Temporizzatore a intermittenza con NE555: personalizza i tempi ON/OFF

Puรฒ capitare di dover accendere e spegnere con una cadenza ben definita degli utilizzatori elettrici per ottenere, ad esempio, la pulsazione di una lampadina in un lampeggiatore per cancelli e portoni motorizzati, un motorino elettrico di unโ€™elettropompa per fare dei getti dโ€™acqua o un avvisatore acustico affinchรฉ suoni ad intermittenza.

In questi casi e in molti altri รจ utile ricorrere ad un temporizzatore ciclico o intermittente, che dir si voglia, in grado di commutare lo stato della propria uscita cui verrร  collegato lโ€™utilizzatore.

Il circuito che proponiamo in queste pagine nasce proprio per fare questo e per farlo in maniera semplice ed economica, giacchรฉ รจ un timer ciclico basato sul popolare timer integrato NE555 (o equivalente) impiegato nella configurazione da multivibratore astabile.

In realtร  con il progetto vogliamo proporvi un modo un poโ€™ diverso per generare un segnale rettangolare, che poi รจ la chiave per implementare lโ€™intermittenza del funzionamento del carico, cioรจ utilizziamo il versatile 555 in una configurazione un poโ€™ inconsueta; infatti sfruttando il funzionamento di tale integrato nella configurazione astabile, possiamo impostare distintamente le durate dei livelli logici allโ€™uscita (piedino 3) grazie a due reti di temporizzazione dedicate.

Spiegheremo tutto analizzando lo schema elettrico del timer.

 

 

 

Andiamo subito a descrivere il semplice circuito, nel quale abbiamo sostanzialmente il temporizzatore basato sul 555 (IC1) operante come multivibratore astabile, la cui uscita comanda la bobina di un relรฉ a singolo scambio che ci permetterร  di commutare lโ€™alimentazione dellโ€™utilizzatore mantenendo separati galvanicamente il timer e la linea di alimentazione del carico stesso.

Per farvi comprendere il funzionamento del nostro timer riteniamo opportuno riepilogare come funziona il 555: questo integrato contiene due comparatori aventi in comune un partitore di tensione a scala di resistenze che fornisce il riferimento di tensione ai due operazionali interni, ciascuno connesso come comparatore; allโ€™operazionale superiore polarizza lโ€™ingresso invertente, mentre a quello inferiore fornisce il riferimento al non-invertente.

Notate che i termini superiore e inferiore si riferiscono al potenziale di riferimento che ricevono dal partitore, quindi quello superiore riceve il potenziale piรน elevato. Dei suddetti comparatori, vengono resi accessibili dallโ€™esterno gli ingressi non-invertente di quello superiore, corrispondente al piedino 6 (THRE, ossia Threshold) e lโ€™invertente di quello superiore, corrispondente al piedino 2 (TRIG, ossia Trigger).

Il nodo tra la prima e la seconda (considerate dallโ€™alimentazione positiva) resistenza del partitore di riferimento dei due comparatori (alimentato, come il resto degli stadi interni al 555, dal piedino 8) viene portato allโ€™esterno tramite il piedino 5 (CONT, Control Voltage) il che permette, quando occorre, di alterare le tensioni di riferimento dei comparatori, cosรฌ da controllare con una tensione esterna la frequenza di lavoro nella configurazione astabile (operando lo shift di frequenza come si fa negli oscillatori controllati in tensione) oppure la durata degli impulsi in quella da timer (monostabile).

Piรน esattamente, nella configurazione astabile, abbassando la tensione sul piedino 5 si accorcia il periodo della commutazione dellโ€™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.

Nella configurazione monostabile, invece, la tensione altera la durata degli impulsi, il che permette, pilotando il trigger con impulsi a frequenza costante, di ottenere un modulatore PWM.

Le uscite dei comparatori entrano una nel RESET (quella del comparatore superiore) e nel SET (comparatore inferiore) di un flip-flop di tipo RS, che รจ un circuito logico la cui uscita diretta (Q) va a livello alto (corrispondente a circa il potenziale del piedino 8) quando il SET รจ a livello alto, ovvero assume lo zero logico se SET รจ posto a circa zero volt; lโ€™uscita presenta un comportamento esattamente opposto quando ad essere stimolato รจ lโ€™ingresso RESET, il quale, posto a livello logico alto, resetta il flip-flop, intendendo con ciรฒ che ne azzera lo stato di Q.

Il flip-flop ha anche unโ€™uscita complementata (/Q), la cui condizione logica รจ sempre lโ€™inverso di quella Q; nel 555 รจ collegata, tramite una resistenza, alla base di un transistor NPN configurato ad open collector il cui emettitore รจ connesso a massa e il collettore al piedino DIS (7, ossia Discharge).

Il transistor puรฒ commutare una corrente dellโ€™ordine dei 200 mA, in modo sink (ad assorbimento di corrente da parte del suo collettore). Lโ€™uscita diretta, Q, รจ invece collegata al piedino OUT (3) dellโ€™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 รจ connesso il reset a logica invertita del flip-flop: questo piedino permette di resettare forzatamente il circuito dallโ€™esterno applicando un livello logico basso.

Ciรฒ detto, andiamo a vedere come il nostro timer 555 รจ sato utilizzato nel circuito: la configurazione scelta รจ quella astabile, ma รจ un poโ€™ particolare e decisamente diversa dal circuito standard proposto dai datasheet, che prevede un resistore tra i piedini 4, 8 e 7, uno tra 7 e 2,6 e un condensatore tra questi ultimi e massa;

nel nostro caso non cโ€™รจ alcuna resistenza collegata tra i pin 4,8 e il 7 ed i pin 2,6 sono sia collegati al 7 tramite la somma RV1 + R2 (che chiameremo Rb ai fini del calcolo) sia connessi tramite un diodo al silicio e la serie del resistore R1 e del trimmer RV2 allโ€™uscita del 555, oltre che portati a massa da un condensatore elettrolitico, che nello schema รจ siglato C3.

Come vedremo, sebbene sia atipica, questa configurazione ha una sua utilitร , perchรฉ consente di ottenere tempi differenti di on e di off del timer 555, ma senza che uno interferisca con lโ€™altro e soprattutto, senza affliggere il rapporto tra i due.

Vediamo dunque come funziona questo circuito, riferendoci alla Fig. 1 e supponendo che allโ€™accensione il condensatore C3 sia scarico e quindi tra i loro capi vi sia una differenza di potenziale di 0 volt: trascurando le vicende di C3, che si carica quasi subito e quindi non altera 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 lโ€™uscita del comparatore inferiore a livello alto; ciรฒ determina il livello logico alto sullโ€™ingresso SET del flip-flop e lo stesso sullโ€™uscita Q (la /Q si porta a zero logico lasciando interdetto il transistor collegato al DISCHARGE e quindi il condensatore libero di caricarsi).

 

Fig. 1 Schema a blocchi dellโ€™integrato timer 555.

 

Siccome D2, R1, RV2 collegano i predetti piedini allโ€™elettrolitico C3, questo inizia a caricarsi attraverso la corrente che fluisce in essi, mentre il pin 7 non assorba alcunchรฉ, fin quando la tensione sullo stesso C3 supera la tensione di soglia del comparatore inferiore, che รจ pari a 1/3 di quella applicata al piedino 8; ora lโ€™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 C1 e C2, 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 ciรฒ accade, lโ€™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 R2 inizia la scarica del C3, attraverso la serie RV1, R2, resa possibile dal fatto che ora lโ€™uscita del 555 รจ a livello basso e che il diodo D1 blocca la corrente, giacchรฉ ha il catodo positivo rispetto allโ€™anodo (o al massimo lo avrร  equipotenziale quando C3 fosse completamente scarico, condizione, questa, che non si verificherร ).

La situazione rimane questa fin quando la tensione sul C3 non scende al sotto della soglia di commutazione del comparatore inferiore, allorchรฉ lโ€™uscita di questโ€™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 perchรฉ il piedino 7 torna aperto.

La carica avviene nuovamente fino a 2/3 della tensione applicata tra i piedini 1 e 8 del 555, quindi il ciclo ricomincia, andando avanti a ripetersi finchรฉ non si toglie alimentazione al circuito.

Per effetto di ciรฒ abbiamo lโ€™uscita OUT dellโ€™integrato che si mantiene a livello alto nel periodo che serve a portare la tensione ai capi del condensatore C3, inizialmente da zero volt a 2/3 della tensione di alimentazione (siccome il 555 รจ alimentato a 12V, il passaggio รจ fra 4 e 8 volt, corrispondenti rispettivamente a 1/3 e 2/3 della tensione fra i pins 8 e 1) e da 1/3 a 2/3 quando il circuito รจ a regime (ossia dopo che รจ stato completato il primo ciclo) ovvero 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.

Il tempo di persistenza a livello alto dellโ€™uscita (pin 3) considerato trascurando la resistenza dinamica del diodo D2 (trascurabile e non lineareโ€ฆ) dipende dai valori della resistenza R1 e da quella assunta dal trimmer RV2, pertanto, essendo questโ€™ultimo un trimmer, รจ possibile variare lโ€™intervallo fra 0,5 e 5s;

invece il tempo per cui in un ciclo lโ€™OUT del 555 si mantiene a livello basso dipende da R2 ed RV1 e siccome questโ€™ultimo รจ un trimmer, รจ possibile variarlo fra 2,5 e 60s.

Per i valori dei componenti impiegati, quindi, รจ previsto un duty-cycle massimo del 66% e minimo dello 0,8% circa;

notate anche come con questo tipo di circuito la regolazione di un intervallo non alteri lโ€™altro, come invece avverrebbe se si optasse per lo schema canonico con la carica del C3 attraverso lโ€™alimentazione ed il piedino 7 (Discharge) del 555.

Qui abbiamo due circuiti indipendenti, seppure concatenati nel funzionamento dellโ€™astabile.

La variazione dei tempi, operata con i trimmer RV1 ed RV2 ha influenza solo sulla durata complessiva del ciclo di funzionamento del nostro intermittente.

A titolo informativo, la durata dellโ€™impulso dโ€™uscita a livello (th) alto si determina come:

th = 0,693 (R1+RV2) C3

sempre trascurando la presenza del diodo D2. Invece la pausa dura un tempo pari a:

tl = 0,693 (R2 + RV1) x C3

e coincide con la scarica del condensatore. La durata del periodo T รจ pari a th + tl e il duty-cycle vale:

dc = th/T

Bene, ciรฒ detto analizziamo il resto del circuito e spieghiamo come avviene il comando del relรฉ che commuterร  il carico: come vedete dallo schema elettrico, la bobina del RL1 viene pilotata direttamente dallโ€™OUT del 555, ossia dal piedino 3, perchรฉ la corrente che questโ€™ultimo puรฒ erogare รจ piรน che sufficiente, essendo, lโ€™assorbimento della bobina stessa, intorno ai 30 milliampere; lโ€™unica accortezza da noi adottata รจ la solita da usare quando si pilotano relรจ con dei componenti allo stato solido, ossia la connessione in antiparallelo alla bobina di un diodo (D1) che protegge lโ€™uscita dellโ€™integrato quando questa sospende lโ€™alimentazione.

La ragione รจ la solita: quando si sconnette repentinamente lโ€™alimentazione ad un carico induttivo (e la bobina di eccitazione del relรฉ lo รจโ€ฆ) questo reagisce tentando di mantenere la condizione dellโ€™istante precedente, generando unโ€™extratensione di valore opposto che se non venisse estinta, danneggerebbe i transistor utilizzati per pilotarlo.

Lโ€™inserimento del diodo in parallelo alla bobina, con lโ€™anodo verso massa, fa in modo che lโ€™extratensione, di verso positivo proprio verso massa, venga cortocircuitata e quindi non raggiunga lo stadio di uscita del timer 555.

Considerato che la bobina del relรฉ del nostro circuito viene alimentata quando lโ€™uscita dellโ€™integrato U1 assume il livello alto, la durata della chiusura dello scambio di RL1 รจ quella regolabile con il trimmer RV2; lโ€™alimentazione dellโ€™utilizzatore, se controllato mediante i contatti C ed NO dello scambio, va di conseguenza.

Come vedete dallo schema elettrico, abbiamo inserito il LED LD1(con relativa resistenza di limitazione della corrente, che nel caso specifico รจ R3…) di colore rosso, in parallelo alla bobina del relรฉ per evidenziarne visivamente lโ€™attivazione.

Concludiamo lโ€™analisi del circuito del temporizzatore intermittente con lโ€™alimentazione, che si applica ai morsetti + e โ€“ PWR e raggiunge il 555 attraverso il diodo D3, il quale ha la funzione di proteggere il tutto in caso di inversione accidentale della polaritร  (in tal caso, semplicemente non conduce, mentre lascia passare la corrente se la polaritร  รจ applicata come indicato nello schema elettrico); lโ€™elettrolitico C5 รจ il condensatore che permette di filtrare lโ€™alimentazione dal ripple residuo dellโ€™alimentatore e da eventuali disturbi captati dai fili di collegamento del circuito.

Ricordiamo che ai morsetti + e โ€“ PWR va applicata una tensione continua di 12รท13Vcc, prelevata da una fonte in grado di erogare almeno 100 mA.

Il montaggio del Timer con 555

Bene, esaurita la teoria, passiamo adesso alla parte pratica del progetto.

Iniziate il montaggio dei componenti, che sono tutti a foro passante (THT=Through Hole Technology) e quindi di facile gestione da parte anche di chi ha poca esperienza e attrezzatura essenziale: bastano un saldatore a stagno e del filo di lega saldante, oltre a un tronchesino per elettronica per tagliare lโ€™eccedenza dei reofori.

Iniziate il montaggio con le resistenze, i diodi al silicio e i condensatori, prestando attenzione alla polaritร  dei due elettrolitici, quindi procedete con lo zoccolo dip 4+4 contatti per il 555 (in tal caso inserirete lโ€™integrato una volta saldati tutti gli altri componenti).

Passate quindi ai trimmer, al LED (ricordate che il catodo di questโ€™ultimo รจ lโ€™elettrodo dal lato smussato del contenitore) e alle morsettiere a passo 5 mm, per alimentazione (PWR) e utilizzatore; completate il circuito inserendo e saldando il relรฉ, che entrerร  solamente nel verso giusto.

Per lโ€™orientamento dei componenti polarizzati fate riferimento al disegno di montaggio visibile in queste pagine.

Concludiamo con una nota riguardante lโ€™uso del circuito: siccome del relรฉ rendiamo disponibile lโ€™intero scambio (C-NC-NO) potete decidere se collegare lโ€™utilizzatore in modo che sia alimentato con RL1 a riposo (LED spento) oppure quando lo stesso รจ attivato (LED acceso) ricordando che nel primo caso dovrete invertire lโ€™effetto dei trimmer, ovvero scambiare le durate di attivazione e spegnimento del carico.

Per i collegamenti del caso, fate riferimento alla Fig. 2, che riporta le connessioni del relรฉ utilizzando lo scambio normalmente chiuso ed esemplifica il ruolo dei due trimmer, lโ€™effetto della loro regolazione, la condizione del relรฉ in corrispondenza dello stato attivo allโ€™uscita e la pausa.

 

Fig. 2 Cablaggio del circuito e funzionamento dei due trimmer.

 

Ricordate che per il tipo di relรฉ utilizzato, la tensione del circuito in cui inserirete lo scambio e quindi quello dellโ€™utilizzatore da commutare, non deve superare i 24รท30 volt, siano essi in corrente continua o in alternata; questo, per il comando di motori, lampadine come quelle delle luminarie natalizie, ventole ecc. non รจ un limite, perรฒ se desiderate commutare utilizzatori funzionanti a tensioni piรน elevate, tipo quella di rete, non cโ€™รจ problema: vi basta utilizzare lo scambio del RL1 per alimentare la bobina di un servo-relรฉ di maggiore portata, con scambio a 230Vca.

La connessione del caso รจ semplicissima: e utilizzate un servo relรฉ con bobina a 12V, connettetene un estremo al contatto C (COM) della morsettiera del circuito e lโ€™altro alla massa (- PWR) quindi collegate il contatto NO dello scambio del RL1 al positivo di alimentazione (+PWR); in questo modo, quando il RL1 scatterร , alimenterร  con i 12V il servo-relรฉ, ripetendo lโ€™attivitร  del circuito sullโ€™utilizzatore desiderato.

Naturalmente รจ possibile invertire lo scambio NO con lโ€™NC sul RL1, ottenendo cosรฌ lโ€™attivazione del servo relรฉ quando RL1 del nostro temporizzatore si trova a riposo e viceversa.

Se dovete comandare utilizzatori funzionanti con la tensione di rete a 230Vca, ricordate di prestare la massima attenzione e di impiegare cavi di collegamento della sezione minima di 1 mmq, giacchรฉ il loro isolante รจ idoneo a sopportare le tensioni in gioco.

 

Falstad

Da questo link puoi scaricare il circuito per la simulazione in Falstad

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