Hola, ¿cómo estás? Bienvenida/o a este artículo donde aprenderás muchísimo o simplemente recordarás algunos conceptos que quizá antes ya hayas visto, hoy conoceremos a fondo a un circuito electrónico muy interesante y popular, con vastas aplicaciones en el campo y un funcionamiento muy singular; si, hablamos del CIRCUITO INTEGRADO LM555.

¿Qué es lo que vas a aprender realmente? Pues empezaremos a explorar desde lo más básico sobre este circuito, como la definición exacta del circuito, orígenes, características, entre otros puntos. Hasta tocar lo más específico y técnico, como las características de su hoja de datos o datasheet, diagrama de conexiones y una aplicación como ejemplo.

Al finalizar el artículo, tendrás la capacidad de operar este circuito integrado con una facilidad sorprendente; podrás hacerlo tanto de forma teórica, como de forma práctica. También tendrás la posibilidad de analizar un ejemplo de aplicación para que tu también puedas realizar tu propio proyecto y explores la versatilidad del LM555.

Ahora sí, sin más rodeos, ¡comencemos!

¿Qué es el circuito integrado LM555?

El circuito 555 o también llamado temporizador 555 podemos definirlo de una forma muy sencilla:

El LM55 es un circuito integrado monolítico que tiene como operación esencial la temporización y oscilación. 

Probablemente este sea el circuito más famoso que existe dentro de la electrónica analógica y digital, pues su versatilidad respecto a la variedad de aplicaciones que necesitan un control de tiempo es muy grande; podemos realizar aplicaciones de:

• Temporización.
• Retardos.
• Oscilación a una frecuencia determinada.
• Y generación de pulsos.

Para realizar las aplicaciones que te mencioné anteriormente, este chip tiene esencialmente tres modos de operaciones que se pueden configurar por medio de conexiones externas. Estos modos de operación son los siguientes:

• Multivibrador monoestable.
• Biestable.
• Y astable.

Más adelante te explicaré con más detalle cada uno de estos modos de operación.

Por último, supuestamente este circuito integrado se llama así gracias a que el CI bipolar posee en su interior tres resistencias de 5 kilo-ohms con el objetivo de generar dos voltajes de referencia de los comparadores. Pero veremos en los orígenes de este circuito que no es así.

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¿Cómo funciona el circuito integrado 555?

Para conocer como funciona el circuito integrado 555, debes conocer que este se constituye de 3 partes esenciales:

• Flip-flops
• Comparador
• Y divisor de voltaje.

La misión del comparador es tomar los niveles de voltaje que entran al circuito y compararlos como terminales inversoras (-) y no inversoras (+); si la terminal del no inversor es positiva, el voltaje de entrada es el mismo en cada una de las resistencias en el divisor de voltaje.

• Al final, el flip-flop tiene el objetivo de memorizar el proceso del comparador y el divisor de voltaje para determinar la señal de salida.

No obstante, para entender mejor el funcionamiento del circuito integrado 555 debes conocer que su operación depende de en qué modo ha sido diseñado, y este diseño depende de cuáles componentes externos tiene conectados en sus terminales; estos componentes pueden ser transistores, resistencias, diodos y otros flip-flops. En el anterior apartado te mencioné que existen tres modos de operación:

• Modo de operación astable.
• Modo de operación monoestable.
• Modo de operación biestable.

En esencia, el funcionamiento del 555 se basa en la generación de pulsos en un tiempo preciso que puede ser controlado por una resistencia y un capacitor (modo monoestable) o por dos resistencias y un capacitor (modo astable), todo depende de nuestra configuración, las cuales conoceremos más a detalle cada uno en apartados posteriores.

Orígenes: un poco de historia del LM555

Todo comienza con el nombre de un hombre: Hans Camezind, ingeniero suizo que en 1960 llega a los Estados Unidos. Por esos años la tecnología electrónica estaba en un Boom masivo: las investigaciones y el deseo de encontrar nuevos inventos que revolucionaran la tecnología llenaban los clubes de estudio de muchas universidades, y también ponían en jaque a muchas empresas de manufactura, gracias a que la economía era inestable y había cada día más competencia.

Hans pasó bastante tiempo yendo de empresa a empresa buscando una oportunidad de crecimiento e innovación; no obstante, fue en el año 1970 que logró ser consultor de una empresa llamada “Signetics”. En este tiempo como consultor, Hans trabajaba en una idea sobre un chip temporizador, inspirado por las radios y sus sistemas internos.

Más tarde, logró descubrir que los lazos de seguimiento de fase, o también conocidos como PLL eran la clave para crear un circuito integrado sintonizado. Una vez encontrada la clave, Hans logró convencer a la empresa de trabajar con un chip PLL, logrando también tener el apoyo para trabajar en su proyecto.

Uno de los elementos esenciales del PLL que Hans diseñó, fue un oscilador el cual su frecuencia podía ser controlada con componentes externos; también descubrió que este elemento podía modificarse en un circuito temporizador y, dependiendo de la conexión de los componentes externos, era capaz de funcionar en un solo disparo o de ejecución libre. Convenció nuevamente a los administrativos de Signetics en este nuevo e innovador temporizador y se puso manos a la obra.

• Después de muchos problemas de diseño y de tiempo, por fin en el año 1971 Signetics lanza un chip temporizador llamado "555", nombre puesto por el jefe de mercadotecnia de la empresa, Art Fury; según él, tuvo este nombre simplemente porque sonaba bien.

Ya en el mercado en el año 1972 por tan solo $0.75 dólares, fue alabado por ingenieros y aficionados por su simplicidad y versatilidad en todo tipo de áreas. Irónicamente, Hans no sabía del poder de su propio chip.

Hoy en día, después de casi medio siglo, el circuito integrado 555 se sigue produciendo como siempre, pues es uno de los chips más conocidos en el mundo, con aplicaciones casi infinitas: desde juguetes y electrodomésticos, hasta satélites. Posteriormente se han realizado más versiones, como el 556 (que posee dos temporizadores) y el 558 (posee cuatro temporizadores). También fueron desarrolladas las versiones CMOS.

¿Verdad que fue una historia muy interesante? A través de la historia anterior se ha mencionado mucho sobre la arquitectura externa e interna de este circuito, y queda perfecto, porque es lo que vamos a ver a continuación.

Diagrama de conexiones del 555 por encapsulado

En este apartado vas a conocer los pines de conexión que posee el circuito integrado 555 dependiendo del encapsulado del que estemos hablando y también vamos a ver con más detalle su arquitectura interna, así como sus características eléctricas.

En este sentido, nos vamos a centrar en describir a la perfección el diagrama de conexión del circuito clásico de 8 pines, el cual es de material plástico DIP; esto es porque es el más utilizado y todas las variantes de su empaquetado derivan de esta versión clásica.

Hoy en día las versiones más utilizadas son los circuitos CMOS y bipolares de bajo consumo, donde el fabricante más famoso es Texas Instruments con su LM555.

• El 555 clásico consta de 8 pines, y su diagrama es el siguiente:

• GND o tierra (pin 1): este pin representa el polo negativo del circuito, y va conectado directamente a tierra o GND del sistema donde se encuentre.
• Trig o disparo (pin 2): este pin tiene como objetivo dar un voltaje de disparo externo. Para que este proceso de disparo ocurra, la terminal debe tener menos de ⅓ del voltaje de entrada.
• Out o salida (pin 3): por medio de esta terminal vamos a recibir los pulsos generador por el circuito, dependiendo del modo de operación en el que se encuentre. Si este pin se encuentra en un estado alto, tendrá el valor del voltaje de entrada menos 1.7 v, y puede llegar a 0 gracias al pin de reinicio (reset).
• Reset o reinicio (pin 4): tiene como función principal el restablecer el intervalo de tiempo. Si su voltaje es igual o menos a 0.7v, la salida se pondrá en un nivel bajo. Es importante conectar esta terminal a alimentación si no es utilizada, pues de no hacerlo, el temporizador se reiniciará solo.
• CTR o control de voltaje (pin 5): este pin se utiliza cuando el 555 es empleado como controlador de voltaje, el cual tiene como principal función variar el voltaje de entrada. También es posible generar pulsos en rampa con este pin.
• Umbral o THR (pin 6): esta terminal es entrada a un comparador interno del 555 (lo veremos más adelante) y tienen como objetivo poner al pin de salida en nivel bajo.
• DIS o descarga (pin 7): tiene como objetivo descargar al capacitor externo utilizado para configurar al circuito.
• Vcc o Voltaje de alimentación (pin 8): en este último pin se conecta el voltaje de alimentación, que puede ir desde los 5v hasta los 16v.

Diagrama interno del LM555

La estructura interna del 555 depende de algunos fabricantes, pero el temporizador clásico posee 2 diodos, 25 transistores y 15 resistencias conectadas entre sí, todo instalado en el chip de silicio. No obstante, tendrás mucha más referencia sobre el funcionamiento interno de este circuito si conocemos cómo están conectados los 3 elementos internos más importantes: comparadores de voltaje, divisor de voltaje y flip-flop.

• El diagrama interno es de la siguiente forma:

• En esta estructura tenemos tres resistencias con un mismo valor: 5k ohms, el cual puede variar dependiendo si es temporizador CMOS o bipolar.
• Respecto a los comparadores, el comparador 1 tiene conexión directa con el divisor de voltaje en su pin negativo (-) y su pin positivo es el pin de control de voltaje (CV). El comparador 2 tiene su pin positivo conectado al divisor de voltaje y su pin negativo es el disparador (TRG).
• Posteriormente tenemos un flip-flop SR controlado por los comparadores; este flip-flop tiene como objetivo almacenar el estado del temporizador y se puede reiniciar con el pin “Reset”.
• Por último, la salida del flip-flop se conecta a un controlador de salida Push-Pull que dota a la salida del temporizador una corriente de hasta 200mA (para temporizadores bipolares). También tenemos un transistor que conecta la descarga (DIS) a tierra.

Este es el diagrama interno del 555 y el por qué de sus pines; es muy importante esta parte, pues sin duda da una mejor idea de cómo funciona este circuito integrado.

Hay otro tipo de empaquetado llamado FK, que, a pesar de poseer 20 pines, solo son utilizables los 8 pines originales, los demás no tienen una conexión interna. Te lo presento:

También existe otro empaquetado llamado TO-5, que viene como en una lata de metal muy parecido a los transistores. Este empaquetado también tiene 8 pines con las misma configuraciones.

Características eléctricas del LM555

Antes de que decidas trabajar con el circuito integrado 555, debes conocer sus características eléctricas, ya que son las que te dirán cuánto voltaje de entrada resiste el circuito, cuanta corriente hay en su salida, la temperatura de operación, etc.

Las características eléctricas que te mostraré a continuación pertenecen al modelo NE555 y LM555, por parte de la datasheet de Texas Instruments; son prácticamente lo mismo, pero provienen de distinto fabricante. Veamos las condiciones de nuestro circuito:

• Rango de voltaje de alimentación: 4.5v a 18v.
• Máximo voltaje de alimentación: 18v.
• Corriente de entrada (Vcc de +5v): 3 a 6 mA.
• Corriente de entrada (Vcc de -15v): 10 a 15mA.
• Precisión inicial: 1%.
• Máxima disipación de potencia: 600mW
• Frecuencia máxima en modo astable: 2MHz.
• Corriente de salida: 500mA.
• Voltaje de disparo (Vcc de +5v): 1.67v.
• Voltaje de disparo (Vcc de +15v): 5v.
• Voltaje de control máximo (Vcc de +5v): 4v.
• Voltaje de control máximo (Vcc de +15v): 11v.
• Temperatura de operación máxima: 70°C

Estas son las características más importantes del 555; recuerda visitar la hoja de datos o datasheet del componente que vas a trabajar para conocer de forma específica su funcionamiento.

Ahora que ya hemos conocido todos los puntos teóricos del circuito integrado 555, continuemos con los modos de operación. 

Modos de operación del 555

Como pudiste ya conocer en el anterior apartado, el funcionamiento del circuito integrado 555 está definido por tres modos de operación, los cuales, de forma independiente, poseen características únicas para determinadas aplicaciones. Estos modos de operación son tres: multivibrador astable, multivibrador monoestable y multivibrador biestable.

Multivibrador astable del LM555

Este modo se caracteriza por no poseer ninguna salida estable del temporizador, y mientras se encuentre operando de forma astable, existirán fluctuaciones de forma continua y se obtendrá una onda de forma cuadrada en la salida (obviamente, en el pin de salida).

• Para que nuestro circuito integrado 555 funcione de esta manera, vas a necesitar conectarlo de la siguiente manera:

Como se puede apreciar en la imagen:

• La resistencia 1 (R1) se conecta al voltaje de entrada (Vcc) y al pin de descarga (DC o DIS).
• Mientras tanto, la resistencia dos (R2) está conectada entre el pin 7 y el pin 2 de disparo (TR o TRIG).
• El pin 6 (TH o THR) comparte el mismo nodo que el pin de disparo.
• También tenemos un capacitor de carga, el cual se encuentra conectado a través de R1 y R2, descargándose únicamente por esta última resistencia.
• Por último, tenemos la señal de salida en el pin 7 (Q o OUT); esta señal posee un nivel alto por un tiempo (t1) y un nivel bajo por otro tiempo (t2), gracias a que durante los pulsos bajos del ciclo de trabajo, existe una baja impedancia hacia tierra (GND) en el pin 7.

Para calcular los tiempos del ciclo de trabajo (estado alto y estado bajo), puedes usar las siguientes fórmulas:

• Para calcular los tiempos de estado:

Donde:

• R1 y R2 se expresan en ohms.
• C se expresa en Farads.
• T en segundos.

Otra cosa que debemos tomar en cuenta, es la frecuencia de oscilación, la cual se obtiene utilizando la siguiente expresión:

Donde:

• f se expresa en Hertz (Hz).

Mientras tanto, el periodo (tiempo que dura la señal hasta su repetición) lo podemos obtener de la siguiente manera:

• Finalmente, el ciclo de trabajo lo podemos obtener con la siguiente expresión:

• Si deseas que tu ciclo de trabajo opere al 50%, vas a necesitar conectar dos diodos en el circuito astable, tal como se ve en el siguiente diagrama:

Las conexiones de los diodos deben ser exactas a como esta en el diagrama, y las resistencias deben de tener el mismo valor.

Multivibrador monoestable del LM555

Este modo de operación se caracteriza por entregar en la salida un solo pulso, además de tener en la entrada de disparo un botón o algo que permita producir el disparo. El ancho de este señal depende directamente de quien realice el circuito. Para que nuestro 555 funcione en modo monoestable, es necesario conectarlo de la siguiente manera:

En este circuito tenemos:

• Una sola resistencia, más la resistencia de conexión del botón.
• Este último funciona como el disparador de la señal, y va conectado el pin 2 (TR o TRIG).
• La salida sigue funcionando de la misma manera, con la excepción de que, como te mencioné al inicio, solo entregará un solo pulso el cual será accionado por el botón.
• Para calcular el tiempo de duración de la señal de salida, utilizamos la siguiente fórmula:

Multivibrador biestable del LM555

En este modo se tienen dos estados estables que nos permiten controlar la señal que sale por el circuito 555. Para lograr este modo de operación, necesitas conocer el siguiente diagrama:

En el diagrama anterior se puede observar que este modo posee 2 botones:

• El botón de Reset está conectado al pin 6 (TH o THR) y el botón de disparo (Trigger) está conectado al pin 2 (TR o TRIG) del 555.
• Al momento de presionar el botón de Trigger, el disparador se conecta a tierra y su estado será bajo, y la salida del circuito tendrá una señal alta.

Mientras tanto, si presionamos el botón de Reset, el pin 6 va a conectarse a GND y la salida del circuito tendrá un estado bajo. Gracias a este mecanismo de funcionamiento, podemos lograr hacer que el circuito 555 pueda funcionar en dos estados distintos.

Estos han sido los modos de funcionamiento del temporizador 555, los cuales son muy interesantes y cada uno tiene algo característico que lo define, pero hay muchas similitudes entre ellos, por lo que es fácil recordar como funciona cada modo.

Ahora que ya hemos conocido los modos de operación del 555, veamos en qué podemos aplicar este pequeño pero majestuoso circuito.

Aplicaciones para el circuito integrado 555

Como ya te he estado contando en algunas parte de este artículo, el circuito integrado 555 tiene una versatilidad maravillosa, pudiendo hacer con el, muchísimos proyectos dentro y a veces fuera de la electrónica digital. En la siguiente lista te menciono más de 10 aplicaciones comunes que se le da a este maravilloso circuito:

• Interruptor de temporizador.
• Modulador PWM (modulación de ancho de pulso).
• Modulador PPM (modulación de posición de pulso)
• Disparador Schmitt.
• Detector de pulsos.
• Sincronización secuencial.
• Sincronización de precisión.
• Divisor de frecuencia.
• Convertidores CD a CA.
• Reguladores de voltaje CD.
• Convertidor de un voltaje a una frecuencia.
• Tester de cables.
• Tacómetros.
• Termómetros.
• Generación de pulsos.
• Se utiliza como generador de ondas cuadradas.
• Atenuador de lámpara.
• Como Flip-Flop.
• Medidores analógicos de frecuencia.
• Generador escalonado de tonos.
• Controlador de velocidad en motores CD.
• Control de secuencia en lámparas y luces LED.

Son muchas aplicaciones, ¿no crees? Y esto solo es hablando de forma general, pues si hablamos de aplicaciones a sistemas muy específicos serían muchas más aplicaciones.

Y para que intentes realizar tu primer proyecto con el temporizador 555, te dejo la siguiente práctica que simula una secuencia de luces LED muy particular, basada en la secuencia de kitt: el auto increíble, una película muy famosa de los años 80's.

De forma técnica, en este circuito utilizamos al 555 como oscilador aplicado a un contador Johnson o circuito integrado 4017, el cual con un tren de pulsos realiza una secuencia de luces con efecto del centro a los extremos.  La velocidad de esta secuencia se puede controlar con una resistencia variable o potenciómetro.

El circuito integrado 4017 esta constituido por un contador Johnson de 5 etapas que tiene la capacidad de contar los pulsos de reloj que ingresa por el pin 14 de entrada (CLOCK), el cual está conectado a la salida del circuito integrado 555. En las salidas Q0, Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6, Q7, Q8, Q9 se entregaran los pulsos procesados por el contador.

Te invito a probar este proyecto y explorar más sobre las aplicaciones del temporizador 555.

Vídeo del LM555

Conclusiones LM555

¡Felicidades! Hemos llegado al final de este extenso pero interesante artículo sobre el circuito integrado 555. Podemos concluir con facilidad que este dispositivo es más increíble de lo que creemos ya que, como vimos en el apartado de la estructura interna, los pocos componentes internos que posee hacen que sea aplicable a muchísimos sistemas como juguetes y hasta satélites. 

A pesar de que se inventó hace décadas, es uno de los pocos componentes electrónicos que no ha perdido popularidad ni se ha descontinuado, sino todo lo contrario. Hoy en día se siguen fabricando miles de chips y se prevé que siga así, gracias a su flexibilidad de aplicación. Vale mucho la pena aprender a trabajar con ese dispositivo, pues podrías hacer muchas cosas increíbles e impulsar tus conocimientos.

Antes de despedirnos, creo pertinente dejarte algunos puntos que vale la pena ser recordados en este última racha. ¡Vamos allá!

• El circuito integrado 555 es un circuito de temporización y oscilación.
• El circuito integrado fue desarrollado en el año 1970 por Signetics Corporation y fue diseñado por el ingeniero Suizo Hans Camenzind.
• El 555 tiene 3 modos de operación: modo astable, monoestable y biestable.
• Para lograr trabajar con alguno de los modos anteriores, es necesario conectar otros componentes al circuito integrado, como resistencias, capacitores y diodos.
• El 555 clásico está constituido por 2 diodos, 15 resistencias y 25 transistores.
• Existen varios empaquetados del 555: DIP de 8 pines, lata metálica de 8 pines y otro DIP de 14 pines, que es una versión dual. Existe otra presentación de 16 pines, la cual posee cuatro temporizadores.
• Internamente tiene 3 componentes esenciales para su funcionamiento: comparadores de voltaje, un flip-flop SR y un divisor de voltaje de tres resistencias de 5k ohms.
• El fabricante más conocido es Texas Instruments con su LM555.

Así es como hemos llegado al final de este artículo. Espero que te haya gustado y, sobre todo, hayas aprendido muchísimo sobre este pequeño pero genial circuito integrado. No olvides compartir estos conocimientos a quien creas que le será de ayuda.

Recuerda jamás dejar de aprender.

¡Hasta la próxima!