CI 555

thumb|O CI 555 nas versões DIP e SOIC-8.|250x250px

O 555 é um circuito integrado (chip) utilizado em uma variedade de aplicações como temporizador ou oscilador. Foi lançado em 1972 pela fabricante americana Signetics (mais tarde adquirida pela Philips) com os nomes comerciais de NE555T (invólucro metálico) e NE555V (invólucro DIP), e foi apelidado de The IC Time Machine (A Máquina do Tempo num Chip). Este componente continua em pleno uso graças a sua simplicidade, versatilidade, baixo preço e boa estabilidade às variações de temperatura e de tensão. Em 2017, foi divulgado que mais de um bilhão de unidades são produzidos anualmente e que "o 555 é provavelmente o circuito integrado mais popular já fabricado".

thumb|250px|Estrutura interna do 555

É composto por 24 transistores de junção bipolar, 2 diodos e 16 resistores em um encapsulamento duplo em linha (DIP) de 8 pinos. Da mesma família de temporizadores temos ainda o integrado 556, composto de dois temporizadores 555 combinados em um invólucro DIP de 14 pinos, e os integrados 558/559, que contém quatro temporizadores 555 em um encapsulamento de 16 pinos. Também estão disponíveis versões de baixo consumo como o ICM7555 e o TLC555, que utilizam transistores CMOS e com isto tem um menor consumo de energia, as novas versões de baixa tensão, como os integrados MIC1555/1557 e TS555, com tensões mínimas de 2 e 2,7 volts respectivamente, e as de alta tensão, como o BD9555FVM-C, com tensão máxima de 50 volts.

História thumb|Molde de silício do primeiro chip 555 (1971) |225x225px

O integrado 555 foi projetado em 1971 pelo engenheiro eletrônico suíço Hans Camenzind (1934-2012), então funcionário da Signetics. Na época, integrar componentes eletrônicos no encapsulamento que conhecemos hoje era algo muito limitado. Dessa forma ele precisou trabalhar muito para conseguir uma configuração não apenas funcional, mas também viável para a construção do chip. O primeiro projeto do 555 tinha 9 pinos e foi revisado em meados do mesmo ano. Poucos dias depois, Camenzind teve a ideia de usar mais alguns resistores internos em vez de uma fonte de corrente constante, descobrindo mais tarde que funcionava. Essa mudança diminuiu os 9 pinos do projeto original para 8 afim de que o circuito pudesse caber em um encapsulamento de 8 pinos em vez de um de 14 pinos. Este projeto revisado passou por uma segunda análise com os protótipos concluídos em outubro de 1971: NE555V (plástico DIP) e SE555T (metal TO-5). A versão de 9 pinos já havia sido divulgada por outra empresa fundada por um engenheiro que compareceu à primeira revisão e se aposentou da Signetics; essa empresa retirou sua versão logo após o lançamento do 555, em 1972.Posteriormente foi fabricado por outras 12 empresas e o componente logo se tornou um produto campeão de vendas.

Vários livros relatam que o nome 555 foi adotado em alusão ao fato de existir uma rede interna (divisor de tensão) de três resistores de 5 kΩ (1K = 1000 ohms) que servem de referência de tensão para os comparadores do circuito integrado. No entanto, em uma entrevista concedida anos depois, Hans Camenzind afirmou que o 555 foi escolhido arbitrariamente pelo gerente de marketing Art Fury, que achava que o componente iria vender muito.

Projeto

thumb|Esquema em blocos do 555|225x225px thumb|Esquema interno do 555 na versão bipolar|225x225px thumb|Esquema interno do 555 na versão CMOS|225x225px Esquema interno Internamente o 555 tem partes analógicas (um divisor resistivo para fornecer as tensões de referência aos dois amplificadores operacionais na configuração clássica de comparadores de tensão) e uma parte digital (um biestável RS Latch muitas vezes chamado de flip-flope um transistor). Possui ainda um amplificador inversor, cuja finalidade é aumentar a corrente de saída para torná-lo compatível com os integrados TTL e CMOS.

O diagrama de blocos e o esquema interno do integrado são destacados com a mesma cor em todos os três desenhos para entender como o chip é constituído:

Entre o pino 8 (+ Vcc) e o pino 1 (GND), há um divisor composto por três resistores idênticos (5 kΩ na versão bipolar e 100 kΩ na versão CMOS) para fornecer tensões de referência aos dois comparadores. O pino 5 (CONT, CV, CTRL) está conectado entre os dois resistores superiores, permitindo que uma tensão externa controle as tensões de referência: Quando o pino 5 não é acionado, este divisor cria uma tensão de referência superior de 2/3 Vcc e uma tensão de referência inferior de 1/3 Vcc. Quando o pino 5 é acionado, a tensão de referência superior será V CONTROL e a tensão de referência inferior será 1/2 V CONTROL. Este pino também possibilita a entrada de modulação, variar a tensão necessária no pino 6 para que o primeiro comparador ressete o flip-flop e o desacoplamento dos resistores internos por meio de um capacitor, evitando que espúrios (ruídos) de comutação venham a interferir no funcionamento do integrado.

A entrada inversora (bolinha) do comparador é conectada à tensão de referência superior do divisor de tensão e a entrada não inversora é conectada ao pino 6 (THRES, limiar ou limite). Quando a tensão neste pino é maior que VCONTROL (2/3 Vcc, exceto quando o pino 5 CONT é acionado por um sinal externo), o flip-flop é desativado, fazendo com que o bloco Output vá para zero volt (GND) e nível lógico baixo (LOw).

A entrada não inversora do comparador é conectada à referência inferior do divisor de tensão e a entrada inversora (bolinha) é conectada ao pino 2 (TRIG ou disparo). Quando a tensão neste pino cai 1/2 V abaixo de V CONTROL (1/3 Vcc, exceto quando o pino 5 é acionado por um sinal externo), o biestável (flip-flop) é ativado e a saída (Output) vai para o nível lógico alto (até 1,7 V abaixo de + Vcc). Enquanto o trigger continuar a ser mantido em baixa tensão, o bloco Output permanecerá no nível alto (HIgh).

Um biestável RS Latch armazena o estado do temporizador e é controlado pelos dois comparadores. O pino 4 () substitui as outras duas entradas; portanto, o flip-flop (e todo o temporizador) pode ser reinicializado a qualquer momento, direcionando-o para GND, mas o tempo não começa novamente até que este pino suba aproximadamente acima de 0,7 volts. Este pino substitui o Trigger (TRIG), que por sua vez substitui o Threshold (THRES). Se o pino 4 não for usado, ele deve ser conectado a VCC para evitar que ruídos elétricos causem uma reinicialização (reset) acidental.

A saída do "flip-flop" é seguida por um estágio amplificador inversor de saída com excitadores push-pull que é acionado para o nível lógico baixo LO (GND) ou alto HI (até 1.7 V abaixo de +VCC para os 555 bipolares ou +VCC para os 555 CMOS). Tem como finalidade aumentar a capacidade de corrente do integrado. Para os 555 bipolares, o pino 3 (OUT) fornece até 200 mA e os 555 CMOS de 100 mA a 150 mA. O amplificador inverte o sinal proveniente do biestável na sua entrada, isto é, a saída (OUT) do integrado é Q. No caso dos 555 bipolares, se este pino acionar uma entrada sensível de um chip lógico digital, pode ser necessário usar um capacitor de desacoplamento de 100 a 1000 pF (entre este pino e GND) para evitar o disparo duplo.

Além disso, a saída do biestável liga um transistor NPN de coletor aberto na versão bipolar ou MOS de dreno aberto na versão CMOS. Este pino 7 (DISCH) quase sempre é usado para descarregar um capacitor em conjunto com o bloco de saída (Output), ou seja, o transistor interno está saturado (conduzindo) quando Output está em nível lógico baixo (LO) e cortado quando em nível alto (HI).No modo biestável e no disparador Schmitt, este pino não é usado, o que permite que ele seja usado como uma saída alternativa.

Pinagem

thumb|A figura acima descreve os pinos do CI 555. Os pinos vermelhos 1 e 8 são para alimentação do integrado. Os verdes 2, 4, 5 e 6 são entradas e os azuis 3 e 7 são saídas.|225x225px Terminal Nome Aplicação 1 GND Terra ou massa (ground). 2 TRIG, TR Gatilho ou disparo (trigger) – um valor de tensão baixo (< 1/3 Vcc) neste terminal activa o biestável interno e a saída. 3 OUT Durante um intervalo de tempo, a saída (output) permanece em +VCC. 4 , , Um intervalo de temporização pode ser interrompido pela aplicação de um pulso de reinício (reset). 5 CTRL, CONT, CV Tensão de controle (control voltage) – Permite acesso ao divisor interno de tensão (2/3 VCC). 6 TH, THR, THRES Limiar ou limite (threshold) – um valor de tensão alto (> 2/3 Vcc) neste terminal desactiva o biestável interno e a saída. 7 DIS, DISCH Descarga (discharge) – sua função é descarregar o capacitor conectado a este terminal. 8 VCC, V+ A tensão (voltage) positiva da fonte, que deve estar entre +5 e +15V.

Uso Modos de Operação Os principais modos de funcionamento deste integrado são os seguintes: Astável (free-running) thumb|Esquema do 555 no modo astável|225x225px thumb|Formas de onda do 555 no modo astável|227x227px + Exemplos de valores de C, R1 e R2 Frequência C R1 R2 Duty cycle 0.1Hz (+0.048%) 100μF 8.2kΩ 68kΩ 52.8% 1Hz (+0.048%) 10μF 8.2kΩ 68kΩ 52.8% 10Hz (+0.048%) 1μF 8.2kΩ 68kΩ 52.8% 100Hz (+0.048%) 100nF 8.2kΩ 68kΩ 52.8% 1kHz (+0.048%) 10nF 8.2kΩ 68kΩ 52.8% 10kHz (+0.048%) 1nF 8.2kΩ 68kΩ 52.8% 100kHz (+0.048%) 100pF 8.2kΩ 68kΩ 52.8% Na configuração astável, o 555 opera como oscilador, emitindo ondas retangulares com uma frequência específica. Usa dois resistores, e , e o capacitor . Os pinos 2 e 6 são conectados ao capacitor ; portanto, eles têm a mesma tensão.

Inicialmente, o capacitor não está carregado e portanto, o pino 2 de disparo (TRIG) recebe tensão zero, que é menor que 1/'3 da tensão de alimentação. Consequentemente, o pino de disparo faz com que a saída (OUT) suba e o transistor de descarga interno vá para o modo de corte. Como o pino 7 de descarga (DIS) não está mais em curto-circuito com o terra (GND), a corrente flui através dos resistores e ao capacitor , carregando-o até 2/3 da tensão de alimentação. Nesse momento, o pino 6 de limite (THR) faz com que a saída fique baixa e o transistor de descarga entre no modo de saturação (condução). Consequentemente, o capacitor começa a descarregar através de até que se torne menor que 1/3 da tensão de alimentação, ao ponto em que o pino de disparo faz com que a saída suba e o transistor de descarga vá para o corte novamente. E o ciclo se repete. Durante o primeiro pulso, o capacitor carrega de zero 2 /3 da tensão de alimentação, porém, em pulsos posteriores, carrega apenas de 1/3 a 2 /3 da tensão de alimentação. Consequentemente, o primeiro pulso tem um intervalo de tempo alto mais longo em comparação com os pulsos posteriores. Além disso, o capacitor carrega através de ambos os resistores, mas só descarrega através de ;portanto, o tempo alto de saída é maior que o tempo baixo , ou seja, esta configuração não produz forma de onda simétrica na saída, devido à desigualdade nas constantes de carga e descarga do capacitor, conforme demonstrado na forma de onda Output voltage da figura e pelas seguintes expressões:

Tempo de carga de C (saída alta)

onde: é o tempo alto (High) em segundos (s) e em ohms (Ω) em farads (F) é abreviação do logaritmo natural de 2 (0,693147),embora em algumas publicações ou documentações do 555 ou 556 possa aparecer como , ou .

Tempo de descarga de C (saída baixa)

onde é o tempo baixo (Low) em segundos.

Se o valor de for bem menor que , por exemplo, = 1 kΩ e = 100 kΩ, a saída será quase simétrica, pois o tempo de carga será aproximadamente igual ao de descarga .

O período (total) de um ciclo de oscilação é:

Como a frequência da oscilação é o inverso do período , vem:

A combinação das duas últimas expressões resulta na seguinte fórmula:

sendo: em hertz (Hz) e em megohms (MΩ) em microfarads (μF) Nota: em algumas publicações ou documentações do 555 ou 556, pode aparecer como , ou .

Exemplo de cálculo

Um circuito 555 astável possui os seguintes valores: 1 = 1 kΩ (0,001 MΩ) 2 = 330 kΩ (0,33 MΩ) = 220 nF (0,22 μF)