emettere un “tic” da un altoparlante ad una cadenza ben definita e regolabile mediante un potenziometro.

LA SOLUZIONE PROPOSTA

Lo schema proposto in figura 1 soddisfa i requisiti richiesti.

Figura 1: La soluzione proposta

Analizziamone il funzionamento in modo dettagliato. Il circuito è un generatore di onda quadra (multivibratore astabile) la cui frequenza dipende dal tempo che il condensatore C1 impiega per caricarsi e scaricarsi. Poiché la corrente di carica e scarica è limitata dalle resistenze P1 e R1, regolando il potenziometro P1 si varia la frequenza dell’onda quadra, quindi del “tic” emesso dall’altoparlante. Il condensatore C2 ha il compito di bloccare la corrente continua ed impedire il danneggiamento dell’altoparlante.

DENTRO IL 555

Per comprendere a fondo il funzionamento del timer 555, è necessario conoscere la sua struttura interna che è riportata nella figura 2.

Figura 2: Struttura del timer 555

La tensione di alimentazione Vcc viene ripartita in tre parti uguali mediante tre resistenze da 5KOhm (da qui il nome 555) ed applicata ai due comparatori come tensione di riferimento. Il comparatore A ha quindi 2Vcc/3 come tensione di riferimento al piedino non invertente, mentre il comparatore B ha Vcc/3 come tensione di riferimento al terminale non invertente. L’uscita dei due comparatori pilota un flip-flop SR il cui funzionamento è il seguente: se R=1 e S=0 l’uscita /Q è alta, viceversa se R=0 e S=1 l’uscita /Q è bassa. Se R e S sono entrambi a livello basso, l’uscita non ha alcuna variazione. R=1 e S=1 è un caso da evitare in quanto l’uscita /Q verrebbe a trovarsi in uno stato non definito. L’uscita /Q del flip-flop viene portata all’esterno mediante una porta NOT, ciò significa che se R=1 e S=0 l’uscita del timer è bassa mentre se R=0 e S=1 l’uscita del timer è alta. Si noti che l’uscita del flip-flop è collegata alla base di un transistore, quindi se /Q=0 il transistore è interdetto (quindi è come se non fosse presente nel circuito) e se /Q=1 il transistore è in saturazione per cui si comporta come un corto circuito tra collettore ed emettitore.

Timer 555 come Trigger di Schimtt

Il trigger di Schmitt  è un comparatore con isteresi, quindi con due differenti tensioni di soglia. È possibile realizzare un trigger di Schmitt utilizzando un timer 555 seguendo lo schema di figura 3.

Figura 3: Trigger di Schmitt con Timer 555

Le forme d’onda nel caso in cui venga applicato all’ingresso un segnale sinusoidale, sono riportate in figura 4: si noti che le tensioni di riferimento sono appunto Vcc/3 e 2Vcc/3.

Figura 4: Forme d’onda relative al trigger di Schmitt di figura 3 con un segnale sinusoidale in ingresso

Analizziamo il funzionamento passo dopo passo con riferimento alle figure 3 e 4. I pin Trigger e Threshold sono collegati tra loro per cui la tensione di ingresso è identica per entrambi i comparatori. Inizialmente la tensione Vin è nulla per cui avremo R=0 e S=1, quindi l’uscita al pin 3 è alta. Quando la sinusoide in ingresso supera il valore Vcc/3 della prima tensione di soglia, il comparatore B porta a zero la sua uscita quindi il flip-flop rimane nello stato di conservazione e l’uscita del timer non cambia. Quando Vin supera la seconda tensione di soglia 2Vcc/3, il comparatore A porta a livello alto la sua uscita quindi il flip flop si resetta portando a zero l’uscita del timer. Quando la Vin è in diminuzione e scende al di sotto di 2Vcc/3, il comparatore A riporta a zero la sua uscita ed il flip flop entra nello stato di conservazione mantenendo inalterata l’uscita del timer. Solo quando la sinusoide di ingresso scende al di sotto di Vcc/3 l’uscita del timer torna alta, in quanto il comparatore B commuta portando S a livello alto.

Timer 555 come multivibratore astabile

Questa è l’applicazione del timer 555 che è stata usata per la realizzazione del metronomo elettronico. Lo schema è quello di figura 5 e, come si può notare, sono necessarie due resistenze ed un condensatore oltre, ovviamente, al timer 555.

Figura 5: Timer 555 in configurazione astabile

Come si può intuire dal suo nome, un multivibratore astabile è un circuito che non possiede uno stato stabile per cui oscilla continuamente tra due stati un po’ come due bambini su un’altalena. L’uscita di un multivibratore astabile è dunque un’onda quadra la cui frequenza dipende dalle resistenze e dal condensatore esterni al timer. Per capire in che modo viene generata l’onda quadra, si faccia riferimento allo schema di figura 5 ed alle relative forme d’onda riportate in figura 6 in cui in blu è riportata l’uscita del timer ed in rosso la tensione ai capi del condensatore (applicata anche all’ingresso dei due comparatori).

Figura 6: Forme d’onda dell’astabile di figura 5

Supponiamo che il condensatore sia inizialmente scarico (Vc=0). Se Vc=0, per effetto dei due comparatori si ha R=0 e S=1 quindi Vout è a livello alto ed il transistor interno al timer è interdetto (perché /Q=0). L’interdizione del transistor e la corrente nulla assorbita dagli ingressi degli operazionali, fanno sì che il condensatore C sia libero di caricarsi attraverso le resistenze Ra e Rb. La tensione Vc inizia quindi ad aumentare e, quando supera il valore di soglia Vcc/3 il comparatore B commuta portando S a zero quindi il flip flop entra in conservazione mantenendo inalterato lo stato dell’uscita. Quando invece Vc supera il valore 2Vcc/3 (istante tA in figura 6), il comparatore A porta R a livello alto e l’uscita Vout commuta a valore basso (quindi /Q a valore alto). Questo provoca la saturazione del transistore di scarica che porta il pin 7 a massa innescando la scarica del condensatore C attraverso Rb, quindi la conseguente  diminuzione della tensione Vc che riporta il flip flop nello stato di conservazione. Quando Vc scende al di sotto di Vcc/3 (istante tB in figura 6) si ha una nuova commutazione di Vout a livello alto che interdice il transistore e permette al condensatore di iniziare nuovamente a caricarsi, avviando un nuovo ciclo. A parte il transitorio iniziale, il condensatore impiegherà sempre il tempo T1 per scaricarsi ed il tempo T2 per caricarsi. La somma T=T1+T2 è il periodo dell’onda quadra, quindi f=1/T la sua frequenza. I tempi T1 e T2 sono dati rispettivamente da:

T1=0,693·Rb·C

T2=0,693·(Ra+Rb)·C

Si noti che mentre il tempo di carica dipende da Ra e Rb, quello di scarica dipende esclusivamente da Rb. Dalle due espressioni di T1 e T2 possiamo ricavare l’espressione della frequenza dell’onda quadra che è data da:

f=1/(T1+T2)=1,44/(Ra+2Rb)C

Per determinare i valori delle resistenze e dei condensatori da inserire nel circuito per ottenere una determinata frequenza, esistono dei grafici come quello di figura 7.

Figura 7: Calcolo delle resistenze e del condensatore per una determinata frequenza

Supponiamo di volere una frequenza di 100Hz. Seguendo la linea verticale a 100Hz si va ad incontrare una delle linee oblique che rappresentano il valore della somma Ra+2Rb. Una volta scelto il valore della somma dei resistori, dobbiamo spostarci orizzontalmente fino a leggere il valore del condensatore sull’asse verticale del grafico. Dunque per i 100Hz, scegliendo 1MOhm come somma di Ra+2Rb si ottiene per il condensatore un valore di poco superiore agli 0.01ìF. È importante notare che comunque si scelgano i componenti esterni, non sarà possibile ottenere T1=T2 ovvero un’onda quadra con duty cycle del 50% (il duty cycle di un’onda quadra è dato dal rapporto percentuale tra il tempo in cui l’onda è a livello alto ed il periodo totale: d=100⋅T1/(T1+T2)).

Timer 555 come multivibratore monostabile

Un multivibratore monostabile riceve in ingresso un impulso di “start” (detto segnale di trigger) ed in uscita genera un impulso di durata prefissata. Per usare un timer 555 in configurazione monostabile, si deve usare il circuito di figura 8 in cui R e C determinano la durata dell’impulso in uscita.

Figura 8: Timer 555 in configurazione monostabile

L’impulso di trigger viene applicato al pin 2 e deve essere una transazione alto-basso. In figura 9 le forme d’onda relative al multivibratore monostabile.

Figura 9: Forme d’onda del monostabile di figura 8

Con Vin=0 e /Q=1 siamo nello stato di riposo in quanto S=0, R=0 ed il condensatore è mantenuto scarico in quanto il transistor è in saturazione. In questo stato l’uscita del timer è Vout=0. Se Vin ha una commutazione verso il livello basso, anche per un tempo minimo (forma d’onda in verde in figura 9), il comparatore B porta a livello alto l’ingresso S e l’uscita commuta a livello alto provocando contemporaneamente l’interdizione del transistor di scarica. In questo modo il condensatore è libero di caricarsi attraverso la resistenza R. La tensione di uscita rimane alta fintanto che la tensione sul condensatore (in rosso in figura 9) non supera i 2Vcc/3: in questo istante il flip-flop viene resettato e l’uscita torna a livello basso. Il transistor entra in conduzione scaricando velocemente il condensatore che rimane bloccato ad una tensione prossima allo zero e qui vi rimane fino ad un nuovo impulso sull’ingresso. La durata T dell’impulso in uscita dipende dal condensatore e dalla resistenza, secondo la formula:

T=1,1·R·C

Modulazione PWM

PWM è l’acronimo di Pulse Width Modulation ovvero la generazione di un treno di impulsi in cui la durata di ciascun impulso dipende dal valore della tensione di ingresso Vmod (tensione modulante). Con il timer 555 è possibile ricavare un modulatore PWM utilizzando la configurazione monostabile, pilotandola in continuazione con impulsi di trigger ed applicando la Vmod al pin 5 come mostrato in figura 10.

Figura 10: Modulatore PWM con timer 555: Vmod è la tensione modulante

La Vmod va a sommarsi alle tensioni di riferimento variando così la durata dell’impulso. La forma d’onda così ottenuta è quella in blu di figura 11.

Figura 11: Forme d’onda relative al modulatore PWM con timer 555

Caratteristiche tecniche

Articolo di Maurizio Del Corso  pubblicato su Fare Elettronica n.231 di settembre 2004 –www.farelettronica.it   © Riproduzione vietata, tutti i diritti riservati.