Multivibradores

Universidad de Sonora

Departamento de Físi a

Prá ti a 05

Temporiza ión

María Fernanda Moreno López

Li en iatura en Físi a

Grupo 1 , Horario 17:00-19:00

Hermosillo - 23 de septiembre de 2015

Temporiza ión 3 Resumen teóri o

1. Introdu ión

En la presente prá ti a se ha e uso del ir uito integrado ono ido omo tempo-

rizador 555. Este es de los integrados más usados en el ámbito de la ele tróni a

por su e onómi o oste y gran variedad de apli a ión. Sus usos más omúnes son

para produ ir pulsos temporizados muy pre isos, lo que se ono e omo modo

monoestable; y omo os ilador, o también modo astable.

Otras apli a iones en las uales se ha e uso son: modulador de fre uen ias, di-

visor de fre uen ia y generador de señales re tangulares y triangulares.

Como dato históri o: fue desarrollado y onstruido en el año 1971 por la empre-

sa Signeti s on el nombre: SE555/NE555 y se le llamó: "The IC Time Ma hi-

ne"(Çir uito integrado la máquina del tiempo")

Según quien lo fabrique, lo podemos en ontrar mar ado on una designa ión

tal omo: LM555, NE555, LC555, MC1455, MC1555, SE555, CA555, XR-555,

RC555, RM555 o SN72555.

2. Objetivos

1. Cono er el fun ionamiento del temporizador 555.

2. Emplear el temporizador en una apli a iónn de onmuta ión.

3. Resumen teóri o

El diagrama de bloques interno del temporizador 555 es el siguiente:

Figura 1: Diagrama a bloques de temporizador 555.

La ir uitería interna del integrado se onforma por 20 transistores, 15 resisten-

ias y 2 diodos que dependen del fabri ante (gura 2).

María Fernanda Moreno López 1 Instrumenta ión II


Figura 2: Cir uito interno del temporizador 555.

Distribu ión de pines

Como el diagrama lo indi a, ada uno de los pines tiene ara terísti as distintas

(entradas o salidas).

Pin 1- Tierra o masa: ( Ground ) Conexión a tierra del ir uito (a polo negativo

de la alimenta ión).

Pin 2- Disparo: ( Trigger ) En este pin es donde se estable e el ini io del tiempo

de retardo, si el 555 es ongurado omo monostable. Este pro eso de disparo

o urre uando este pin va por debajo del nivel de 1/3 del voltaje de alimenta-

ión. Este pulso debe ser de orta dura ión, pues si se mantiene bajo por mu ho

tiempo la salida se quedará en alto hasta que la entrada de disparo pase a alto

otra vez.

Pin 3- Salida: ( Output ) Aquí estará el resultado de la opera ión del tempori-

zador, ya sea que este fun ionando omo monostable, astable u otro. Cuando la

salida es alta, el voltaje será igual a V menos 1.7 Voltios. Esta salida se puede

poner a 0 voltios on la ayuda del pin 4 (reset).

Pin 4- Reset: Si este pin se le apli a un voltage por debajo de 0.7 voltios, enton-

es la patilla de salida 3 se pone a nivel bajo. Si esta patilla no se utiliza hay

que one tarla a V para evitar que el 555 se resetee.



Pin 5- Control de voltaje: ( Control ) El voltaje apli ado a la patilla 5 puede

variar entre un 40 y un 90% de V en la ongura ión monostable. Cuando se

utiliza la ongura ión astable, el voltaje puede variar desde 1.7 voltios hasta

V . Modi ando el voltaje en esta patilla en la ongura ión astable ausará

que la fre uen ia del astable sea modulada en fre uen ia (FM). Si este pin no

se utiliza, se re omienda ponerle un ondensador de 0.01uF para evitar las in-

terferen ias.

Pin 6- Umbral: ( Threshold) Es una entrada a un omparador interno que tiene

el 555 y se utiliza para poner la salida (Pin 3) a nivel bajo.

Pin 7- Des arga: ( Dis harge ) Utilizado para des argar el ondensador externo

utilizado por el temporizador para su fun ionamiento.

Pin 8- V : Este es el pin donde se one ta el voltaje positivo de la alimenta-

ión que puede ir desde 4.5 voltios hasta 16 voltios (máximo). En las versiones

militares de este integrado puede llegar hasta los 18 Voltios.

Fun ionamiento

Para entender el fun ionamiento del temporizador 555 se muestra la gura 4.

Figura 3: .Esquema interno del temporizador 555.

En su interior, el integrado está onstituido por un ip op de tipo SR, uya



tabla de verdad se muestra en el uadro 1. Analizando esta tabla se puede

des ribir el fun ionamiento del temporizador y su respuesta en la salida.

S R Q Q0 0 = =

0 1 0 1

1 0 1 0

1 1 x x

Cuadro 1: Tabla de verdad para el ip-op SR. El estado S = 1 y R = 1 no está

denido.

Cuando en la salida Q se tiene un 0 lógi o, en la salida Q se tiene un 1 lógi o,

al ser la nega ión de Q. Según la tabla de verdad, lo anterior se tiene uando S

es 0 y R es 1. Lo que su ede en el omparador B, es que el voltaje en la entrada

inversora (pin 2) es mayor que el voltaje jo en la entrada no-inversora = V /3

(ver desarrollo teóri o). Lo anterior provo a que el voltaje de salida sea el menor

de los dos voltajes de ompensa ión, no señalados en el diagrama pero que son

bási os en el estudio de los ampli adores opera ionales, teniendo así el 0 lógi o.

En el omparador A, el voltaje en la entrada no-inversora (pin 6) es igual (por

un instante de tiempo) o mayor que el voltaje jo en la entrada inversora =

2V /3 (ver desarrollo teóri o), es por esto que en la salida se presente el mayor

de los voltajes de ompensa ión y se obtiene el 1 lógi o.

Cuando ae el voltaje en los pines 2 y 6, las situa iones ambian en los ompa-

radores y por ende, ambia la ombina ión en las entradas S y R, modi ando

así la salida Q. En el momento en el ual el voltaje de los men ionados pines

va disminuyendo, por alguna a ión en el exterior, en el omparador A se tiene

un estado de 0 y en el omparador B, por un intervalo de tiempo denido, se

tiene también un 0 lógi o. Por la tabla de verdad se sabe que esta ombina ión

mantiene el estado anterior, por lo ual en Q se tiene el mismo 1.

Pasado el tiempo en el ual el voltaje en la entrada inversora deja de ser mayor

al de la entrada no-inversora, en el omparador B se obtiene un 1 y esto ausa

un 1 en la salida Q.

Cuando la salida Q es 0, el transistor está abierto, omo si no existiera, y la

salida en el pin 3 es alta (1) por a ión del inversor buer de salida. A diferen ia

de uando la salida negada es 1, el transistor entra en satura ión y ondu e, el

buer de salida invierte a 0 en este aso ausando una señal baja en la salida

del pin 3.

Como se pudo observar, el ambio en el voltaje de los pines 2 y 6 es quien ambia

los estados del ip op interno. En el ir uito siguiente se ve omo estos pines

están inter one tados entre sí y su varia ión en la tensión es debida por la arga



y des arga del apa itor C1.

Modo astable

La primera apli a ión que se estudiará es la ongura ión en modo astable

(gura 3)

Figura 4: Diagrama de un ir uito astable.

En el pin de salida se obtiene un tren de pulsos altos y bajos (onda uadrada),

que orresponden a una presen ia de voltaje y a voltaje muy pequeño o nulo,

respe tivamente.

El fun ionamiento de esta ongura ión se redu e a un ir uito RC onformado

por el apa itor C1 y la resisten ia R1. La os ila ión del pulso es reejo del tiem-

po de arga del apa itor por a ión de la orriente a través de la resisten ia R1.

Cuando el transistor Q1 está ondu iento, la orriente va dire tamente a tie-

rra y el apa itor se des arga. Por lo ontrario, uando el transistor está abie-

ro, el apa itor se omienza a argar por que la orriente pasa dire tamente

por las resisten ias. El voltaje mínimo y máximo del apa itor serán Vmax =2V cc/3 y Vmin = V cc/3.En la gura 5 se ilustra lo anterior.



Figura 5: Fun ionamiento de un ir uito astable.

El tiempo del pulso alto (tH) es denido por la siguiente e ua ión:

tH = ln(2)(R1 +R2) · C1

Y el tiempo del pulso bajo (tL)

tL = ln(2)R2

Esta e ua ión se dedu irá en la se ión de desarrollo teóri o.

El tiempo del periodo de la os ila ión es la suma del tiempo alto y del bajo tL :

τ = tH + tL

Modo monoestable

La segunda apli a ión es la del modo monoestable. Este ir uito (gura 4) en-

trega un solo pulso alto dependiendo de los valores de Ra y C1. El tiempo alto

es reejo de la arga del apa itor C1.



Figura 6: .Diagrama de un ir uito monoestable.

Figura 7: Fun ionamiento de un ir uito monoestable.


Temporiza ión 5 Desarrollo teóri o

En el pin (2) se olo a un interruptor que propor ione un disparo negativo.

Antes del disparo, gura 7 (a), la salida en el pin 3 es 0, el transistor está

ondu iendo y el apa itor está des argado; uando se apli a el disparo, gura

7 (b), el omparador B ambia SET a 1 en el ip op y este produ e un estado

ALTO en Q, el transistor se abre y permite la arga del apa itor, nalmente,

en la salida en el pin 3 se tiene el estado ALTO.

El estado ALTO permane era hasta que el apa itor se argue ompletamente

desde 0v a 2V /3 en un tiempo τ , gura 7 ( ).

El tiempo alto se al ula mediante la e ua ión:

t = ln(3) ·R2 · C1

Esta e ua ión también se dedu irá en la se ión de desarrollo teóri o.

4. Material y equipo

1. Cir uito integrado 555

2. Os ilos opio

3. Fuente regulada de 5 volts

4. Tarjeta para ir uitos

5. Resisten ias

6. Capa itores

7. LED

5. Desarrollo teóri o

En el pin 8, el voltaje de alimenta ión, se tiene una onexión en serie de tres

resisten ias on valores iguales ha ia el punto de referen ia (tierra) del ir uito.

Se observa omo los ampli adores toman la diferen ia de poten ial presente

entre las resisten ias. Llamaremos V1 del ampli ador A1 a la aída de voltaje

del nodo superior por a ión de la resisten ia R1 y V2 del ampli ador A2 a la

aída de voltaje del nodo inferior por a ión de la resisten ia R3. V3 es la aída

de voltaje provo ada por la resisten ia R3 que está dire tamente a tierra.

Las resisten ias se omportan omo divisores de voltaje y este se puede al ular

mediante la ley de Kir hho y la ley de Ohm.

V = I · R (1)

n∑

n=1

Vn = 0 (2)

La suma de de las aídas de voltaje en las tres resisten ias es igual al voltaje de

entrada V :

V cc = V 1 + V 2 + V 3



Si se bus a la aída de tensión en V1, se ha e el análisis on el número de

resisten ias que están entre el nodo y la tierra.

V 1 = V 2 + V 3

Sustituyendo (1)

V 1 = I ·R2 + I ·R3

Como R1 = R2 = R3V 1 = 2I · R (3)

Se al ula la orriente I:

I =V cc

R1 +R2 +R3=

V cc

3R(4)

Sustituyendo (5) en (4)

V 1 = 2V cc

3R·R =

2V cc

3(5)

Para el V2 se ha e el mismo pro edimiento y se obtiene

V 2 =V cc

3(6)

Modo astable

Figura 8: Cir uito astable.



Como se dijo, el fun ionamiento de este ir uito se redu e a un ir uito de arga

y des arga de un apa itor en una ongura ión RC, uyo omportamiento está

des rito por la e ua ión diferen ial

dq

dt=

CV cc

RC−

q

RC(7)

Y su solu ión, para la arga, es

V (t) = Vmax(Vmax − Vo)e−t/RC

(8)

Para al ular el tiempo en estado alto tH se supone la arga del apa itor desde

un voltaje ini ial hasta un voltaje máximo por a ión de la resisten ia R1 + R2

V (0) =2V cc

3

V (t) =V cc

3

V (∞) = 0

Sustituyendo estos valores en la e ua ión (8)

V

3= e−tH/(R1+R2)C1(

2V

3− 0) + 0

Simpli ando y resolviendo para tH , usando las propiedades de los logaritmos

se tiene nalmente el valor del tH

tH = ln(2)(R1 +R2) · C1

Un pro eso similar se sigue para el tiempo de des arga (tL) pero onsiderando

la des arga del apa itor desde 2V/3 hasta V/3 por a ión de la resisten ia 2

tL = ln(2)R2 · C1

El periodo de la onda se obtiene sumando estos dos tiempos

τ = tH + tL


Temporiza ión 6 Desarrollo experimental

Modo monoestable

Figura 9: Cir uito monoestable.

El tiempo t se al ula por medio de la e ua ión de arga de un apa itor en la

ongura ión RC desde un valor ini ial Vo = 0v hasta V = 2V /3

2V cc

3= V cc+ (V cc− 0)e−t/R2C

Resolviendo para tt = ln(3)R2 · C

6. Desarrollo experimental

Modo astable

1. Se onstruyó el ir uito respe tivo al multivibrador astable. Con Ra =

10kΩ, Rb = 22kΩ y C1= 10 nF

2. Cone tamos el os ilos opio y observamos las formas de las salidas de los

pines 2 (V ) y 3 (Vo) del temporizador 555.

3. Medimos la fre uen ia y la amplitud del voltaje.

4. Reemplazamos la resisten ia Rb por los valores 47kΩ y 100kΩ.

5. Repetimos el paso 2 on los dos valores distintos.



Modo monoestable

6. Construimos el ir uito respe tivo al vibrador monoestable. Con Ra =

3.3MΩ y C1 = 10mF.

7. Sustituimos el onmutador por un puente.

8. A tivamos el interruptor y observamos la señal de Vo en el os ilos opio.

9. Medimos la dura ión del estado alto.

10. Variamos la resisten ia Ra 1.5MΩ y 47KΩ.

11. Repetimos la medi ión de la dura ión del estado alto.

6.1. Medi iones del experimento

Astable

Rb (Ω) 9.84k 46.40K 99.20K

Vamp(V) 4.88 4.96∼5.04 5.04∼5.12

ν (Hz) 2.61k 1.37k 677

TH (µs) 224 392 800

TL (µs) 156 344 704

Vc 3.40 3.76 •

Cuadro 2: Medi iones de las resisten ias y de los tiempos alto y bajo.

Monoestable

Rb (Ω) Tiempo (s)

3.28M 4.160

46.40k 160m

1.51M 1.840

Cuadro 3: Medi ión de las resisten ias y el tiempo del pulso alto.

6.2. Resultados

Los resultados teóri os para los tiempos de los ir uitos realizados se presentan

en los uadros siguientes



Modo astable

tH(µS) tL(µS) Ra(kΩ) Rb(kΩ) C1(nF )224.42 154.71 9.84 21.84 10.22

398.40 328.70 9.84 46.40 10.22

772.43 702.73 9.84 99.20 10.22

Cuadro 4: Cál ulo de tiempo alto y bajo teóri o.

Modo monoestable

t(s) Rb(Ω) C1(µF )360 3.28M 1.015

52m 46.4k 1.015

1.68 1.51M 1.015

Cuadro 5: Cál ulo de tiempo alto teóri o.

6.3. Grá as

20000

30000

40000

50000

60000

70000

80000

90000

100000

0.0001 0.0002 0.0003 0.0004 0.0005 0.0006 0.0007 0.0008

Rb O

hm

s

t (segundos)

Astable

ALTOBAJO

Figura 10: Rb vs tH y tL.


Temporiza ión 7 Compara ión de resultados

0

500000

1e+06

1.5e+06

2e+06

2.5e+06

3e+06

3.5e+06

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

Rb O

hm

s

t (segundos)

Monoestable

ALTO

Figura 11: Rb vs t.

En ambos asos, el valor de la resisten ia Rb es dire tamente propor ional al

tiempo en estado ALTO o BAJO en la salida del temporizador.

7. Compara ión de resultados

Modo astable

Rb(kΩ) τexp(µs) τteo(µs) Error%

21.84 380 379.13 0.02

46.4 736 727 1.24

99.2 1504 1475.16 1.95

Cuadro 6: Compara ión de medi iones experimentales y ál ulos teóri os on

errores por entuales

Modo monoestable

Rb(kΩ) texp(s) tteo(s) Error%

3.28M 4.16 3.66 13.67

46.4k 160m 52m 207.7

1.51M 1.84 1.68 9.52

Cuadro 7: Compara ión de medi iones experimentales y ál ulos teóri os on

errores por entuales


Temporiza ión 8 Con lusiones

8. Con lusiones

Un multivibrador astable es un ir uito que no tiene estado estable, posee dos

estados que onmutan, el tiempo que permane en es denido por la arga y

des arga de un ir uito RC. Esta es una parte analógi a y de ella depende la

pre isión de la temporiza ión. Esto nos indi a que las toleran ias de R y C inu-

yen dire tamente omo errores en la dura ión del pulso, así omo sus varia iones

on la temperatura. Y, ademas, es la parte más sensible al ruido.

Entre sus mu has apli a iones se indi an la genera ión de ondas periódi as (ge-

nerador de reloj) y de trenes de pulsos.

Se desa onseja el uso de ir uitos monoestables en sistemas digitales, por la

razón de que ontribuyen a las impre isiones onse uentes de los omponente

analógi os, al igual que en los astables. Aumentan el onsume de energía y el

tamaño es in onvenientemente grande. Se reemplaza su uso por ontadores di-

gitales que generan las temporiza iones a partir de un reloj de fre uen ia.

Estas impre isiones se ven reejadas en los errores al ulados en la prá ti a.

Se obtuvieron errores omprendidos en un intervalo entre 9% a 13% del va-

lor al ulado teóri amente, esto se puede deber a que los omponentes estaban

desgastados por el uso, o que otros fa tores, omo la temperatura, afe to en su

fun ionamiento.

Por otra parte, el ir uito astable se omportó dentro de un margen de error de

0.02% a 1.95%.


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