¿Es el NE555 el circuito integrado que necesito y, si no lo es, con qué lo sustituyo?

Question

Me he dado cuenta de que, aunque tengo una solución bien conocida que utiliza un NE555, ese circuito integrado no satisface mis necesidades a la perfección. Otros me han dicho que el NE555 muy raramente es una solución adecuada para uno de los problemas para los que se utiliza.

¿Cuáles son los problemas sistemáticos del NE555?

Más concretamente, me gustaría disponer de una solución mejor (menor número de piezas/complejidad, mejor estabilidad, menor consumo de energía) para las siguientes aplicaciones típicas:

• Temporizador único (Multivibrador monoestable)
• Generador de rampa
• Estimado lector versado: ¡por favor, amplíe esta lista con aplicaciones típicas!

Answer 1

Problemas sistémicos y ventajas del NE555

Vamos a referirnos a una hoja de datos común, la Hoja de datos de TI NE555 .

Consumo de energía

El NE555 es realmente hambriento de poder. En realidad, requiere una tensión de alimentación >= 5V, y utiliza una corriente típica de 10 mA en sin carga , sin conmutación es decir, al menos 50 mW por no hacer nada. Los microcontroladores modernos trabajan a voltajes más bajos, y los típicos todo activado, aunque no se utilice ( hoja de datos de ejemplo ) a una frecuencia de reloj de, digamos, 12 MHz (que debería ser más que suficiente para sintetizar cualquier forma de señal que pudiera crear el NE555) la mitad de eso; pero siendo realistas, harías funcionar tu MCU a una frecuencia más baja, y lo dejarías en reposo la mayor parte del tiempo cuando lo uses para sustituir a un NE555 en la mayoría de las aplicaciones.

Existen circuitos integrados xx555 basados en CMOS, que tienen un consumo de energía significativamente menor, pero comparten las otras desventajas del NE555.

Ahora, en una aplicación en la que realmente se puede trabajar con estos 555 basados en CMOS para procesos de conmutación poco frecuentes, pueden suponer una buena solución de bajo consumo para un problema común.

Tensión de alimentación

1. El NE555 necesita > 4,5 V para funcionar; normalmente, más. Muy pocas aplicaciones modernas siguen necesitando una alimentación de 5 V. A menudo se encontrará en una situación en la que sólo tiene que añadir una tensión de alimentación más alta sólo para utilizar su NE555. Esto complica el conjunto del circuito, pero a menudo se ignora.
2. El NE555 es sensible a las fluctuaciones de la tensión de alimentación. Ni siquiera porque no sea perfecto, sino por la forma en que está diseñado: el voltaje umbral, los voltajes de disparo y restablecimiento, así como las corrientes de salida, son todos funciones de la corriente de alimentación, y no funciones lineales, por lo que cambiar el voltaje de alimentación significa que cambia el comportamiento del circuito.
   Eso significa que siempre querrá utilizar su 555 con un suministro bien regulado. Eso, de nuevo, añade complejidad "oculta" a tus circuitos.

Ahora bien, los circuitos de regulación de la alimentación para aplicaciones de baja potencia (es decir, cuando no se utiliza el NE555 sino una variante CMOS) son sencillos, y honestamente querrías uno de estos, de todos modos, así que esto podría no ser tan sombrío como suena al principio.

Dependencia de los valores de los componentes pasivos

En la mayoría de las aplicaciones, la temporización de lo que produce el 555 está controlada por uno o varios condensadores.

Los condensadores son componentes interesantes:

1. Su tamaño aumenta cuanto mayor es su valor,
2. tristemente, lo mismo ocurre con las tolerancias, y
3. muchos tipos de condensadores edad es decir, cambian sus valores con el tiempo (especialmente, los condensadores electrolíticos que se utilizan cuando se necesita una gran capacidad).
4. ... y sobre temperatura
5. ... y sobre la frecuencia (aunque es una preocupación menor para las aplicaciones 555, que son intrínsecamente lentas).
6. ... y sobretensión.
7. Rara vez se encuentran condensadores que especifiquen tolerancias inferiores al 5%.

Por supuesto, las resistencias tampoco son perfectas, pero se pueden conseguir con tolerancias mucho más ajustadas y, en general, tienden a cambiar mucho menos con el tiempo. Dependen de la temperatura, pero eso es insignificante en este caso.

Eso significa intrínsecamente que cada circuito que construyas con un 555 que necesite cumplir un comportamiento temporal específico con bastante precisión tiene que ser afinado a mano, y a menudo, reafinado después de un tiempo.

Por otra parte, especialmente en educativo configuraciones, ésta es una herramienta muy valiosa para enseñar a la gente cosas que se pueden hacer con corrientes analógicas, cargar condensadores, etc. Así que, con fines didácticos, el 555 podría ser un bien elección.

Precisión limitada del propio chip

La hoja de datos no garantiza mucho; un error de temporización inicial máximo del 3%, incluso si todos tus componentes pasivos son perfectos.

Velocidad

Aparte de la limitación de precisión en el extremo inferior de la velocidad (debido al tamaño limitado de los condensadores de precisión), el NE555 es un componente bastante lento, en términos modernos. Por ejemplo, los tiempos de propagación de los flancos ascendentes de entrada son del orden de magnitud de 1 µs - eso prácticamente significa que todo lo que esté por encima de 100 kHz es inherentemente problemático, y por debajo, todavía se obtienen muchas de las regiones con peores pérdidas de la salida.

Así que, en general, para cualquier cosa que sea "HF", no use el NE555, para cualquier cosa que sea lenta, no use el NE555. Eso plantea la cuestión de cuál sería realmente el "punto óptimo" para ese componente...

Por otra parte, el audio entra en esa región.

Fallos

El comportamiento exacto en el encendido no está tan bien definido; los picos de tensión durante la rampa de subida de tensión podrían muy bien provocar cambios en la salida, haciendo que toda la familia 555 sea un poco indeseable para aplicaciones de retardo de encendido.

Answer 2

Sustituciones específicas de la aplicación - Funcionamiento monoestable (por ejemplo, temporizadores de un solo disparo)

Esquema típico del NE555

Problemas

• Baja precisión
  • Especialmente para retardos largos que exigen grandes capacitancias, muy baja precisión
• Gran derroche de energía en modo de espera
• Alta complejidad para un problema de baja complejidad

Enfoques no-555

1. Microcontrolador
2. Disparador FET de baja complejidad
3. RC Solución amortiguada basada en la constante temporal
4. Circuitos integrados de temporizador dedicados
5. Contadores alimentados por oscilador

Microcontrolador

Si ya tienes un microcontrolador en tu aplicación, intenta absorber la función del 555 en él. Incluso tiene sentido no dejar dormir al microcontrolador, ya que las corrientes de alimentación de los microcontroladores suelen ser inferiores a las de un NE555. Sin embargo, en muchos casos, un simple "wake on interrupt" sería totalmente suficiente, y permitiría aplicaciones de muy bajo consumo.

Si aún no tienes un microcontrolador en tu aplicación, puede que merezca la pena intentarlo: Los microcontroladores pequeños como el Attiny sólo necesitan como mucho un componente pasivo externo (un casquillo de desacoplamiento), e integran osciladores internos que, aunque están lejos de ser perfectos, siguen siendo mejores que un circuito NE555.

Así que, circuito NE555 mínimo: 1× NE555 + 4× pasivos, sin contar la estabilización de la tensión de alimentación. Circuito de microcontrolador mínimo: 1× MCU + 1× tapón de desacoplamiento. A menudo es incluso más barato, si se tienen en cuenta los costes de montaje y el espacio de la placa.

Casi todos los microcontroladores tienen un oscilador incorporado que pueden utilizar; a menudo tienen baja precisión (1 a 5% de tolerancia no es raro, por lo que son sólo ligeramente mejores que las soluciones 555), pero la mayoría de las veces se puede utilizar alternativamente un cristal de cuarzo externo que le da una precisión que está en las partes por millón. Esto, por supuesto, aumenta el número de piezas en 3 (cristal, y por lo general dos tapas), por lo que en el peor de los casos, tu solución de microcontrolador es tan compleja como tu solución 555, sólo que capaz de resolver muchos más problemas ...

Disparador FET de baja complejidad

Básicamente: carga o descarga un condensador a través de una resistencia; conecta la puerta de un (MOS)FET al potenciómetro del condensador. Cuando la tensión a través del condensador cruce un umbral, cambiará drásticamente el comportamiento del transistor.

Esto adolece de

• dependencia de la tensión de alimentación,
• dependencia de la señal de disparo y, lo que es peor, de
• variaciones y precisión de las piezas de condensadores y transistores.

Básicamente, descargar/cargar condensadores conectados a un transistor era la forma típica de implementar temporizadores antes de que existiera el NE555 (¡¡y eso que era 1971!!). Es por lo tanto típicamente incluso menos exacto que usando un 555, pero es también incluso más fácil conseguir las piezas, y si usted está considerando seriamente usar cualquier 555 hoy, usted no cuida potencialmente sobre la precisión, de todos modos.

El NE555 es una pieza BJT, que es la razón principal de su uso inadecuado de la energía; usted puede hacer mejor que él usando un MOSFET, pero entonces usted puede ser que también esté utilizando un xx555 basado en tecnología CMOS.

Por lo tanto, se trata de una solución de nicho para casos de uso con pocos requisitos, en los que se está más limitado por las piezas que hay en el cajón de piezas que por cualquier otra restricción de la aplicación.

RC Solución amortiguada basada en la constante temporal

Para remediar al menos la dependencia de la alimentación y de los semiconductores discretos, el uso de una puerta lógica (típicamente, un "NOT" o un "AND" más o menos) o un buffer con tensiones de entrada y salida bien definidas es un enfoque apropiado. El comportamiento de disparo Schmitt también puede ser deseable si la entrada es ruidosa o de subida lenta.

Para eliminar aún más la influencia sobre las propiedades de la entrada, un búfer (o compuerta) aplicado a la entrada va bien, sobre todo porque éstos se venden a menudo en CI de varios componentes (por ejemplo, cuatro búferes en un CI):

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

Ten en cuenta que, en lo anterior, podrías sustituir los buffers por inversores sin cambiar el funcionamiento.

Debido a la alta impedancia de entrada de los circuitos integrados lógicos moderadamente modernos, puedes elegir valores altos para la resistencia y, por lo tanto, valores bajos para el condensador, lo que hace que el consumo de energía sea muy bajo.

La desventaja sigue siendo

• El comportamiento depende del valor específico de los componentes pasivos, especialmente de los condensadores, y
• suele ser difícil erradicar por completo la influencia de la tensión de alimentación.

Pero: debido a la alta impedancia de entrada antes mencionada, a menudo es más fácil construir temporizadores de larga duración que con un 555 de esta manera.

Circuitos integrados de temporizador dedicados

Si realmente sólo necesitas un "pagaré el precio, sólo dame una solución prácticamente de corriente cero", especialmente para aplicaciones de alta fiabilidad en las que quieres un watchdog hardware fuera de la MCU:

TI fabrica el TPL5100 probablemente no sea el único CI de este tipo.

Contadores alimentados por oscilador

Un poco de juguete, pero si usted tiene un oscilador que podría utilizar, o si desea que el oscilador de cuarzo precisión sin necesidad de utilizar un microcontrolador:

• Utilizar un CI inversor y un cuarzo como fuente de frecuencia de alta precisión.
• Utiliza un CI contador para contar el número de oscilaciones que necesitas en tu aplicación
• utilizar puertas lógicas para cambiar su salida exactamente cuando se haya producido el número correcto de oscilaciones
• ... y reiniciar el contador en ese punto.

Esto es especialmente fácil si tus intervalos de tiempo son una potencia de 2 de los periodos de tu oscilador; puedes conectar en cascada contadores binarios.

Answer 3

Sustituciones específicas de la aplicación - Generador de rampa

por ejemplo, para efectos de audio en diente de sierra

Esquema típico del NE555

TBA.

Ventajas

• Exactamente lo que el 555 fue optimizado para hacer
• Solución poco compleja a un problema que parece relativamente complejo
• alto valor educativo

Problemas

• Fuerte dependencia de la precisión pasiva y 555

Enfoques

Enfoques típicos:

1. Optoamplificador integrador
2. Generación de señales digitales

Optoamplificador integrador

Los integradores de amplificador óptico son fáciles de construir: basta con cargar un condensador en la cadena de realimentación. Se obtiene la integral negativa de la señal de entrada, con una pendiente definida por el condensador y la resistencia de entrada.

Si es necesario, haz que la entrada sea fiable utilizando primero un búfer (u otro amplificador óptico en una configuración de comparador (amortiguado)) en ella.

Generador de rampa

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab _{integrador general opamp utilizado como generador de rampa}

Esto simplemente le dará una pendiente ascendente constante, hasta que la salida alcance el máximo del amplificador óptico (normalmente fijado por el voltaje de alimentación de su amplificador óptico). La pendiente es simplemente

$$ -\frac{V_\text{in}}{R_2\cdot C_1} \text,$$

así que para una onda triangular, simplemente alimentarías una onda cuadrada, cuyo punto central es la tierra utilizada para la entrada no inversora:

Generador de ondas triangulares

simular este circuito _{Op-amp integrador utilizado con una masa virtual a la mitad de VCC, alimentado con una onda cuadrada de ciclo de trabajo del 50% para generar una onda triangular.}

Observa que la pendiente descendente se produce mientras tu entrada es alta, ¡y viceversa!

Generador de onda diente de sierra controlable

Si necesitas que la rampa sea periódica (es decir, una onda en diente de sierra), el condensador puede cortocircuitarse a masa.

simular este circuito

_{op-amp integrador utilizado con una masa virtual a la mitad de VCC, pero con un diodo de "descarga rápida".}

Si has entendido la generación de onda triangular anterior, esto es bastante sencillo: mientras la entrada sea cero, ambos diodos están en polarización inversa y no dejan pasar ninguna corriente significativa. Funciona como la generación triangular anterior; el condensador se carga gradualmente.

Tan pronto como se tira de la entrada alta, ambos están en polarización hacia adelante, y el condensador se descarga rápidamente a través de D1, y, finalmente, la salida se tira hasta el voltaje de entrada (menos dos veces la caída hacia adelante del diodo, por lo que los diodos Schottky son preferibles para esta aplicación - asegúrese de usar algunos con baja corriente de fuga y el tamaño suficiente para no quemarse al descargar C1).

Después de tirar de alta durante un corto período de tiempo, usted comienza su siguiente ciclo de rampa.

Esto le da una cayendo diente de sierra que salta de bajo a alto y rampa de alto a bajo. Si desea lo contrario, conecte un amplificador opamp inversor después.

Generación de señales digitales

En resumen: el microcontrolador genera una función de rampa de tensión escalonada y el filtro de reconstrucción la suaviza.

Dicha rampa de tensión puede ser producida por una unidad PWM o por un DAC dedicado. También puede utilizar un integrador op-amp (véase más arriba) para convertir una tensión de salida constante en una rampa.

Para el suavizado, dependiendo de la frecuencia por segundo con que cambie su salida, un simple RC paso bajo podría ser suficiente. Si quieres ser muy listo: poniendo un diodo Schottky en paralelo a la resistencia, puedes hacer que la carga del condensador sea lenta y la descarga rápida (o viceversa).

Esto te da (dentro del ancho de banda de tu DAC) libertad absoluta sobre la forma de la señal. A menudo, esto te da la libertad de resolver otros problemas en la cadena de señal: Digamos que necesitas tu onda triangular para excitar maquinaria pesada. Pero tu etapa de excitación es muy poco lineal, por lo que la onda triangular que le introduces resulta mucho más suave. Es fácil compensarlo distorsionando previamente las muestras digitales de la onda triangular.

Answer 4

El temporizador bipolar 555 está prácticamente obsoleto. Sin embargo, su equivalente CMOS se sigue utilizando ampliamente en circuitos y productos modernos.

Por ejemplo, uno de mis circuitos favoritos utiliza un único temporizador TLC555, dos resistencias y dos condensadores para generar una aproximación de una onda sinusoidal de frecuencia fija. Frecuencia de salida relativamente estable, incluso con tensión de alimentación variable. La impedancia de salida es bastante alta, pero se corrige fácilmente añadiendo un único transistor bipolar y una única resistencia.

Ambos enfoques suelen necesitar un condensador de acoplamiento de CA para eliminar el desplazamiento de CC en la señal de salida.

Sí, se puede utilizar un microcontrolador muy barato para algo similar, pero en realidad se necesitan más componentes cuando se añade el filtro de salida que elimina los artefactos de reloj.

Hay literalmente miles de aplicaciones donde el temporizador CMOS 555 simplemente brilla. Espero que siga estando disponible durante muchas décadas.

Answer 5

@MarcusMüller y @hacktastical han escrito sobre buenas alternativas que son más precisas, eficientes y potentes que los 555.

Por otro lado, considere que si sólo está utilizando funciones muy básicas de un 555, (como la generación básica de reloj de baja precisión, triggering, ...) un simple comparador hará estas cosas muy bien y se puede utilizar el mismo circuito / huella con diferentes comparadores en función de si se necesita baja potencia o muy rápido de conmutación.

Esencialmente toma un oscilador de relajación basado en un comparador y juega con los valores a su alrededor. Por ejemplo, puedes usarlo como un ADC delta-sigma de 1er orden barato creando un flujo digital PDM de ~100 kHz:

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab