NE555

L’NE555 è un integrato sviluppato negli ormai lontani anni 70, ma ancora oggi è estremamente diffuso ed utilizzato per la sua versatilità per cui, dato che verrà usato in un prossimo articolo, cerchiamo di famigliarizzare con il suo utilizzo. Come sempre vi propongo lo schema con il pinout dell’IC (Nota: IC significa Integrated Circuit, non lo scrivo per fare il figo ma perchè nei siti lo trovate spesso). Questo integrato è molto utile nel caso occorra svolgere determinati compiti in maniera temporizzata, come ad esempio tenere aperto un contatto per un certo tempo, generare un segnale ad onda quadra con determinate tempistiche o altro. Il tipo di funzionamento dipende dalla configurazione del collegamento, in particolare ci sono tre diversi tipici utilizzi:

1. Monotabile: C’è solo uno  stato stabile. Normalmente l’uscità è allo stato basso. Un impulso su un ingresso esterno può portarla allo stato alto ma dopo un tot tempo ritorna nuovamente allo stato basso autonomamente. Il classico utilizzo è quello di accensione di una luce tramite pulsante, con spegnimento temporizzato.
2. Bistabile: Ha due stati stabili, alto e basso, attivati rispettivamente da un ingresso di set e di reset.
3. Astabile: Non ha uno stato stabile, ma passa continuamente da l’uno all’altro a tempi determinati.

Per comprendere meglio il funzionamento dobbiamo però prima guardare più in dettaglio com’è costruito questo integrato. Non ci interessa certo sapere filo per segno come sono collegati i transistors che lo compongono, ma dobbiamo quantomeno conoscere i “macroblocchi” che lo costituiscono. Come vedete dallo schema qui sotto il 555 presenta fra alimentazione di ingresso e massa, tre resistenze uguali di 5K dalle quali prende nome l’integrato stesso. Formando un partitore di tensione è chiaro che fra la prima e seconda resistenza abbiamo 2/3VCC e fra la seconda e la terza abbiamo 1/3VCC.

Il primo dei due è connesso direttamente al pin 5 (Control Voltage) e termina sul pin negativo di un comparatore nel cui pin positivo è connesso il pin 6 (Threshold – Soglia). Per quanto riguarda 1/3Vcc, questo è connesso al pin positivo di un secondo compatatore il quale ha sul pin negativo il pin numero 2 (Trigger – Innesco). Ricordiamo che grossolanamente un comparatore funziona comparando le due tensioni in ingresso. Se la tensione sul polo positivo (quello in alto nello schema) diventa superiore al negativo, in uscita otteniamo un valore high. Le due uscite del comparatore teminano in un’unità flip/flop di tipo S/R (R -Reset sopra, S – Set sotto, uscita negativizzata). Se set è posto a 1 l’uscita del flipflop diventa positiva. Al contrario se R (Reset) è posto a livello alto l’uscita sarà negativa. Ovviamente R ed S non devono mai essere attivati contemporaneamente.

In realtà viene usata l’uscita negativizzata del flip flop che poi passa in un invertitore, l’ultimo triangolo a destra, che la ribalta nuovamente mandandola al pin 3 (Output), per cui da un punto di vista logico questo passaggio può essere saltato, se non per il fatto che l’uscita negativizzata termina anche ad un transistor collegato al pin 7 (Discharge). Se semplifichiamo il transistor con un semplice interruttore, possiamo dire che se sul pin di Output (3) abbiamo un’uscita bassa (low) il pin 7 và in conduzione e viceversa.

Ora proviamo a percorrere il meccanismo a ritroso. Se vogliamo avere su Out un’uscita alta, sul flip flop deve arrivarci S alto ed R basso. Per avere S alto la VCC/3 deve essere superiore alla tensione di Trigger e per avere R basso dobbiamo avere una tensione di Controllo (2/3VCC) superiore alla tensione di Threshold (soglia). Quindi l’NE555 avrà uscita alta quanto la tensione di Trigger è inferiore a 1/3VCC e la tensione di soglia superiore a 2/3VCC.

Il pin di Trigger è detto anche “start” in quanto è quello che viene usato per portare alta l’uscita del NE555, infatti non appena la tensione su questo piedino scende al di sotto di 1/3VCC si ha l’attivazione dell’uscita. Invece quando la tensione di soglia (Threshold) supera 2/3VCC viene generato un impulso di reset sul FlipFlop con spegnimento dell’uscita del 555. Qui sotto vi propongo una simulazione di funzionamento. Come potete vedere ho inserito tre generatori di tensione, uno a 5V per l’alimentazione ed altri due che ho usato per collegare i pin di Trigger e Threshold. Nella simulazione qui sotto  la Threshold (traccia blu) da 0V sale lentamente sino ai 5V. Inizialmente l’uscita (Out) è a 5V (high). Non appena La Threshold raggiunge 2/3VCC viene inviato un impulso di reset sul Flip Flop che fà andare a basso il livello di uscita.

Nel frattempo la linea sul Trigger, passa lentamente da 5V a 0V e, come potete osservare, non appena scende al di sotto di 1/3VCC vi è una riattivazione dell’uscita del 555 che torna alta.

Ora che abbiamo visto come funziona, analizziamo i tre scenari tipici di funzionamento.

Monostabile

Qui a lato lo schema di configurazione del 555 in modalità monostabile. Come vedete l’uscita del 555 (filo azzurro) è collegato ad un led per poter evidenziare in maniera visuale l’attivazione o meno della linea. Sulla sinistra, in basso, notiamo la presenza di un pulsante (S1) collegato a Trigger (linea verde) che serve ad attivare il circuito alla pressione del pulsante stesso. Quando il pulsante non è premuto, sul pin 2 arriva tensione dalla linea verde per cui il trigger ha una tensione superiore a 1/3 VCC. Non appena premiamo il pulsante la linea verde scarica a terra per cui la tensione di Trigger scende al di sotto di 1/3 VCC. Non appena ciò si verifica la linea Out passa allo stato alto per cui il LED si accende. Fin qui tutto semplice, ma non abbiamo considerato la linea Discharge che in questo esempio ha un ruolo fondamentale. All’inizio, quando la linea out è low, la base del transistor che collega Discharge (pin 7) a Gnd è allo stato alto per cui il transistor conduce e fà scaricare a massa la linea gialla. Per questo motivo sia Threshold che Discharge scaricano a massa per cui il condensatore C risulta scarico. Quando la linea di Trigger si abbassa e la linea  Out si alza, la base del transistor viene inibita per cui Discharge non scarica più a massa facendo si che il condensatore C cominci a caricarsi. Mentre questo si carica, la tensione comincia a salire e, in un tempo pari a 1.1RC, raggiunge i 2/3VCC per cui, essendo questa tensione collegata anche a Threshold, viene resettato il flipflop, la linea Out torna bassa e la linea gialla torna a scaricare a massa ed il circuito è pronto per una nuova pressione del pulsante S1. Dovrebbe risultare chiaro che RC determinano il tempo per cui la linea Out persiste autonomamente allo stato on dopo la pressione del pulsante. L’uscita Out fornisce ben 200mA per cui possiamo tranquillamente collegarci un relè (senza scordare il diodo) senza la necessità di usare un transistor per l’attivazione, perciò con pochi componenti siamo in grado di creare un pulsante temporizzato con uscità relè in maniera davvero semplice.

Astabile

Nella configurazione astabile abbiamo una linea composta da due serie ed un condensatore in serie. Sia la threshold che il trigger sono connessi insieme e terminano fra la seconda resistenza ed il condensatore, mentre il Discharge è connesso fra le due resistenze. Non appena viene alimentato il chip,essendo il Trigger al di sotto di 1/3VCC,  il pin 7 è scarica direttamente a massa. Istantaneamente però la bassa soglia del Trigger manda alta l’uscita, toglie il collegamento fra pin 7 e massa e il condensatore C comincia a caricarsi. Non appena la tensione sui pin 2 e 6 comincia a salire, la soglio supera i 2/3VCC per cuii l’uscita torna bassa ed il pin 7 si connette nuovamente a massa. In questo modo il condensatore C comincia a scaricarsi. Non appena la tensione ai pin 2 e 6 ritorna al di sotto di 1/3 VCC, l’uscita torna di nuovo alta ed il condensatore riprende a caricarsi. Il ciclo si ripete all’infinito determinando la repentina apertura e chiusura dell’uscita con formazione di quella che è una vera e propria onda quadra. Il corretto dimensionamento delle due resistenze e del condensatore determinano i tempi in cui l’uscita resta aperta (Ton) e chiusa (Toff).

Ton=0.69*(R1+R2)*C

Toff=0.69*R2*C

Ovviamente il ciclo completo dura Ton+Toff e la frequenza sarà pari a 1/T, inoltre il duty cycle, ossia la percentuale di tempo in cui l’onda quadrà è positiva, sarà data da Ton/T*100.

Bistabile

Nella configurazione bistabile la pressione del pulsante S1 determina una riduzione della tensione che scende sotto 1/3VCC portando l’uscita a HIGH. Viceversa la pressione del pulsante S2 innalza la tensione di soglia sopra i 2/3VCC determinando il passaggio allo stato basso dell’uscita. Come vedete una volta capiti i due casi di prima, più complessi, questo sembra quasi banale. Ci si potrebbe chiedere però perchè andare a perdersi con un circuito simile quando per avere un’uscita alta o bassa ci basta un banale deviatore meccanico. La risposta stà nei disturbi che si creano quando i contatti metallici del deviatore si toccano facendo contatto. Si generano infatti dei disturbi che possono essere interpretati in modo scorretto da un eventuale circuito a valle, per cui un circuito di questo tipo può essere utile nel caso sia necessario eliminare questo tipo di disturbi. Ovviamente non è l’unico tipo di soluzione possibile per questo problema, ma è sicuramente una soluzione che funziona molto bene e costa poco (un NE55 costa meno di 0.3 euro).

Mi rendo conto che questo articolo è “tanta teoria e poca pratica”, ma lo scopo era dare un’infarinatura sul funzionamento di ques’utile integrato, poi man mano che lo useremo nei nostri progetti saremo in grado quantomeno di comprenderne il funzionamento.