In questa piccola guida vi parlerò di un componente elettronico davvero utilissimo. Un dispositivo che ci consente di sviluppare una miriade di progetti e circuiti elettronici di ogni genere. Cari lettori e appassionati di elettronica, vi presento il Timer 555, il "metronomo" degli elettronici, o anche come da sottotitolo la "macchina del tempo a circuito integrato"

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La struttura

Verso la fine degli anni '70 venne alla luce il 555 e vi fu una nuova era per l'elettronica. Hans R. Camenzind ebbe l'idea di realizzare un circuito speciale in grado di generare segnali periodici legati a tutti i contesti temporali e non solo. Ma di cosa si tratta in particolare. Il timer 555 si presenta come un wafer integrato ad 8 pin di colore nero (esiste anche in altre forme meno conosciute, in particolare nella forma doppia 556 e nella forma circolare DIN, noi faremo riferimento al classico 8 pin noto anche con il nome NE555) della dimensione di circa 1 cm. Il bello è che in quella scatola c'è niente di meno che una vera e propria macchina del tempo realizzata con un insieme di transistori, resistenze e diodi connessi tra di loro in un modo che vedremo tra breve. Circa ogni anno ne vengono sformate piu di un miliardo di unità ed i numeri parlano chiaro! dal 1970 ad oggi, sono passati quasi 50 anni ed il chip ha resistito al progresso tecnologico... si vede che questo microchip non ha età. Il 555 può operare in tre modalità o configurazioni fondamentali: come circuito monostabile, come astabile e come bistabile; ma partiamo per gradi, iniziamo a vederne per prima cosa la struttura interna.

Il 555 è l'equivalente di \(23\) transistor, \( 16\) resistori e \(2\) diodi. 3 di questi resistori a \( 5k\Omega \) hanno ispirato il nome "555" che si riferisce proprio ad essi. Se provaste ad implementarlo da voi collegando le varie componenti, otterreste un grosso circuito delle dimensioni di mezza scrivania! Il timer è impaccato in solo mezzo centimetro! E' come avere una macchina del tempo delle dimensioni di un'unghia! L'immagine in alto mostra le schema a blocchi delle principali sezioni del componente e ne mette in risalto il relativo ruolo. Le tre resistenze implementano un partitore di tensione, cioè "ripartiscono (suddividono)" la tensione in ingresso ad \( {1 \over 3} \) e \( {2 \over 3}\) del valore iniziale. Due amplificatori operazionali fungono da "comparatori", nel senso che attivano la loro uscita quando gli ingressi sono equicomparabili. Il cuore del dispoditivo è un flip-flop (latch) SR con l'uscita connessa ad un buffer collegato a sua volta ad un transistore BJT (NPN). Nelle figure osservate le componenti principali. In seguito vi spiegherò il funzionamento nelle diverse configurazioni:

Piedinatura del 555

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1. GND (Ground \(0V\)): il PIN \( 1\) è la massa. Rappresenta il potenziale nullo per collegare il timer a terra.
2. Trigger: Il pin \( 2\) Serve a settare il flip-flop. in particolare quando la tensione scende al di sotto di \( {Vcc \over 3} \) il flip-flop passa da uno stato \( \small LOW \rightarrow HIGH\).
3. Output: E' l'uscita del temporizzatore a circa (\( 200mA - 1.5V \)). E' quì che si collegano led, motori, luci ed altre componenti varie.
4. Reset: Questo pin viene impiegato per resettare il flip flop.
5. Control Voltage: Controllo della tensione. E' uno dei pin più importanti (mandando una piccola tensione in esso), varia l'ampiezza dell'uscita. Inoltre esso è correlato a tutti i fenomeni di temporizzazione interna. (Quando non utilizzato particolarmente è tipico collegarlo a massa mediante un condensatore da \( 10\mu F\)
6. Threshold (Soglia): E' il valore (\( 3Vcc\)) oltre il quale, lo stato di uscita passa da \( \small HIGH \rightarrow LOW\).
7. Discharge (Scarica): E' connesso direttamente el collettore di un Transistore BJT (NPN), impiegato per scaricare il condensatore di temporizzazione a terra quando il pin \( 3\) è a \(\small LOW\).
8. Vcc: E' il pin di alimentazione del timer (di solito \( 5V \).

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Generare un impulso: Configurazione Monostabile

La cosa più semplice che possiamo fare con un 555 consiste nel generare un singolo impulso rettangolare (gradino di durata \( \tau\)), questa modalità di funzionamento è nota come la configurazione monostabile. Per far funzionare il timer in questa modalità bisogna costruire il seguente circuito:

Fate attenzione ai collegamenti: In questa configurazione, il piedino \( 7\) (il collettore del BJT) ed il \( 6\), sono entrambi connessi e quindi pilotati dal condensatore \( C_T \). Azionando l'interruttore \( T\) il primo comparatore (in basso) percepisce un livello di tensione \( < {Vcc \over 3} \) e quindi imposta l'uscita nello stato \( \small HIGH \). Questo corrisponde a "settare" il flip-flop ed a scaricare il collettore del BJT sul morsetto \( 7\). Il condensatore \( C_T\) è detto "condensatore di temporizzazione", in quanto esso è il responsabile della durate del "quanto di tempo" (o impulso) dell'uscita. In questà modalità il condensatore, per il tramite della resistenza \( R_T\) si carica fino al raggiungimento del valore di soglia del PIN (\(6 \)) oltre il quale il secondo comparatore attiva la sua uscita e "resetta" il flip-flop nello stato \( \small LOW \) il quale scarica il transistore e riporta il condensatore allo stato originale scaricandosi a massa. (Detto in altri termini attivando il trigger si imposta il flip-flop e si attiva l'uscita, si scarica il BJT a massa, si carica il condensatore ed infine si blocca l'uscita). La costante di temporizzazione (quanto di tempo per cui l'usicta rimane alta) \( \tau\) si ottiene come: $$ \large \tau = C_T\cdot R_T $$ Facendo variare e il condensatore e la resistenza riusciamo ad avere quanti di tempo a piacimento.

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Cambiare stato: La configurazione bistabile

Nella configurazione bistabile, il timer passa dallo stato di \( \small LOW \) a quello di \( \small HIGH \) e viceversa, agendo su un commutatore e quindi cambiando lo stato del timer stesso. Il circuito da implementare è riportato di seguito:

Azionando il commutatore nella posizione SET si attiva il trigger del primo comparatore. in questo modo l'uscita si attiva allo stato \( \small HIGH\) e la soglia (PIN 6) collegata a massa mantiene lo stato costante. Se viceversa spostiamo il commutatore sulla posizione RESET automaticamente viene "resettato il flip-flop" interno portando lo stato dell'uscita a \( \small LOW \).

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Oscillazioni: Configurazione Astabile

Per concludere vediamo come il timer riesce a generare "treni di impulsi" e segnali di sincronizzazione e/o clocks vari, nella cosiddetta configurazione astabile. Questa è la configurazione per cui il timer assume il vero ruolo di "timer". Una volta avviato, iniza ad oscillare alto e basso in due intervalli di tempo ad una frequenza caratteristica riportata a fine lettura. la cosa interessante è la possibilità di variare la frequenza intervenendo sulle componenti e quindi sulle costanti di tempo \( \tau_1\) e \( \tau_2 \). In particolare l'uscita è un'onda quadra. I pin \( 2\) e \(6 \) sono entrambi connessi a valle della serie dei resistori consentendo al circuito di "auto-triggherarsi" su se stesso in un loop infinito \( \infty \). Durante ogni ciclo il condensatore si carica su entrambe le resistenze, mentre si scarica solo attraverso la \( R_1\)0

Ora facciamo un po di conti: Il condensatore si carica fino al livello di soglia \( {2 Vcc \over 3}\) e \( {Vcc \over 3}\), quindi le costanti di tempo corrispondono a: $$ \begin{cases} \tau_1 \approx 0,693[(R_1+R_2)C] \\ \tau_2 \approx R_2C \end{cases}$$ Il tempo di ciclo completo (periodo di oscillazione) \( T\) si ottiene sommando le due costanti di tempo: $$ T = \tau_1 + \tau_2 = 6,693[(R_1 + 2R_2)C] $$ Infine invertendo il periodo si ottiene le frequenza di oscillazione tipica del 555 astabile $$ \large f = {1,44 \over (R_1 + 2R_2)C} $$

Il Duty Cicle

Il duty cicle, abbfreviato D.C. o (d.c.) è un rapporto numerico (espresso in percentuale) che misura sostanzialmente il rapporto che c’è tra il segnale positivo e il periodo totale \( T \). Un duty cycle del 100% equivale ad un segnale Alto continuo, uno del 0% equivale ad un segnale Basso continuo mentre un duty cycle del 50% significa che il segnale Alto dura quanto quello Basso. La formula del duty cicleper il 555 è: $$ D.C._{555} = {T_{ON} \over T_{OFF} + T_{ON}} = {R_1 + R_2 \over R_1 + 2R_2}% $$