NE555

Existen algunos circuitos integrados que a pesar de permanecer durante años en el mercado, su gran utilidad hace que permanezcan vigentes, tal es el caso del temporizador NE555.Este muy económico circuito integrado temporizador de 8 pines probablemente sea uno de los circuitos integrados mas versátiles de todos los tiempos, y se puede utilizar muchísimos proyectos. Es muy simple de utiliza, y requiere solo unos pocos componentes adicionales para realizar útiles tareas, no solo relacionadas con la temporización tales como osciladores astables, generadores de rampas, temporizadores secuenciales, etc… A pesar de ser sumamente económico, se consiguen unas temporizaciones muy estables frente a variaciones de tensión de alimentación y de temperatura. La estabilidad en frecuencia es de 0,005% por ºC.
Prácticamente cada fabricante de circuitos integrados tiene su propia versión del “555”, Según el fabricante recibe una designación distinta, tal como TLC555, LMC555, uA555, NE555C, MC1455, NE555, LM555, etc. aunque generalmente se lo conoce como “el 555″o “NE555”. Existe también una versión de 14 pines, llamada NE556 que contiene dos NE555 en su interior, compartiendo sus dos pines de alimentación. Dado que hay muchas aplicaciones en las que son necesarios más de un temporizador, es importante tener presente esta versión doble del NE555.
El NE555 se alimenta con tensiones que van desde los 4.5 a los 18 voltios, aunque existen versiones no muy fáciles de conseguir que se alimentan con solo 2 voltios. Si la tensión de alimentación se fija en 5.0 voltios, sus señales de salida son compatibles con la lógica de familia TTL.
En aquellos caso que el consumo de nuestro proyecto es un factor muy importante, podemos echar mano del ICM7555, que es un integrado 100% compatible con el NE555, incluso la disposición de sus pines es exactamente la misma, pero al estar construido con tecnología CMOS su consumo es de solamente 20 mili amperes.
Frecuentemente, al cambiar el estado de sus salidas, tanto el NE555 como el NE556 producen un significante consumo sobre la fuente de alimentación, que si bien generalmente no acarrea ningún inconveniente, suele provocar algunos dolores de cabeza en circuitos más complejos. En estos casos, basta con agregar en nuestro diseño un capacitor cerámico de unos 100 µF entre los pines de alimentación del circuito integrado, lo más cerca posible del mismo.
Hecha esta breve introducción, pasemos a ver su interior, y como podemos usar este potente temporizador en nuestros proyectos.
Si bien no es indispensable conocer su diagrama interno del NE555 para armar algún circuito de forma ocasional, el saber que hay en su interior nos será muy útil a la hora de crear nuestros propios diseños. En su descripción, al igual que en el resto del artículo, utilizaremos indistintamente el nombre en español o en ingles de sus pines.
Como se puede ver en la figura al final de la página, consta básicamente de dos amplificadores operacionales que están conectados como un comparador de tensión, cuyas entradas se corresponden a los pines 5 (CONTROL), 6 (“THRESHOLD” o “umbral” en español y 2 (“TRIGGER” o “disparo”).
Las salidas de estos operacionales se encuentran conectadas internamente a las entradas R y S de un bistable RS, del que se utiliza su salida negada Q a través de un transistor y de una compuerta NOT (ver nota sobre compuertas lógicas).
La salida a través de la compuerta esta conectada al pin 3 “OUTPUT” (salida) y puede manejar corrientes máximas de 200mA, mas que suficientes para la gran mayoría de las aplicaciones. La salida del colector del transistor que tiene su base conectada al biestable se utiliza para descargar el condensador de temporización.
También podemos ver en las entradas de los operacionales una red de tres resistencias iguales, utilizadas para fijar los niveles de referencia en la entrada inversora del primer operacional, y en la no inversora del segundo operacional, a 2/3 y 1/3 respectivamente de la tensión de alimentación.
Cuando la tensión en el terminal umbral (THRESHOLD) supera los 2/3 de la tensión de alimentación, su salida pasa a nivel lógico “1”, que se aplica a la entrada R del biestable, con lo cual su salida negada, la utilizada en este caso, pasa a nivel “1”, saturando el transistor y comenzando la descarga del condensador, al mismo tiempo, la salida del 555 pasa a nivel “0”. La impedancia de la entrada THRESHOLD es de al menos 10 megohms. La entrada CONTROL se puede ajustar para fijar el nivel de umbral (THRESHOLD), aunque habitualmente no se la utiliza y se la deja conectada a 0V, pudiendo hacerlo a través de un capacitor de 0.01 µF si el “ruido” eléctrico es un problema, aunque generalmente no es necesario.
Analizando el otro amplificador operacional, podemos ver que si la tensión aplicada a la entrada inversora (el terminal de disparo o TRIGGER), desciende por debajo de 1/3 de la tensión de alimentación, la salida de este operacional pasa a nivel alto, que se aplica al terminal de entrada S del biestable RS, con lo que su salida se pone a nivel bajo, el transistor de descarga deja de conducir y la salida del 555 pasa a nivel lógico alto. La impedancia del terminal TRIGGER es mayor a 2 megohms.
Por ultimo, el terminal de RESET del biestable es accesible desde el exterior del NE555 a través del pin 4, que se activa poniéndolo a 0 voltios y se puede utilizar para poner a nivel bajo la salida del 555 en cualquier momento, sin importar el valor de sus entradas. Cuando no se utiliza el RESET, este pin se debe conectar a +V.
Los pines 1 y 8 son los que permiten alimentar al chip, correspondiendo el ultimo a +V.
En el caso del NE556, el diagrama se encuentra duplicado, y cada terminal tiene en su nombre el postfijo “A” o “B” según corresponda a uno u otro de los dos NE555 que se albergan en su interior. La única salvedad es la de los pines 7 y 14, utilizados para alimentar el integrado y que no se encuentran repetidos.

Uno de los usos más frecuentes del NE555 es como oscilador astable. En esta configuración, el circuito produce en su pin de salida OUTPUT una onda cuadrada, con una amplitud igual a la tensión de alimentación. La duración de los periodos alto y bajo de la señal de salida pueden ser diferentes. El nombre de “astable” proviene de la característica de esta configuración, en la que la salida no permanece fija en ninguno de los dos estados lógicos, si no que fluctúa entre ambos en un tiempo que llamaremos T.
El periodo de tiempo T de la señal de salida es igual al la suma de los tiempos en estado alto Tm (por “Mark time” en ingles) y bajo Ts (por “Space time). En general, en lugar de utilizar el tiempo T como parámetro, utilizaremos la frecuencia F de la señal de salida, igual a 1/T
En la figura 1 podemos ver el esquema de conexión del NE555 para ser utilizado como oscilador astable. Solamente tres componentes adicionales bastan para determinar el periodo T de la señal de salida, y la relación de tiempos Tm y Ts. Un cuarto componente, el capacitor de 0.01 µF solamente se utiliza para evitar el ruido en el terminal de control.
Los valores de R1, R2 y C1 son los responsables de determinar el timming de la señal, de acuerdo con las siguientes formulas:

T = 0.7 × (R1 + 2R2) × C1

F = 1.4 / ((R1 + 2R2) × C1)

Donde el periodo T se expresa en segundos, la frecuencia F en Hertz, los valores de R1 y R2 en ohms y la capacidad de C1 en faradios.
La relación marca-espacio (Tm y Ts), también conocida como “duty cycle”, y que es muy utilizada a la hora de controlar la velocidad de motores de corriente continua, el brillo de una lámpara, etc. se calculan mediante las tres formulas siguientes:

T = Tm + Ts

Tm = 0.7 × (R1 + R2) × C1

Ts = 0.7 × R2 × C1

Como se deduce de ellas, en los casos que Tm y Ts necesiten ser iguales (duty cycle del 50%) R2 deberá ser mucho mayor que R1.
Al momento de diseñar nuestro propio oscilador astable utilizando NE555 debemos elegir primero el valor de C1, que es el que determinara el rango de frecuencias a utilizar (ver la figura 2), luego el valor de R2, considerando que

R2 = 0.7 / F x C1

Y por ultimo R1, generalmente de un 10% del valor de R2, salvo que necesitemos tiempos Tm y Ts muy diferentes entre si.
En aquellos casos que queramos hacer la frecuencia de salida variable, la mejor opción es reemplazar a R2 por un potenciómetro del valor adecuado y una resistencia de al menos 1000 ohms en serie con el (para evitar que en un extremo del potenciómetro el valor de R2 sea cero).

Duty Cycle
Como veíamos antes, el NE555 utilizado como oscilador astable permite el control de dispositivos como motores o lámparas mediante una técnica conocida como PWM (Pulse Wide Modulation) o Modulación por Ancho de Pulso. Dado que es tan utilizada, merece que veamos algunas características mas asociadas a ella.
La señal presente en el pin 3 se repite continuamente, a menos que se fuerce la salida a 0 V mediante el terminal RESET (conectándolo a una tensión menor a 0.7V).
Una baja frecuencia de oscilación puede ser utilizada para hacer destellar un LED, y una frecuencia un poco mas alta (mayor a 20 Hz. aunque menor a los 20KHz.) se puede emplear para hacer sonar un parlante o buzzer conectado al pin 3 y de esta manera construir una alarma audible fácilmente.
Volviendo al control PWM, la relación entre Tm y Ts generalmente se expresa como un porcentaje. Si este porcentaje debe ser es igual o mayor al 50%, utilizamos el circuito de la figura 1, como vimos antes, y las formulas de la figura 2 nos permiten calcular exactamente su porcentaje.
En el caso de que la relación deba ser menor al 50%, se debe agregar un diodo tipo 1N4148 en paralelo con R2, como se ve en la figura 3, para permitir la circulación de corriente durante el periodo Tm. En este caso, el valor de Tm y Ts dependen únicamente de R1 y C1 como se ve a continuación:

Tm = 0.7 × R1 × C1

Ts = 0.7 × R2 × C1

Duty Cycle (con diodo) = Tm / (Tm + Ts) o R1 / (R1 + R2)

Un circuito monoestable recibe ese nombre por permanecer estable en un solo estado: el nivel bajo.
En efecto, si conectamos el NE555 de manera que se comporte como un monoestable (figura 1), su salida permanecerá en estado bajo, salvo en el momento en que reciba una señal en su pin TRIGGER, en cuyo caso la salida pasara a nivel alto durante un tiempo T, determinado por los valores de R1 y C1, de acuerdo a la formula de la figura 2, donde el periodo T se expresa en segundos, R1 en ohms y la capacidad de C1 en faradios.
Al presionar el pulsador identificado como “trigger”, la salida del Ne555 pasara a estado alto hasta que transcurra el tiempo fijado por el valor de R1 y C1 o hasta que se presione el pulsador “reset” (lo que ocurra primero). En general, no se desea interrumpir el periodo en que el integrado tiene su salida en nivel alto, por lo que el pulsador conectado al RESET puede no ser necesario.
Dado que para obtener largos periodos en estado alto (superiores a los 10 minutos) se deben utilizar capacitares electrolíticos, y estos presentan fugas que afectan su confiabilidad, es que tenemos que recordar en el momento de hacer nuestros diseños que pueden ser posibles errores de hasta un 20% en los tiempos determinados por R1 y C1.
Es importante aclarar que una vez disparado el monoestable, hasta que no transcurra el tiempo T (o se resetee el temporizador) cualquier actividad en el TRIGGER es ignorada, por lo que un disparo efectuado durante el estado alto de la salida será ignorado.
En algunos casos puede ser deseable que el circuito efectúe un reset automáticamente al ser conectado a la alimentación, o bien que se auto dispare al encender el dispositivo. En estos casos, se puede utilizar un circuito como el que vemos en la figura 3, y que conectaremos al pin RESET o TRIGGER según corresponda.

Otra configuración habitual para el NE555 es la de biestable. En ella, ambos estados, alto y bajo, son estables, y la salida permanece en ellos hasta que se modifican mediante los pines TRIGGER o RESET.
En este caso, al no haber tiempos implicados en ninguno de los dos estados, no hay formulas para aplicar.
Simplemente, al aplicar 0V al pin TRIGGER, la salida pasara a estado alto, y permanecerá en el hasta que se desconecte la alimentación o se ponga a 0V el terminal RESET, en cuyo caso la salida se mantendrá en estado bajo hasta una nueva conexión del TRIGGER a 0V.
El esquema de esta configuración se puede ver en la figura 1.

Nuestro primer circuito de ejemplo, el de la figura 1, utiliza un 555 para general una señal cuadrada que excita al transistor TR1, que a su vez esta conectado a un transformador elevador de tensión que permite encender un pequeño tuvo fluorescente de 4 Watts con solo 12v. Este circuito es ideal para ser alimentado con baterías o desde el encendedor del automóvil, para ser utilizado como luz de emergencia o en actividades al aire libre. Es muy importante mantener las manos lejos de la sección de 230V del transformador, para evitar descargas desagradables.
La resistencia variable entre los pines 6 y 7 nos permite ajustar la frecuencia de la salida, de forma de obtener el brillo adecuado en el tubo fluorescente. Podemos utilizar un preset, ya que una vez logrado el ajuste óptimo del circuito no necesitaremos volver a tocarlo. Incluso, si se lo desea, en ese momento se puede reemplazar por una resistencia fija equivalente.

En la figura 2 tenemos un 7555, la versión CMOS del NE555 (que también podría ser utilizado aquí), conectado como monoestable, en el que la resistencia que fija el tiempo en el estado alto de la salida se ha reemplazado por un conmutador que permite elegir una de 6 resistencias puestas en serie, de manera que se obtienen temporizaciones que van desde los 5 a los 30 minutos. Por supuesto, el lector podrá cambiar estos valores para obtener tiempos mayores o menores, usando las formulas que vimos. Un transistor BC109C o equivalente se utiliza para comandar un relay, al que podremos conectar cualquier artefacto eléctrico que queramos controlar con este circuito.

Nuestro tercer circuito de ejemplo (Fig. 3) consiste en una luz parpadeante construida con 40 diodos LED para utilizar en una bicicleta, como baliza, etc.
El circuito se alimenta con 4 pilas de 1.5 V, y los LEDs divididos en dos grupos de 20 cada uno parpadean alternativamente. Como se puede ver, el NE555 esta configurado como oscilador astable. La corriente a través de los LEDs esta limitada por las resistencias de 100 ohms, y se utilizaron transistores para poder manejar el consumo de cada rama de LEDs.
En caso de ser necesario, se puede armar este circuito con menos leds, por ejemplo, con solo cinco: un grupo de dos en cada rama, y el LED que esta entre la resistencia de 160 ohms y el transistor 2N2905.

No dejen de experimentar, y crear sus propios diseños, utilizando como base alguno de los ejemplos que comentamos, siempre teniendo a mano las formulas de la primera parte del articulo, para obtener los tiempos que deseemos.

Existen miles de aplicaciones posibles para este pequeño circuito integrado. Con esta pequeña guía el lector podrá crear sus propios diseños, ya que generalmente bastara con utilizar alguno de los diagramas que presentamos a lo largo del articulo, y modificar los valores de algunos de los componentes de acuerdo a las formulas enunciadas.
Es muy recomendable comprar un par de NE555, un puñado de resistencias, capacitares y algún potenciómetro, y usando un protoboard o alguna placa de circuito impreso de las que ya vienen perforadas, realizar experimentos modificando los valores de los componentes y analizando los resultados. No es mala idea conectar un diodo LED entre la salida (pin 3) y 0V, con una resistencia en serie (de unos 470 ohms) para poder ver en que estado se encuentra en cada momento. Recordemos que si la frecuencia de oscilación es elevada, probablemente el ojo humano sea incapaz de distinguir si el LED esta encendido o apagado, en esos casos puede ser conveniente reemplazarlo por un pequeño parlante.