Agora é hora de conhecermos o 555 no modo estável. Em nosso primeiro artigo sobre o CI 555, apresentamos este incrível componente e explicamos seu modo de funcionamento monoestável. No modo monoestável, o Timer 555 funciona como um temporizador que emite um pulso de duração determinada quando um sinal é aplicado em seu pino gatilho (TRIGGER). Isto é bastante útil numa série de aplicações como temporizadores e até mesmo para eliminar os efeitos espúrios de chaves sendo acionadas (o que chamamos de debouncing). Neste artigo aprenderemos a construir osciladores com o 555 no modo estável. Mas antes vamos relembrar como é este componente e sua pinagem para que você não precise ficar consultando o outro artigo da série enquanto ler este aqui.

O Timer 555 e sua pinagem

Normalmente o 555 é encontrado no encapsulamento DIP (Dual In-line Package), mas ele também existe em outras configurações menos comuns. Nesta configuração ele tem 4 terminais de cada lado do invólucro de plástico preto.

Para identificar seus oito pinos, observe a presença de um pequeno dente no componente ou uma pequena depressão na forma de um círculo. Alinhe o chip de modo que esta marcação fique para cima e  conte-os a partir do pino de cima, a esquerda, caminhando em sentindo anti-horário. A figura abaixo representa o 555 e seus pinos:

 

Cada pino possui um função específica de acordo com a seguinte tabela:

Pino	Nome	Descrição
1	GND	Terra – Este pino deve estar sempre conectado à 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, que 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 555 no modo estável

Neste modo, o 555 funciona como um oscilador – ou multivibrador –, gerando de maneira contínua uma série de pulsos retangulares, cuja frequência e os tempos de ALTO e BAIXO são definidos por alguns componentes externos ao circuito. Nesta configuração, ele pode ser utilizado em aplicações diversas, como para gerar sinais de relógio para outros chips, produzir tons em auto-falantes e até mesmo fazer LEDs piscarem. Ao ser conectado adequadamente, o chip começa a gerar o sinal na saída logo que a alimentação é ligada. O circuito para que o 555 funcione em modo estável tem a seguinte forma:

Observe que nesta configuração o gatilho (TRIGGER) está ligado ao pino limiar (THRESHOLD). Esta conexão faz com o que o próprio chip dispare o circuito de maneira automática e contínua, como se estivéssemos atuando de tempos em tempos no gatilho. Isto ficará mais claro ao detalharmos o funcionamento do 555 no modo estável. Vamos lá…

Na configuração estável, o 555 funciona da seguinte maneira:

• Ao ligarmos a alimentação do chip o capacitor C1 está descarregado e, logo, a tensão no pino limiar (THRESHOLD) é zero. Como o pino limiar está ligado ao pino gatilho (TRIGGER), ele também está em LOW.
• Como o 555 é ativado com tensões abaixo de 1/3 de VCC no gatilho e o gatilho está em LOW, o flip-flop é acionado indo para a posição EM BAIXO. Assim, a saída (OUTPUT) é conectada ao VCC e o LED acende. Ao mesmo tempo que o pino descarga (DISCHARGE), ele é desconectado do terra e o capacitor C1 começa a carregar através de R1 e R2. Observe que, diferentemente do que vimos no modo monoestável, agora o capacitor carrega numa velocidade controlada por R1 + R2 e não apenas por R1.
• Quando a carga em C1 atinge 2/3 de VCC, a tensão no pino limiar faz que o  flip-flop vá para posição EM CIMA. Neste momento, a saída é conectada ao terra e o LED apaga. Ao mesmo que tempo o pino descarga é, também, conectado ao terra e o capacitor C1 começa a descarregar através de R2. Isto faz com que o tempo de descarga seja definido por R2 e não seja imediato como no modo monoestável (onde R2 era zero).
• Quando a carga em C1 fica abaixo de 1/3 de VCC, o flip-flop é ativado novamente e o ciclo todo se repete.

Agora que entendemos como o 555 funciona no modo estável e como os resistores R1 e R2 influenciam na carga e descarga do capacitor C1 podemos ver como controlar a frequência de oscilação.

Controlando a frequência de oscilação do 555 estável

No artigo anterior sobre o modo monoestável do 555, vimos que a duração do pulso era controlada pelo resistor R1 e o capacitor C1. No modo estável, temos dois tempos para nos preocuparmos: a duração do sinal em nível ALTO e a duração do sinal em nível BAIXO. E, de maneira similar, estes dois tempos são determinados pelos resistores R1 e R2 e pelo capacitor C1.

A duração do pulso em nível ALTO (LED aceso) é determinada pelo tempo que o capacitor C1 leva para para sair de uma carga com 1/3 de VCC para 2/3 de VCC carregando através de R1 e R2 (em série). E isto é determinado pelos valores dos componentes R1, R2 e C1 de acordo com a seguinte equação:

• talto = ln(2) * (R1 + R2) * C1

Já a duração do pulso em nível BAIXO (LED apagado) é determinada pelo tempo que o capacitor levar para sair de uma carga com 2/3 de VCC para 1/3 de VCC descarregando através de R2. E isto é determinado pelos valores de R2 e C1 de acordo com a seguinte equação:

• tbaixo = ln(2) * R2 * C1

De posse destas duas equações, podemos encontrar a fórmula para encontrar a frequência de oscilação do circuito. Assim:

• período = ttotal = talto + tbaixo
• período = ln(2) * (R1 + R2) * C1 + ln(2) * R2 * C1 = ln(2) * C1 * ( R1 + 2 * R2 )
• freqüência = 1 / período = 1 / ( ln(2) * C1 * ( R1 + 2 * R2 ) )

Uma característica desta configuração e consequência destas equações é que o sinal gerado pelo 555 no modo estável é uma onda retangular, porém não simétrica. O tempo de ALTO não é o mesmo que o tempo de BAIXO, já que um é determinado por R1 + R2 e o outro por R2 apenas. Se você quiser que sua onda seja quase simétrica, é preciso que o valor de R1 seja muito menor do que o de R2 para que o efeito dele seja quase desprezível na conta. Existe uma outra alternativa para isto que veremos mais para frente.

Vamos aos exemplos para que tudo fique mais claro…

Primeiro vamos imaginar que os resistores R1 e R2 sejam ambos de 100K ohms. E que o capacitor C1 seja de 10uF.  Neste caso, teremos:

• talto = 1.386 s
• tbaixo = 0.693 s
• período = ttotal = talto + tbaixo = 2.079 s
• freqüência = 1 / período = 0.481Hz

Observe que o tempo em ALTO é exatamente o dobro do que o tempo em BAIXO.

Agora vamos fazer as mesmas contas mas para R1 de 1K ohms e R2 de 100K ohms:

• talto = 0.699 s
• tbaixo = 0.693 s
• período = ttotal = talto + tbaixo = 1.392 s
• freqüência = 1 / período = 0.718Hz

Veja que nesta situação o tempo em ALTO é quase o mesmo do tempo em BAIXO (na realidade, é um pouquinho maior). Mesmo que aumentemos ainda mais a diferença entre R1 e R2, nunca conseguiremos fazer com que os tempos de ALTO e BAIXO sejam iguais. O tempo em ALTO será sempre um pouquinho maior que em BAIXO. E este é um bom momento para introduzirmos um novo conceito, o “duty cycle” ou “ciclo de trabalho”.

O CI 555 e o Duty Cycle

Ciclo de trabalho, ou duty cycle, é um termo usado em eletrônica e telecomunicações que descreve a fração de tempo em que um sinal ou sistema está num estado ativo. No caso do 555 em modo estável, o duty cycle é a razão entre o tempo em nível ALTO e o período da oscilação. Ou seja:

• duty cycle = talto / período = talto / ttotal = talto / (talto + tbaixo)

Como na configuração que vimos acima, o tempo de ALTO é sempre maior que o tempo de BAIXO. E podemos dizer que o duty cycle do CI555 nunca é menor do que 50% ou 0.5.

Calculando o duty cycle para os exemplos que mostramos anteriormente temos:

Com R1 e R2 de 100K ohms e C1 de 10uF:

• duty cycle = talto / período = 1.386 / 2.079 = 0.666 = 66.6%

Com R1 de 1K ohms, R2 de 100K ohms e C1 de 10uF:

• duty cycle = talto / período = 0.699 / 1.392 = 0.502 = 50.2%

Porém, é possível construir circuitos com o TIMER 555 em modo estável, onde o duty cycle é menor ou igual a 50%. Para isto é preciso adicionar um novo componente ao circuito, um diodo entre em paralelo com o R2. Este diodo fará com que, durante a carga do capacitor C1, o resistor R2 seja “contornado” através do diodo. Veja como ficaria este circuito:

Deste modo, o capacitor C1 carrega través do resistor R1 e do diodo D1 e descarrega través do resistor R2. Porém, para calcularmos o tempo em ALTO (durante a carga do capacitor) temos que levar em consideração a queda de tensão causada pelo diodo. E então a equação para calcular o tempo de ALTO fica assim:

• talto = R1 * C1 * ln( (2VCC – 3Vdiodo) / (VCC – 3Vdiodo) )

Observe que se a queda de tensão no diodo (Vdiodo) fosse zero, teríamos que:

• talto = R1 * C1 * ln( (2VCC – 0 ) / (VCC – 0) ) =  R1 * C1 * ln( 2VCC / VCC  ) = R1 * C1 * ln(2)

Que é exatamente a fórmula que mostramos inicialmente para calcular o tempo de ALTO para o caso de R2 igual a zero.

Visualizando a onda de nosso oscilador

Sempre que falamos de sinais e ondas, é bom nos habituarmos a visualizá-las, pois isto ajuda muito a entender como tudo funciona.

No caso do 555 no modo estável, o que temos na saída é uma onda quadrada que vai de GND a VCC e tem período, frequência, tempo de ALTO, tempo de BAIXO e duty cycle definidos pelas equações que vimos anteriormente.

O 555 estável em ação

Mas para fazermos jus ao nome Fazedores, precisamos colocar as mãos na massa e ver o 555 em ação no modo estável. Para isto, construímos o circuito do 555 no modo estável num protoboard, ligamos um osciloscópio ao pino de saída e filmamos ele em funcionamento. Veja:

No vídeo temos três situações:

1. No primeiro trecho, temos o 555 em modo estável com um R1 de 10K ohms, R2 de 100K ohms e C1de 4.7uF. Observe que as medições na tela do osciloscópio batem com os cálculos que fizemos no começo do artigo. Claro, elas não batem exatamente, pois os componentes possuem algumas imperfeições. Ainda neste trecho observe o que acontece quando trocamos o capacitor de4.7uF por um de 1.0uF. Como ele tem menor capacidade, ele retém menos energia e com isto carrega e descarrega mais rapidamente aumentando a frequência de nosso oscilador. A frequência, neste caso, salta de 1.366Hz para 6.25Hz. Como não mudamos a relação entre os resistores o duty cycle permanece inalterado por volta de 52.5%.
2. No segundo trecho deixamos o capacitor de 4.7uF no lugar e mostramos o efeito de trocar o resistorR2 de 100K ohms por um de 10K ohms (igual a R1). Observe que os efeitos são aderentes ao que vimos anteriormente. Neste caso, temos mudanças na frequência do oscilador que salta de 1.366Hz para 10Hz. Porém, como a relação entre os resistores é alterada também vemos mudanças no duty cycle que passa de 5.2.5% para 64.0%.
3. E no terceiro trecho trocamos a saída para um auto-falante. Sim, osciladores podem trabalhar em frequências diversas e no caso também trocamos os componentes que determinam a frequência do oscilador para ele trabalhar com um sinal de áudio. Colocamos R1 com 1K ohms, R2 com 10K ohms eC1, inicialmente, com 0.1uF. Utilizando as equações que vimos, esta configuração deveria gerar um sinal de 685Hz com duty cycle de 52.3%. Esta frequência está na faixa audível e por isto deveríamos perceber um som saindo do auto-falante. E é exatamente isto que acontece, o auto-falante emite um som que podemos perceber (e também no vídeo) e as medidas apresentadas no osciloscópio são aproximadas às que a equação nos deu (as variações são devido às imperfeições dos componentes). Depois trocamos o capacitor de 0.1uF por um de 0.01uF e observamos que a frequência do sinal muda bastante, saltando de 675.7Hz para 6.579kHz, e percebemos que o sinal de áudio vindo do auto-falante é bem mais agudo. Depois trocamos novamente o capacitor para um de 0.0047uF e a frequência salta para 12.89kHz. Observe que neste caso o microfone do iPhone usado para fazer o vídeo mal consegue detectar o som.

Legal, agora já conhecemos o 555 no modo estável, e também no modo monoestável como foi apresentado no primeiro artigo desta série. Para completar nossa série sobre este incrível chip, ainda teremos que aprender sobre o modo biestável e alguns outros detalhes deste componente. Mas isto ficará para nosso próximo artigo.

E ai, entendeu melhor como este componente funciona? Já utilizou ele em algum projeto? Conte aqui nos comentários e até a próxima!