NE555 in configurazione Astabile
In figura è riportato un esempio di ASTABILE realizzato con il Timer 555. Anche qui il Led ha il solo scopo di visualizzare in modo immediato lo stato dell’uscita. Da notare che non vi è più alcun tasto di comando esterno.
Risultano ben evidenziati tre componenti R1 R2 e C, determinanti per il funzionamento. Da notare che C è collegato questa volta ai pin 2 e 6 del 555.
Risultano ben evidenziati tre componenti R1 R2 e C, determinanti per il funzionamento. Da notare che C è collegato questa volta ai pin 2 e 6 del 555.
Funzionamento
Per semplicità, supponiamo che il condensatore C sia inizialmente scarico e l’uscita bassa.
Quando però la tensione su C (collegata anche al pin 2) scende sotto 1/3Vcc l’uscita torna alta e il ciclo si ripete di continuo.
Si nota quindi che i due stati alto e basso dell’uscita sono entrambi instabili, per cui siamo in presenza di un ASTABILE, con continui passaggi alto-basso, senza alcun intervento dall’esterno.
In figura sono riportati gli andamenti dei segnali in Uscita (3) e sul Condensatore C (2 e 6).
- Il pin 2 è collegato a C e si trova a livello inferiore a 1/3Vcc, quindi risulta vera l’affermazione n.1 e l’uscita diventa subito alta.
- L’interruttore interno si chiude nuovamente portando a massa il pin 7 e quindi il terminale superiore di R2. Si ha quindi la scarica del condensatore, che avviene attraverso la sola R2.
Quando però la tensione su C (collegata anche al pin 2) scende sotto 1/3Vcc l’uscita torna alta e il ciclo si ripete di continuo.
Si nota quindi che i due stati alto e basso dell’uscita sono entrambi instabili, per cui siamo in presenza di un ASTABILE, con continui passaggi alto-basso, senza alcun intervento dall’esterno.
In figura sono riportati gli andamenti dei segnali in Uscita (3) e sul Condensatore C (2 e 6).
Si possono individuare due fasi distinte: uno stato di uscita alta corrispondente alla fase di carica e uno stato con uscita bassa corrispondente alla fase di scarica del condensatore.
La costante di proporzionalità 0,69 va presa per buona, anche se sarebbe dimostrabile matematicamente.
Il ciclo completo si ripete periodicamente nel tempo, con periodo complessivo pari a:
T = Ton + Toff = 0,69 (R1 + 2R2)·C
Trattandosi di un segnale periodico, si può parlare di frequenza del segnale in uscita, pari all’inverso del periodo, e cioè:
f = 1/T = 1,44 / [(R1 + 2R2)·C]
Come si vede, il Ton è sempre più lungo del Toff e l’onda non potrà mai essere perfettamente simmetrica. Viene definito Duty Cycle (D.C.) il rapporto Ton/T. Esso esprime numericamente, in percentuale, tale dissimetria:
D.C. (%) = Ton / T · 100
Ad esempio, dire che il D.C. di un segnale è pari all’80%, equivale a dire che il Ton è pari all’80% del T complessivo.
- La fase di carica avviene attraverso R1 ed R2 ed ha una durata proporzionale alla costante di tempo (R1+R2)·C, precisamente pari a:
- La fase di scarica avviene invece solo attraverso R2 ed ha durata proporzionale alla costante di tempo R2·C, precisamente pari a:
La costante di proporzionalità 0,69 va presa per buona, anche se sarebbe dimostrabile matematicamente.
Il ciclo completo si ripete periodicamente nel tempo, con periodo complessivo pari a:
T = Ton + Toff = 0,69 (R1 + 2R2)·C
Trattandosi di un segnale periodico, si può parlare di frequenza del segnale in uscita, pari all’inverso del periodo, e cioè:
f = 1/T = 1,44 / [(R1 + 2R2)·C]
Come si vede, il Ton è sempre più lungo del Toff e l’onda non potrà mai essere perfettamente simmetrica. Viene definito Duty Cycle (D.C.) il rapporto Ton/T. Esso esprime numericamente, in percentuale, tale dissimetria:
D.C. (%) = Ton / T · 100
Ad esempio, dire che il D.C. di un segnale è pari all’80%, equivale a dire che il Ton è pari all’80% del T complessivo.
Esempio di Calcolo
- Se si conoscono i valori di R1 R2 e C, trovare periodo, frequenza e D.C. del segnale in uscita equivale semplicemente ad applicare le formule appena riportate.
- Se invece siamo in fase progettuale e si conoscono frequenza e D.C. desiderate, bisogna calcolare i relativi valori R1 R2 e C, e la situazione risulta più complessa. Come nel caso del monostabile, si tratta di fissare “a caso” il valore di C e ricavare poi i valori di R2 ed R1, controllando poi l’accettabilità dei risultati.
Esempi:
- Facciamo un esempio: si vuole progettare un oscillatore con frequenza 1KHz e D.C. 80%.
T= 1/f = 1ms
Ton = 80% T = 0,8ms
Toff = T - Ton = 0,2ms
Si individua poi sull’asse verticale la frequenza e si sceglie un valore di C accettabile: nell’esempio si può scegliere C=1nF, ma anche C=10nF, oppure C=100nF o C=1uF. Scegliamo un valore intermedio, C=100nF.
Se la frequenza fosse stata intorno a 0,1Hz, un C accettabile avrebbe potuto essere 10uF, mentre per una frequenza alta, intorno a 100KHz, la scelta potrebbe essere C=1nF.
Usiamo poi le due formule Ton e Toff, partendo dalla più semplice: Toff = 0,69 R2·C
Da essa si ricava:
R2 = Toff / (0,69·C) = nel nostro esempio: 2,9K
Usiamo poi la formula di Ton = 0,69 (R1+R2)·C per ricavare:
(R1+R2) = Ton / (0,69·C) = nel nostro esempio: 11,6K
Da essa è facile ricavare:
R1 = (R1+R2) - R2 = nel nostro esempio: 11,6K - 2,9K = 8,7K
I valori ottenuti nell’esempio sono quindi: R1=8,7K ; R2=2,9K ; C=100nF.
Conviene infine fare una rapida verifica ed applicare la formula della frequenza, per verificare appunto che la frequenza sia vicina a quella desiderata in partenza:
f = 1,44 / [(R1 + 2R2)·C] = nel nostro esempio: 993 Hz, una precisione accettabile
Ovviamente nella realizzazione pratica i valori dei componenti andranno arrotondati ai valori della scala commerciale E12, con un po’ di criterio.
- Un altro esempio: si vuole realizzare un lampeggiatore che stia acceso per 3s e spento per 1s.
Dal diagramma è possibile scegliere un valore accettabile per C, ad esempio C=10uF.
Da Toff=0,69·R2·C si ricava:
R2 = Toff/(0,69·C) = 145K
Da Ton=0,69·(R1+R2)·C si ricava poi:
(R1+R2) = Ton/(0,69·C) = 435K
Quindi:
R1 = (R1+R2) - R2 = 290K
Riassumendo:
R1=290K ; R2=145K ; C=10uF
Verifica finale:
f = 1,44/[(R1+2R2)·C] = 0,248 Hz
con precisione di calcolo più che accettabile