Temporizadores y el circuito integrado 555

¿Qué es un temporizador?

Un temporizador es un circuito que controla cuánto tiempo pasa algo: retrasa que una salida se active, la mantiene activa un rato o la enciende y apaga de forma repetida. Casi siempre usa un capacitor que se carga o se descarga a través de una resistencia, y un circuito que vigila su voltaje.

Ejemplos de la vida diaria: el ventilador del baño que sigue girando unos minutos, la luz del pasillo que se apaga sola, el horno de microondas que se detiene al terminar el tiempo, la direccional de un carro que parpadea.

Hay dos tipos de retardo:

• Retardo a la conexión: al recibir la orden, la salida espera y después se activa. Ejemplo: el motor de una banda transportadora que arranca unos segundos después de pulsar el botón, para dar aviso.

• Retardo a la desconexión: al quitar la orden, la salida sigue activa un rato y después se apaga. Ejemplo: el ventilador del baño o la luz de la escalera.

Carga de un capacitor y constante de tiempo

Cuando conectas un capacitor vacío a una pila a través de una resistencia, no se llena de golpe. Al principio la diferencia de voltaje entre la pila y el capacitor es grande, así que circula mucha corriente y el capacitor se carga rápido. Conforme se llena, esa diferencia disminuye, la corriente baja y la carga se frena. Por eso la curva no es una recta: sube de prisa y luego se aplana. Al final, el voltaje del capacitor llega al de la pila y la corriente es casi cero.

Con una resistencia mayor circula menos corriente y el proceso tarda más.

La descarga es el proceso contrario: al principio el voltaje es máximo y baja rápido; después baja cada vez más despacio.

Usar $\tau$ para leer gráficas y calcular

La constante $\tau$ es una propiedad del circuito, no de la pila. Tres ideas para leer una gráfica:

1. Curva más lenta = $\tau$ mayor. Con el mismo $C$, la curva que tarda más en subir tiene la $R$ mayor. No es cuestión de "pendiente con más fuerza": una $R$ grande limita la corriente.

2. A $t = \tau$ el voltaje es el $63\,\%$ del final, nunca el $50\,\%$. Con una pila de $9\ \text{V}$ eso es unos $5{,}7\ \text{V}$, no $4{,}5\ \text{V}$.

3. $\tau$ se lee en la gráfica: es el tiempo en que la curva llega al $63\,\%$ de su valor final, y de ahí se despeja $R = \tau/C$.

Mira dos cargas del mismo capacitor con resistencias distintas. La curva 1 llega al $63\,\%$ antes que la curva 2:

Descarga: el capacitor como reserva de tiempo

Un capacitor cargado guarda energía y puede entregarla durante un rato. Mientras se descarga, mantiene un voltaje que va bajando. Si ese voltaje alimenta algo (un transistor, un LED, un microcontrolador), ese algo seguirá funcionando hasta que el voltaje baje de cierto valor. Así se logra un retardo a la desconexión, como el del ventilador del baño.

Para calcular, se usa esta expresión (solo se aplica, sin deducirla):

Y una consecuencia útil: el voltaje cae a la mitad en $t \approx 0{,}69\,\tau$.

El circuito integrado 555

El 555 es un circuito integrado de ocho patitas, barato y muy usado, diseñado para temporizar. Vigila el voltaje de un capacitor exterior y, según ese voltaje, pone su salida en alto o en bajo.

No necesitas conocer su circuito interno. Basta saber que:

• compara el voltaje del capacitor con dos referencias: $\tfrac{1}{3}V_{cc}$ y $\tfrac{2}{3}V_{cc}$;

• cuando el voltaje cruza una de ellas, cambia su salida (patita 3) y, según el montaje, carga o descarga el capacitor;

• el tiempo lo fijan siempre las $R$ y $C$ externas, no el chip.

Tiene dos montajes básicos: monoestable (un solo pulso) y astable (pulsos que se repiten).

Montaje monoestable: un único pulso

La duración del pulso es:

Ciclo completo: reposo (salida baja) → disparo → pulso (salida alta, el capacitor se carga) → al llegar a $\tfrac{2}{3}V_{cc}$ el 555 descarga el capacitor y la salida vuelve a reposo.

Retardo a la conexión con capacitor y transistor

Para que un motor arranque después de cerrar el interruptor, se coloca un circuito RC en la base de un transistor NPN que activa un relé.

1. Al cerrar el interruptor, el capacitor está vacío y se comporta casi como un corto: el voltaje en la base es casi $0\ \text{V}$, el transistor no conduce y el relé no se activa.

2. A través de $R$, el capacitor se carga poco a poco y el voltaje de la base sube siguiendo la curva de carga.

3. Cuando ese voltaje llega a unos $0{,}7\ \text{V}$, el transistor empieza a conducir, el relé se activa y el motor arranca.

El retardo depende de $R$ y $C$ (y del voltaje de la fuente): con una $R$ o un $C$ mayores el motor tarda más en arrancar. Un retardo así evita arranques bruscos y protege a los engranajes.

Sensor de oscuridad con LDR

Una LDR es una resistencia que cambia con la luz: vale poco con luz y mucho en la oscuridad. Si la pones en el divisor de voltaje de la base de un transistor NPN, con la resistencia fija arriba y la LDR abajo (hacia GND), el transistor solo conduce de noche. Si conectas el colector del transistor a la patita 2 de un 555 monoestable, con una resistencia del colector a $V_{cc}$, y pones el pulsador entre ese mismo punto y GND, funciona así: con luz el transistor no conduce, la resistencia mantiene la patita 2 en alto y el pulsador la baja aunque haya luz; por eso hay que evitarlo. Para que el disparo ocurra solo de noche, se usa el transistor para anular al pulsador con luz: con luz, el transistor conduce y mantiene la patita 2 en alto mediante un segundo transistor o compuerta; esto es una ampliación. En este apartado usa la versión sencilla: el pulsador baja la patita 2 y el transistor, al conducir, la lleva a GND (disparo) solo cuando está oscuro.

Montaje astable: un tren de pulsos

Si conectas un LED con su resistencia a la salida, se enciende y se apaga de forma repetida. Aplicaciones: intermitentes de bicicleta, direccionales, luces de aviso, zumbadores y señales de reloj.

En el astable intervienen dos resistencias ($R_A$ y $R_B$) y un capacitor ($C$). Las fórmulas (solo se usan, sin deducirlas):

El capacitor se carga a través de $R_A + R_B$ y se descarga solo a través de $R_B$; por eso el tiempo en alto es mayor que el tiempo en bajo.

Tiempos en alto y en bajo; cómo diseñar un astable

Como $t_{\text{alto}} = 0{,}7(R_A+R_B)C$ y $t_{\text{bajo}} = 0{,}7R_BC$, siempre se cumple que el tiempo en alto es mayor que el tiempo en bajo: la diferencia es $0{,}7R_AC$.

• Si $R_A$ es muy pequeña comparada con $R_B$, ambos tiempos son casi iguales (onda casi simétrica, ciclo de trabajo cercano al $50\,\%$).

• Si $R_A$ es mucho mayor que $R_B$, el LED queda encendido mucho más tiempo del que está apagado.

Para diseñar una frecuencia, se parte de $T = 1/f$, se elige $C$ y $R_A$ y se despeja $R_B$:

Encadenar dos 555 y buscar fallas

Se pueden encadenar dos 555: la salida de uno controla al otro. La patita 4 (reset) del astable es activa en bajo: si está en bajo, el astable se detiene; si está en alto, funciona.

¿El LED no parpadea? Diagnóstico con multímetro

Si un astable se queda con el LED siempre encendido, hay que revisar la red $RC$ (patitas 2, 6 y 7). Hipótesis frecuentes:

• el capacitor está en corto o en circuito abierto, o conectado al revés si es electrolítico;

• falta una conexión entre las patitas 6 y 2, o la patita 7 (descarga) está desconectada.

Protocolo con multímetro en modo voltímetro (siempre con el circuito alimentado):

1. Mide $V_{cc}$ en la patita 8 contra GND: debe ser el voltaje de la fuente. Si no, el problema es de alimentación.

2. Verifica que la patita 4 (reset) esté en alto.

3. Mide el voltaje del capacitor (patitas 2 y 6): en funcionamiento normal oscila entre $\tfrac{1}{3}V_{cc}$ y $\tfrac{2}{3}V_{cc}$, así que la lectura cambia lentamente. Si es casi cero o casi $V_{cc}$ y no cambia, la red RC no está cargando o descargando.

4. Revisa la continuidad de las patitas 7 y 6, y reemplaza el capacitor por otro bueno.

Resumen

Vuelve al principio: la luz del pasillo de Valentina se apaga sola porque un 555 monoestable usa un capacitor que tarda un tiempo fijo en cargarse a través de una resistencia.