In particolare i quattro condensatori, invece di uno solo, ci permettono di scomporre l’intero campo di frequenza generabile dal 555 in modo da poter meglio regolare il valore attraverso un comune trimmer.

A cosa servono trimmer e condensatori si capisce studiando come funziona il 555: questo integrato contiene due comparatori aventi in comune un partitore di tensione a scala di resistenze che polarizza l’ingresso invertente dell’operazionale superiore (quello che si trova più vicino all’alimentazione positiva) e il non-invertente di quello inferiore (più vicino alla massa); dei comparatori vengono resi accessibili dall’esterno gli ingressi non-invertente di quello superiore (i termini superiore e inferiore si riferiscono al potenziale di riferimento che ricevono dal partitore multiplo, quindi quello superiore riceve la tensione più elevata), corrispondente al piedino 6 (THR, ossia Threshold) e l’invertente di quello superiore, corrispondente al piedino 2 (TRG, ossia Trigger).

Il nodo tra la prima e la seconda (considerate dall’alimentazione positiva) resistenza del partitore multiplo di riferimento dei due comparatori (alimentato, come il resto degli stadi interni al 555, dal piedino 8) viene portato all’esterno tramite il piedino 5 (CTRL, Control Voltage) e ciò permette di alterare le tensioni di riferimento dei comparatori, così da controllare con una tensione esterna la frequenza di lavoro nella configurazione astabile (operando lo shift di frequenza come si fa nei VCO, ossia gli oscillatori controllati in tensione).

Più esattamente, nella configurazione astabile, abbassando la tensione sul piedino 5 si accorcia il periodo della commutazione dell’uscita e quindi si incrementa la frequenza generata, viceversa lasciando salire la tensione fino al livello caratteristico (a vuoto, ossia senza alcun circuito collegato al piedino 5) o incrementandola si allunga il periodo e si riduce la frequenza prodotta.

Nel nostro caso non utilizziamo la funzione Control Voltage e filtriamo con il condensatore C2 la tensione al pin 5, assicurando una migliore stabilità delle tensioni di riferimento degli operazionali e la tutela da eventuali disturbi che potrebbero introdursi nei comparatori.

Le uscite dei comparatori entrano una nel RESET (quella del comparatore superiore) e l’altra nel SET (comparatore inferiore) di un flip-flop di tipo RS; quest’ultimo è un circuito logico dotato di due uscite (una è il complemento dell’altra) ed altrettanti ingressi. Nel flip-flop di questo tipo, l’uscita diretta (Q) va a livello alto (corrispondente a circa il potenziale del piedino 8) quando il SET è a livello alto, ovvero assume lo zero logico se SET è posto a circa zero volt; l’uscita presenta un comportamento esattamente opposto quando ad essere stimolato è l’ingresso RESET, il quale, posto a livello logico alto, resetta il flip-flop, intendendo con ciò che ne azzera lo stato di Q.

Quanto all’uscita complementata (/Q), la sua condizione logica è sempre l’inverso di quella Q; nel 555 è collegata, tramite una resistenza, alla base di un transistor NPN configurato ad open collector il cui emettitore è connesso a massa e il collettore al piedino DIS (Discharge, 7). Il transistor può commutare una corrente di collettore di 200 mA, utilizzato in modo sink (ad assorbimento di corrente).

L’uscita diretta, Q, è invece collegata al piedino OUT (3) dell’integrato attraverso un buffer interno push-pull, capace di erogare un massimo di 200 mA.

Il negativo di alimentazione, vale a dire la massa di riferimento del 555 corrisponde al piedino 1, mentre al 4 è connesso il reset a logica invertita del flip-flop: questo piedino permette di resettare forzatamente il circuito dall’esterno applicando un livello logico basso.

La massima frequenza di funzionamento del 555 configurato come stabile è compresa fra 200 e 500 kHz in base alla versione dell’integrato utilizzata, all’anno di produzione e al costruttore. Diciamo che i recenti 555 riescono tutti ad arrivare ai 500 kHz.

Ciò detto, vediamo che nel circuito il 555 è configurato come astabile, con il trimmer VR1 posto tra i piedini 4, 8 e 7, il trimmer VR2 connesso tra 7 e 2,6 e un condensatore a scelta fra C1, C3, C4, C6 (selezionabile chiudendo uno dei jumper J1÷J4 per volta) collegato fra i piedini 2-6 e massa

Ciascuno dei trimmer è collegato nella configurzione a reostato semifisso, ovvero si comporta da resistenza variabile che aumenta (fino a raggiungere il valore nominale del componente) man mano che il cursore si avvicina all’estremo unito con esso e diminuisce, fino ad annullarsi, portando il cursore verso l’estremo libero.

Per farvi capire come funziona il circuito analizziamo il funzionamento del circuito partendo dalla condizione di condensatore C scarico: trascurando le vicende di C2, che si carica quasi subito e quindi non disturba la tensione di riferimento applicata dal partitore multiplo ai comparatori interni al 555, la condizione iniziale del circuito vede i piedini 2 e 6 a circa zero volt e quindi l’uscita del comparatore inferiore a livello alto; ciò determina il livello logico alto sull’ingresso SET del flip-flop e lo stesso sull’uscita Q (la /Q si porta a zero logico lasciando interdetto il transistor collegato al DISCHARGE e quindi il condensatore libero di caricarsi).

A questo punto C inizia a caricarsi attraverso la corrente che fluisce nella serie R1, R2, R3 (ed anche nel diodo D1 che per il momento trascuriamo; il pin 7 non assorbe alcunché), finché supera la tensione di soglia del comparatore inferiore, che è pari a 1/3 di quella applicata al piedino 8; ora l’uscita del suddetto comparatore si porta a zero logico e libera il SET del flip-flop, la cui uscita rimane comunque a livello alto fin quando la tensione ai capi su C, continuando a crescere, non si porta a un valore superiore ai 2/3 della tensione di alimentazione del 555, ovvero alla soglia di commutazione del comparatore superiore.

Quando ciò accade, l’uscita del comparatore superiore si porta a livello logico alto e resetta il flip-flop, la cui uscita diretta passa a zero logico mentre la /Q si porta a livello alto, mandando in saturazione il transistor interno collegato al piedino 7, il quale attraverso VR2 scarica C.

La situazione rimane questa fin quando la tensione su C non scende al disotto della soglia di commutazione del comparatore inferiore, allorché l’uscita di quest’ultimo torna a livello logico alto e setta il flip-flop, che riporta Q a 1 logico e /Q a zero. In questa condizione il condensatore riprende a caricarsi perché il piedino 7 torna aperto.

La carica del condensatore avviene nuovamente fino ad un valore pari a 2/3 della tensione applicata tra i piedini 1 e 8 del 555, quindi il ciclo ricomincia.

Per effetto di ciò abbiamo l’uscita OUT dell’integrato che si mantiene a livello alto nel periodo che serve alla serie di condensatori affinché la tensione ai loro capi passi da 1/3 a 2/3 della tensione di alimentazione (se il 555 viene alimentato a 12V, il passaggio è fra 4 e 8 volt, corrispondenti rispettivamente a 1/3 e 2/3 della tensione fra i pin 8 e 1) e a livello basso (zero volt circa) nel tempo che trascorre da quando i condensatori, in fase di scarica, vedono calare la tensione ai loro capi da 2/3 della tensione di alimentazione ad 1/3.

I tempi di carica e scarica del condensatore di volta in volta inserito nel circuito di temporizzazione dipendono dai valori assunti da VR1 e VR2 e sono tanto più simili quanto più la somma dei valori assunti dai due trimmer è vicina al valore del solo VR2. Variando il rapporto fra queste due resistenze, ovvero spostando il cursore del trimmer VR2, è possibile variare entro certi limiti il duty-cycle dell’onda rettangolare fornita dal piedino 3. In tema di duty-cycle, la durata dell’impulso d’uscita a livello alto si determina come:

th = 0,693 (VR1+VR2) C

dove C è il solito condensatore inserito tra i piedini 2,6 e massa.
Invece la pausa dura un tempo pari a:

tl = 0,693 x VR2 x C

e coincide con la scarica del condensatore, che avviene attraverso il solo trimmer VR2.
La durata del periodo T è pari a th + tl e il duty-cycle vale:

dc = th/T

Se il cursore dell’VR2 è spostato tutto verso VR1, essendo il trimmer montato a reostato il suo valore è zero e quindi praticamente il duty-cycle è del 100% (in realtà un minimo di pausa tra due impulsi c’è sempre); se è tutto spostato dalla parte opposta il duty-cycle cresce.

Concludiamo con le gamme di frequenza e rispettive selezioni effettuate con i ponticelli J1, J2, J3, J4: ogni condensatore consente di ottenere una variazione di frequenza entro una porzione della banda complessiva.

Va peraltro ricordato che, in virtù delle formule appena viste, la frequenza generata dal 555 dipende da entrambi i trimmer e quindi dalle posizioni assunte dai rispettivi cursori.

Nella Tabella 1 proponiamo le gamme di frequenza corrispondenti a ciascun condensatore inserito, considerando per la massima i trimmer VR1 e VR2 completamente inseriti e per la massima frequenza generata i due completamente cortocircuitati, fermo restando che il duty-cycle varierà nella rispettiva banda dalla massima alla minima frequenza (sarà chiaramente più basso in corrispondenza della massima frequenza dal circuito e più alto alla minima frequenza generata).
In pratica con i trimmer tutti inseriti le frequenze generate dal 555 sono le seguenti:
• per C1 = 1 kHz;
• per C3 = 10 kHz;
• per C4 = 1 Hz;
• per C5 = 50 Hz.

Si tratta di valori corrispondenti ad avere tutti i trimmer in cortocircuito, ossia le minime.

[caption id="attachment_82084" align="aligncenter" width="1065"] Tabella 1 Gamme di frequenza e relativi condensatori.[/caption]

 

Piano di montaggio

Elenco componenti

R1: 1,5 kohm
VR1, VR2: 10 kohm Trimmer MV
C1, C2: 100 nF (104)
C3: 1 nF (102)
C4, C5: 100 µF 50VL
C6: 1 µF 50VL
LD1: LED rosso 5mm
U1: NE555
J1, J2, J3, J4: connettore maschio 4x2 pin
J5: connettore maschio 3 pin

Varie:
- Zoccolo 4+4
- Circuito stampato S1541 dimensione 40,6 x 36,4 x 1,6 mm

Realizzazione pratica del generatore di onda quadra

Iniziate il montaggio dei componenti (tutti a montaggio tradizionale) con le resistenze e i condensatori, quindi procedete con i trimmer e l’integrato 555, che potete montare su uno zoccolo dip 4+4 contatti (in tal caso inserirete l’integrato una volta saldati tutti gli altri componenti).

Passate al LED (ricordate che il catodo di quest’ultimo è l’elettrodo dal lato smussato del contenitore) e ai pin-strip con cui realizzare i jumper per l’inserzione dei condensatori che determineranno le gamme di frequenza.

Per l’orientamento dei componenti polarizzati fate riferimento al disegno di montaggio visibile nella pagina qui accanto.

Notate che per praticità, i trimmer possono anche essere sostituiti da potenziometri da pannello (sempre collegati a reostato, ossia con un estremo in comune con il cursore) ciascuno in modo da consentirvi di inserire il circuito in un contenitore e manovrare agevolmente i comandi di frequenza e duty-cycle dall’esterno; in quest’ottica, al posto dei jumper potreste utilizzare un commutatore rotativo da pannello a 1 via per 4 posizioni, collegandone il cursore ai piedini 2,6 del 555 e gli estremi uno a ciascun condensatore fra C1, C3, C4 e C6.

A questo punto, anche il LED potrà essere collegato mediante fili portandolo sul pannello frontale del contenitore, sebbene di fatto serva più per il test del circuito una volta messo in funzione, che per l’impiego quotidiano, dato che il suo lampeggio sarebbe visibile solamente fino a pochi Hz di frequenza del segnale, poi il diodo apparirebbe costantemente illuminato.

Per l’alimentazione basta un qualsiasi alimentatore da rete con uscita stabilizzata, ad esempio a 9Vcc; la corrente dell’alimentatore dovrà essere almeno un centinaio di milliampere.

Ricordate, nell’utilizzo, che la tensione dell’onda rettangola fornita all’uscita sarà di poco inferiore a quella di alimentazione del circuito, pertanto se vi sembrerà eccessiva potrete limitarla con un partitore resistivo connesso tra il piedino 3 del 555 e massa, ovvero abbassando la tensione di alimentazione (è consentito scendere fino al limite minimo di 5Vcc).

Altra soluzione per limitare l’ampiezza dell’onda quadra è porre una resistenza in serie al piedino 3 dell’integrato e un diodo Zener (con il catodo a massa) tra il capo libero della resistenza e massa, ovvero un diodo al silicio polarizzato direttamente; nel primo caso otterrete un’ampiezza pari al valore nominale della tensione di Zener, mentre nel secondo 0,7V (oppure 1,4V se ponete due diodi in serie o 2,1V con tre diodi in serie).

Il valore della resistenza si determinerà con la formula:

V = cdt / I

dove cdt è la differenza tra l’ampiezza dell’onda quadra e la tensione che vogliamo all’uscita, mentre I la corrente nel diodo.