Tutorial de Eletrônica Aplicações com 555 v2010.05 Linha de Equipamentos MEC Desenvolvidos por: Maxwell Bohr Instrumentação Eletrônica Ltda. Rua Porto Alegre, 212 Londrina PR Brasil http://www.maxwellbohr.com.br
1 Introdução O circuito integrado 555 é extremamente conhecido no mundo da eletrônica como um temporizador cuja utilização é muito simples. Ele permite obter sinais temporizados por meio de um circuito integrado de 6 terminais e alguns componentes simples como resistores e capacitores. Em muitos projetos precisamos controlar a posição do eixo dos servomotores, a velocidade de rotação de motores DC, verificar o funcionamento de algum tipo de sensor, etc. Como sera visto ao longo deste tutorial esse controle pode ser feito por meio do temporizador 555. Para que o controle possa ser entendido, antes de qualquer apresentação de controle será mostrado, brevemente, como o circuito 555 funciona. 2 Funcionamento do Circuito O 555 é um circuito integrado composto de um Flip-Flop do tipo RS, dois comparadores simples e um transistor de descarga. Projetado para aplicações gerais de temporização, este integrado é de fácil aquisição no mercado especializado de Eletrônica. Ele é tão versátil e possui tantas aplicações que se tornou um padrão industrial, podendo trabalhar em dois modos de operação: monoestável (possui um estado estável) e astável (não possui estado estável). Além disso, o circuito integrado 555 pode ser alimentado com tensões entre 5 V e 18 V, o que o torna compatível com a família TTL de circuitos integrados e ideal para aplicações em circuitos alimentados por baterias. Outro ponto interessante é a capacidade de corrente que este temporizador é capaz de fornecer. A saída deste circuito pode fornecer uma corrente de até 200 ma ou 0,2 A. Consequentemente, ele é capaz de comandar diretamente outros integrados, relés, servomotores, lâmpadas e vários tipos de carga relativamente grandes. Normalmente os circuitos integrados precisam serem ligados à transistores para depois comandar outros componentes. Sem os transistores o controle é mais simples, o número de componentes é reduzido e, desta forma, o custo também cai. Quanto à frequência este componente pode atingir uma frequência de operação de 500 khz sob uma estabilidade de 0,005% a cada ºC. Ou seja, se ele estiver trabalhando em 100 khz e a temperatura aumentar 1 ºC sua frequência será alterada no máximo em 5 Hz, o que pode ser desprezível quando comparado com 100 000 Hz. Como foi apresentado acima, o 555 pode trabalhar no modo monoestável e no modo astável. Quando está em modo monoestável ele fica em nível lógico alto após receber um determinado pulso. Ele permanece por este nível durante um período que é definido por alguns componentes e depois retorna para o nível lógico baixo. As aplicações mais comuns para este modo de operação são os temporizadores, detectores de pulso, chaves imunes a ruídos, interruptores de toque dentre outros. A próxima figura apresenta a saída de um monoestável após receber um pulso de acionamento. Figura 1: Saída de um monoestável após receber um pulso. 1
Repare que o pulso de acionamento do 555 é negativo, ou seja, ele precisa de uma borda de descida para ser acionado. Já no modo astável, a saída do integrado fica como um oscilador. A frequência de oscilação é definida pelos resistores e capacitores ligados ao circuito. Esse modo de operação é largamente empregado em geradores de pulso, relógios, geradores de tom, alarmes de segurança, etc. A próxima imagem refere-se à saída de um 555 no modo astável. Figura 2: Forma de onda da saída de um 555 em modo astável. Repare que não há uma relação entre o período da onda e a tensão de saída. Para qualquer frequência de saída dentro da faixa de frequências do 555 a tensão permanecerá inalterada. 3 Aplicações Como foi descrito na introdução, o 555 pode ser usado para controlar uma série de dispositivos. Na sequência desta seção serão apresentados vários tipos de controles possíveis com este temporizador. Controle de Servomotor Quando se deseja controlar um servomotor é preciso enviar um pulso cuja frequência seja de 50 Hz, aproximadamente. Porém, não basta enviar um pulso qualquer para o motor, esse pulso precisa ter uma largura controlada entre 1 ms e 2 ms para definir para que posição o servomotor deve se deslocar 1. Normalmente um pulso com 1 ms faz com que o servomotor se desloque para a posição inicial e um pulso de 2 ms faz com que ele vá para sua posição angular máxima. Como o 555 pode ser usado no modo monoestável ele se comporta muito bem no controle de posição de servomotores. Abaixo é fornecido o esquemático de um circuito que, por meio de um potenciômetro define em que posição o servomotor deve ser colocado. Figura 3: Esquemático do circuito necessário para controlar o servomotor através do 555. 1 Servomotores são controlados por meio de PWM, modulação por largura de pulso. 2
Com estes valores de componentes, tem-se uma rotação de aproximadamente 90º do eixo do servomotor, através da variação entre o mínimo e máximo do potenciômetro. Pode-se alterar os valores dos componentes para que o servomotor se posicione a 180º, tomando cuidado para que a frequência de operação do motor seja mantida em aproximadamente 50 Hz. Ao invés do potenciômetro de 5 kω em paralelo com o resistor de 22 kω, pode-se utilizar apenas um potenciômetro de 3,9 kω que é um valor comercial e aproxima-sedo resultado dessa associação em paralelo. Além disso, para alimentar o circuito acima pode-se utilizar a saída de 5 V presente em algum pino do MEC1100. Controle de Velocidade de Motores DC Uma outra aplicação em que podemos utilizar o 555 é o controle da velocidade de motores DC. Estes motores são alimentados por corrente contínua e, normalmente, possuem uma velocidade de rotação elevada. Os motores de corrente contínua podem ser acionados por meio de pulsos com tempo controlado. Assim, se o pulso ocupar 100% do período, o motor estará sendo alimentado com a tensão máxima, caso contrário, a tensão percebida pelo motor será menor e ele responderá diminuindo o número de rotações por minuto. O circuito que promove o controle de tempo desses pulsos é apresentado na próxima figura. Figura 4: Esquemático do circuito com 555 para controle de velocidade de um motor DC. Com os componentes descritos no esquemático acima o sinal de saída do 555 terá frequência aproximada de 1 khz. Neste exemplo o transistor utilizado foi um BJT BC548 que não é um transistor de potência. Este transistor serve apenas para o acionamento de motores de baixa potência. Caso deseje-se utilizar um motor mais forte, será necessário utilizar um transistor capaz de conduzir uma corrente mais alta. Uma opção seria o BJT 2N3055. Sempre que o motor DC for alterado será necessário conferir as correntes necessárias para alimentá-lo para que se determine o transistor ideal. Além disso, o diodo que está em paralelo com o motor deve ser capaz de conduzir a 3
mesma corrente do motor. Desta maneira, o diodo deve ser alterado sempre que o transistor for alterado. Repare, ainda, que é preciso uma fonte de 12 VDC para alimentar o circuito. Resposta de Sensores Resistivos Outra aplicação para o 555 é a identificação da resistência instantânea de sensores resistivos. Existem vários tipos de sensores resistivos, por exemplo, um sensor de luminosidade, LDR. Se a luminosidade incidente sobre um LDR for alterada ele modifica sua resistência, porém sem um circuito que meça essa resistência é impossível saber qual a luminosidade e o LDR é inútil. Como visto acima, um dos fatores que determina a frequência de operação de um 555 em modo astável é a resistência. Consequentemente, se a resistência de um LDR (ou outro sensor qualquer) for usada como parâmetro de ajuste do 555 poder-se-á visualizar qual a iluminação do local por meio da saída do temporizador. Para que a saída do circuito integrado possa ser percebida ela deve ser ligada em um buzzer (espécie de autofalante). Outra opção é ligar a saída do circuito em um LED, porém caso a frequência seja alta não será possível ver o LED piscar. Em seguida é apresentado o esquemático do circuito responsável por indicar a resistência do sensor resistivo. Figura 5: Esquemático do circuito capaz de indicar a saída de um sensor resistivo. Os componentes utilizados no circuito acima foram projetados para um LDR comum. Caso seja utilizado um outro sensor, o valor do resistor de 1 kω deverá ser alterado, bem como o valor do capacitor. Controle do Inseto Um circuito empregando fundamentalmente o circuito integrado 555 pode ser aplicado no controle do Robô Inseto 2. O controle apresentado na sequência não se restringe ao Robô Inseto, seu princípio de funcionamento pode ser aplicado no controle de outros equipamentos fazendo as alterações necessárias. Neste circuito as saídas indicadas por SERVO1 e SERVO2 devem ser ligadas aos pinos 2 Veja o tutorial Robô Inseto presente com os tutoriais sobre Robôs e Automações. 4
de controle dos dois servomotores do Robô Inseto. Para alimentar o circuito deve-se utilizar uma fonte de 5 VDC. Porém, os servomotores devem ser alimentados com 12 VDC 3. Este circuito de controle permite que o inseto se desloque para frente ou para trás por meio da chave inversora. No 555 superior, é gerado um sinal de clock, ele está configurado no modo astável, com intervalo de aproximadamente 2 segundos onde o inseto executa um dos 4 movimentos possíveis. Desta forma cada ciclo completo de movimentação do inseto leva aproximadamente 8 segundos. Já, no 555 inferior é gerado um pulso com largura de 1 ms ou 2 ms necessário para o servomotor atingir os dois extremos na sua posição, este temporizador trabalha no modo monoestável. Dentro do ciclo completo temos a metade do tempo o pulso de 1 ms na saída do 555 inferior e na outra metade o pulso com 2 ms de largura, sendo enviados alternadamente para os dois servomotores através do controle realizado por um contador 4017 e de chaves controladas, circuito integrado 4066. O circuito de controle para o inseto é mostrado por meio da próxima figura. Figura 6: Esquemático de um circuito de controle para o Robô Inseto. Repare que o circuito é maior que os anteriores, porém executa uma tarefa mais complexa. Apesar de ser maior, este circuito pode ser com um pouco de disposição e paciência. 3 É possível empregar uma fonte de computador para alimentar este circuito e o servomotor. Veja como no tutorial Utilizando uma Fonte de Computador nos tutoriais de eletrônica. 5