CI 555 – Conheça o chip e o modo monoestável (parte 1)

Conheça o CI 555, o chip de maior sucesso no mundo. Ele existe a mais de 40 anos, ainda é produzido na escala dos bilhões de unidades e já foi utilizados em projetos de todos os tipos. O CI 555 marca o início de uma série de artigos sobre componentes eletrônicos no Fazedores.

Porque falar de componentes como o CI 555?

Quem tem acompanhado o Fazedores já deve ter percebido que somos fãs de plataformas como o Arduino e o Raspberry Pi e que temos mostrado vários projetos interessantes feitos com eles. Claro, eles são super poderosos, fáceis de usar e facilitam  muito a vida de quem está começando. Porém, sentimos falta de projetos feitos com componentes mais básicos pois eles ajudam muito a entender como as coisas funcionam e alguns conceitos básicos da eletrônica. E foi por isto que resolvemos fazer uma série de artigos sobre alguns componentes que são super versáteis, simples, baratos e que fazem parte do mundo da eletrônica há muito tempo.

Quando alguém começa a estudar como montar projetos com o Arduino ou o Raspbery Pi a primeira coisa que ele aprende é a fazer um LED piscar. Estes projetinhos são o equivalente a um programa “Hello World” – ou Olá Mundo – do mundo da programação e são chamados carinhosamente de “Blink“. O CI 555 é excelente para fazer LEDs piscarem e também servem como uma boa introdução aos projetos eletrônicos. Mas não foi apenas por isto que escolhemos o circuito integrado 555 para começar esta série de posts.

O Timer 555 é nada menos que um dos chips de maior sucesso na história (se não for o de maior sucesso). Ele foi criado em 1970 pelo engenheiro Hans Camenzind quando algumas poucas empresas do Vale do Silício começavam a trabalhar na fabricação de circuitos integrados. Hoje, mais de 40 anos depois, já foram produzidos alguns bilhões deste CI e seu design continua o mesmo até hoje. Podemos dizer que o 555 já foi utilizado em praticamente todos os tipos de projetos eletrônicos, de brinquedos a computadores, de alarmes a naves espaciais.

O Circuito Integrado 555

O 555 é um simpático componente normalmente encontrado na forma de um pequeno invólucro de plástico preto com oito terminais metálicos na configuração DIP (Dual In-line Package). Nesta configuração você encontrará 4 terminais de cada lado do invólucro. Ele pode ser utilizado em várias aplicações como temporizador (timer), oscilador e gerador de pulsos. Trata-se de um componente bem versátil e que possui três modos de operação: monoestável, astável e biestável. Mas falaremos disto depois, primeiro vamos conhecer o componente.

Os pinos do CI 555

Para identificar os pinos do 555 no empacotamento DIP, observe a presença de uma pequeno dente no componente ou uma pequena depressão na forma de um círculo. Alinhe o chip de modo que a marcação fique para cima e  você poderá identificar os pinos contando eles a partir do pino de cima a esquerda e caminhando em sentindo anti-horário. Normalmente os pinos de chips são numerados desta maneira. Veja na figura abaixo a identificação dos pinos do 555:

Os pinos do CI 555 possuem as seguintes funções:

Pino	Nome	Descrição
1	GND	Terra – Este pino deve estar sempre conectado ao terra da alimentação. Cuidado para não inverter a alimentação pois isto pode danificar o seu chip.
2	TRIGGER	Gatilho –  Este pino ativa o biestável interno e a saída (OUTPUT) quando estiver com uma tensão abaixo de 1/3 da tensão VCC.
3	OUTPUT	Saída – Quanto ativada permanece em VCC por um intervalo de tempo. O intervalo de tempo é definido por alguns componentes externos e isto ficará mais claro mais tarde.
4	RESET	Reset – Interrompe um ciclo de temporização quando conectado ao terra (“pulled low”).
5	CONTROL	Tensão de Controle – Usada para alterar o funcionamento do comparador interno do chip ligado ao pino limiar (THRESHOLD) tornando-o mais ou menos sensível.
6	THRESHOLD	Limiar – Desativa o biestável interno e a saída (OUTPUT) quando estiver com uma tensão acima de 2/3 da tensão VCC.
7	DISCHARGE	Descarga – É usado para descarregar o capacitor conectado a este terminal. O capacitor é um dos componentes externos que citamos ao descrever o pino saída.
8	VCC	Positivo – Este pino deve estar sempre conectado ao positivo da alimentação. A alimentação deve estar entre +5 e +15V.

O papel de cada pino e o funcionamento do 555 ficará mais claro ao estudarmos seus modos de operação. Vamos a eles…

Modo de Operação Monoestável

No modo de operação monoestável o 555 funciona como um disparador. Quando ele recebe um sinal adequado no gatilho ele gera um pulso de duração específica na saída. Depois ele volta a deixar a saída desligada e fica pronto para receber outro estímulo. Caso durante o período em que saída está ligada ele receber um sinal de reset ela é desligada imediatamente. Neste tipo de configuração o 555 pode ser utilizado em aplicações como temporizadores, detectores de pulso e até para remover o ruído de chaves (o que normalmente chamamos de debounce).

Nesta configuração o 555 é conectado da seguinte forma:

Vamos entender o circuito:

• Neste circuito o 555 é alimentado pelos pinos GND e VCC que estão conectados respectivamente ao terra e ao positivo da fonte de alimentação de 9V. Vale lembrar que ele pode ser alimentado com tensões entre 5V e 15V e que o sinal de saída – quando ativo – é bem próximo de VCC. Colocamos um capacitor eletrolítico de 100uF (C3) apenas para filtrar a alimentação. Ele não te relação com o funcionamento do 555.
• Colocamos um LED (LED1) no pino de saída – OUTPUT – em série com um resistor de 1K (R4) para limitar a corrente que passa por ele.
• Como o gatilho do 555 é ativado quando a tensão fica abaixo de 1/3 de VCC, colocarmos um resistor “pull up” de 10K (R2) entre o pino TRIGGER e VCC. A chave (S1) ligada ao terra faz que o sinal do gatilho caia para zero quando ela for pressionada conectando o pino ao terra. Quando a chave não está acionada o gatilho fica em VCC graças ao resistor de “pull up”.
• De maneira semelhante ao que fizemos com o gatilho, também colocamos uma resistor de “pull up” (R3) entre o pino RESET e VCC. E a chave (S2) ligada ao terra faz que o sinal de reset caia para zero quando ela for ativada. O reset do 555 é acionado quando está ligado ao terra, ou seja, apenas quando a chave (S2) é pressionada.
• O pino de controle não está em uso e por isto colocamos um capacitor cerâmico de 0.1uF (C2) entre o pino CONTROL e GND apenas para evitar que oscilações da tensão nele afetem a sensibilidade do 555 e interfiram no funcionamento de nosso circuito.
• Entre o resistor de 100K (R1) colocado entre o pino DISCHARGE e VCC é um dos componentes externos fundamentais para o funcionamento do 555. Ele define com que velocidade o capacitor C1 se carrega quando o gatilho é acionado.
• O capacitor de 47uF (C1) tem um de seus terminais ligados os pinos DISCHARGE e THRESHOLD e a outra ligada ao GND. Ele é outro componente externo fundamental para o funcionamento do 555. Ele se carrega através do resistor R1 quando o o 555 é acionado pelo gatilho e, depois, descarrega através do pino DISCHARGE quando sua tensão atinge 2/3 de VCC.

Agora que já tendemos o circuito vamos entender como ele funciona. Para isto é importante conhecermos o 555 por dentro. A figura abaixo representa o 555 por dentro. Esta figura não é uma representação fiel do circuito interno do 555, mas é suficientemente boa para fins didáticos.

Internamente o 555 é composto por quatro blocos fundamentais:

• A peça central – em verde – é um flip-flop. Podemos entender o flip-flop como duas chaves que são acionadas em conjunto quando ele recebe um determinado sinal e que mudam de estado quando ele recebe outro. Em nosso caso os sinais estão indicados por BAIXAR e SUBIR. O flip-flop tem um papel fundamental em acionar a saída e controlar o carregamento do capacitor C1. Observe que a chave de cima é conectada ao pino DISCHARGE e a de baixo é conectada à saída (OUTPUT).
• Depois temos um divisor de tensão com três resistores – em branco-  de mesmo valor em série entre os pinos GND e VCC. Este divisor de tensão cria dois pontos intermediários com 1/3 de VCC e 2/3 de VCC respectivamente. É daí que vem os valores de 1/3 e 2/3 de VCC que citamos anteriormente.
• Ligado ao pino gatilho (TRIGGER) temos um comparador que compara o sinal do gatilho com a tensão de 1/3 de VCC. Quando a tensão do gatilho é menor do que 1/3 de VCC o comparador envia um sinal ao flip-flop para ele BAIXAR.
• E, para completar, temos outro comparador ligado ao pino THRESHOLD e ao ponto do divisor de tensão com 2/3 de VCC. Quando a tensão no pino limiar (THRESHOLD) fica maior do que 2/3 de VCC ele envia um sinal para o flip-flop para ele SUBIR.

Bom, com isto fica fácil entender o funcionamento do 555 na configuração monoestável. Ele funciona assim:

• Ao ligar o circuito temos os pinos gatilho (TRIGGER) e reset positivos em VCC graças aos resistores de “pull-up”. Além disto o capacitor C1 está sem carga e com isto os dois comparadores estão desativados. Assim, ao ligar o circuito o flip-flop está na posição “EM CIMA” – como na figura – e com isto a saída (OUTPUT) está conectada ao terra (desativada).
• Ao pressionar a chave S1 ligada ao gatilho, a tensão do gatilho cai – pois ele é conectado ao terra – e o comparado A envia um sinal ao flip-flop para ele BAIXAR. Ao ir para posição “EM BAIXO” o flip-flop conecta a saída ao pino VCC e o LED acende. Simultaneamente, o outra chave do flip-flop desconecta o pino descarga (DISCHARGE) do terra e permite que o capacitor C1 comece a carregar através do resistor R1.
• Quando a tensão no capacitor – que está ligado ao pino limiar (THRESHOLD) atinge 2/3 de VCC o comparador B envia um sinal ao flip-flop para ele SUBIR. Ao ir para posição “EM CIMA”o flip-flop desconecta a carga do VCC e o LED apaga. Ao mesmo tempo o pino descarga é conectado ao terra descarregando o capacitor quase imediatamente. Desta forma o circuito volta ao estado original e está pronto para receber outro sinal no gatilho.
• Se durante o período em que o flip-flop está na posição “EM BAIXO” – ou seja, a saída está ativa e o LED está aceso – a chave S2 for pressionada o flip-flop receberá um sinal para ir para SUBIR fazendo o 555 voltar ao estado inicial. O reset faz com que o 555 volte ao estado original antes do capacitor atingir sua carga de 2/3 de VCC. Ele reseta o temporizador.

Controlando o tempo

Um temporizador não serviria de nada se não pudéssemos especificar quanto tempo ele deve ficar ativo. O 555 é tão bom para fazer isto que alguns o chama de “The IC Time Machine” ou “A Máquina do Tempo num chip”. Para calcular o tempo de duração do pulso na saída quando o 555 monoestável é ativado utilize a seguinte fórmula:

t = R * C * 1.1

Onde:

• t é o tempo em segundos;
• R é a resistência de R1 em ohms; e
• C é a capacitância de C1 em farads.

Desta maneira, para nosso circuito de exemplo com um R1 de 100 Kohms e C1 de 47 uF temos:

t = 100000 * 0.000047 * 1.1 = 5.17 segundos

Se trocássemos o capacitor de 47 uF por um de 10 uF o tempo cairia para:

t = 100000 * 0.00001 * 1.1. = 1.1 segundos

E é exatamente este comportamento que você pode observar no video que preparamos para você. No vídeo você verá o circuito exemplo que apresentamos e o que acontece com o LED quando acionamos o botão azul (TRIGGER) e também o botão vermelho (RESET). Observe que na metade do vídeo trocamos o capacitor de 47 uF por um de 10 uF e que isto faz com que o LED fique aceso por bem menos tempo.

Bom, agora que você já conhece o 555 e sabe como utilizá-lo na configuração monoestável você pode utilizá-lo em seus projetos nas mais diferentes aplicações. Uma boa maneira de aprender como ele funciona é montar o circuito que apresentamos acima e testar diferentes maneiras de utilizá-lo. Troque os capacitores, os resistores e utilize cargas diferentes. Se puder, coloque seu multímetro ligado entre o terra e o pino THRESHOLD para ver como as mudanças na carga do capacitor – depois de apertar a chave S1 – acontecem e afetam o funcionamento do chip.

Nos próximos artigos desta série continuaremos falando do 555 e apresentaremos seus outros modos de operação e também como utilizar o chip em diferentes aplicações.

Fique de olho!

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