Ejercicios: Temporizadores y el circuito integrado 555

Explica qué es un temporizador dentro de un circuito electrónico y nombra dos aparatos cotidianos que lo lleven, indicando qué tiempo controla cada uno.

Un condensador se carga a través de una resistencia. Explica por qué la carga no es instantánea y qué le ocurre al tiempo de carga si se aumenta el valor de la resistencia.

Distingue entre un temporizador con retardo a la conexión y otro con retardo a la desconexión, poniendo un ejemplo de uso de cada tipo.

La gráfica muestra dos procesos con un condensador: en uno se carga a través de una resistencia y en otro se descarga. Indica qué curva corresponde a cada proceso y razona por qué la tensión no varía en línea recta.

El 555 es un temporizador en forma de circuito integrado. Explica qué es un circuito integrado y qué hace cada una de las dos configuraciones básicas del 555: la astable y la monostable.

En configuración astable, el 555 no tiene ningún estado estable: su salida cambia sola una y otra vez. Explica qué se observa en un LED conectado a esa salida y pon dos aplicaciones de ese comportamiento.

En configuración monostable, el 555 da un único pulso de duración fija al recibir una señal de disparo. Explica el ciclo completo de una luz de escalera montada así: qué pasa al pulsar el botón y qué pasa cuando termina el tiempo.

La constante de tiempo de un circuito RC es $\tau = R \times C$. Sin hacer cálculos, razona qué les ocurre a $\tau$ y al ritmo del temporizador si se duplica el valor del condensador, y qué ocurre si se duplica la resistencia.

Describe cómo evolucionan la corriente y la tensión durante la carga de un condensador a través de una resistencia: por qué al principio la carga es rápida y luego se frena, y qué valor alcanza la tensión del condensador al final del proceso.

El ventilador de un baño sigue girando unos minutos después de apagar la luz (retardo a la desconexión). Explica qué papel puede jugar un condensador cargado en ese comportamiento y qué cambiaría si su capacidad fuera el doble.

El esquema muestra un intermitente con el 555 en configuración astable: la salida enciende y apaga el LED con un ritmo que fijan dos resistencias y un condensador. Uno de los componentes está marcado con ?. Indica cuál es y explica qué le pasaría al parpadeo si su valor fuera el doble de grande.

La direccional de un auto es un circuito astable. Explica por qué el ritmo de parpadeo depende de los componentes de temporización y razona por qué, cuando se funde uno de los focos, la direccional suele parpadear más rápido (qué ha cambiado en el circuito).

Un circuito RC tiene una resistencia $R = 10\ \text{k}\Omega$ y un condensador $C = 100\ \mu\text{F}$. Calcula la constante de tiempo $\tau = R \times C$ en segundos y razona para qué tipo de retardo podría servir ese temporizador.

Un lavavajillas espera unos minutos antes de arrancar tras cerrar la puerta (retardo a la conexión), mientras que el ventilador del baño sigue un rato tras apagar la luz (retardo a la desconexión). Dibuja o describe las dos cronologías (qué hace la salida en cada instante) y explica la diferencia entre ambos retardos.

Puedes hacerlo en papel y enviar una foto con tu respuesta.

En un astable, el LED está encendido un tiempo y apagado otro. Explica qué relación hay entre esos dos tiempos y las resistencias de temporización, y cómo conseguirías un parpadeo con el encendido mucho más largo que el apagado.

Un avisador con 555 monostable suena durante 5 segundos aunque el pulsador se suelte al instante. Describe el ciclo completo (disparo, pulso y vuelta al reposo) y explica por qué el circuito «ignora» al pulsador durante esos 5 segundos.

La gráfica adjunta muestra la carga del mismo condensador de capacidad $C = 220\ \mu\text{F}$ a través de dos resistencias distintas ($R_1$ y $R_2$), alimentado a $9\ \text{V}$. Un compañero afirma que la curva 1 corresponde a la resistencia mayor «porque sube con más pendiente al tener una resistencia con más fuerza», y que además al cabo de $\tau_1$ segundos el condensador ya ha alcanzado la mitad de su tensión final (4.5 V).

1. a) Rebate razonadamente ambas afirmaciones a partir de la definición física de la constante de tiempo ($\tau = R \times C$) y de la interpretación de la gráfica.
2. b) Si sobre la gráfica se comprueba que $\tau_1 = 2.2\ \text{s}$ y que $\tau_2$ es exactamente el doble, calcula el valor óhmico de $R_1$ y de $R_2$.
3. c) Si este circuito se emplea para activar un transistor que conmuta cuando la tensión en el condensador alcanza exactamente los $4.5\ \text{V}$, estima a partir de la gráfica cuál de las dos resistencias retrasará más el encendido y determina gráficamente a qué fracción aproximada de $\tau$ se produce la conmutación.

Debes diseñar el módulo de control para la señal de advertencia luminosa de un paso de peatones escolar. Se requiere que dos luces parpadeen de forma alterna e ininterrumpida a una frecuencia de exactamente $1\ \text{Hz}$ (un ciclo completo por segundo).

1. a) Justifica si debes configurar el circuito integrado 555 en modo monoestable o en modo astable.
2. b) Si dispones de un condensador electrolítico de $C = 10\ \mu\text{F}$ y fijas por diseño $R_A = 1\ \text{k}\Omega$, calcula el valor teórico de $R_B$ sabiendo que el periodo de oscilación responde a $T \approx 0.7 \times (R_A + 2R_B) \times C$.
3. c) Tras realizar el montaje en la protoboard, compruebas que el circuito oscila al doble de velocidad de la esperada ($2\ \text{Hz}$). Predice qué ajuste práctico debes realizar sobre los componentes pasivos (sin cambiar la tensión de alimentación) para corregir el desfase y lograr una calibración exacta.

Has montado en una placa de prototipos un circuito astable con un temporizador 555 para hacer oscilar un LED a 1 Hz, pero al conectar la alimentación el LED se queda permanentemente iluminado sin parpadear jamás.

1. a) Sabiendo que el 555 conmuta comparando la tensión del condensador entre $\frac{1}{3}V_{cc}$ y $\frac{2}{3}V_{cc}$, formula dos hipótesis de avería distintas en la red $RC$ (en patillas 2, 6 o 7) que impidan que el condensador cargue o descargue periódicamente.
2. b) Diseña el protocolo de diagnóstico paso a paso que seguirías empleando únicamente un polímetro en modo voltímetro para confirmar cuál de las dos hipótesis es la causante del fallo, indicando qué lectura de tensión esperas en cada caso.
3. c) Al medir con un osciloscopio descubres que la salida (patilla 3) conmuta correctamente entre 0 V y 9 V, pero lo hace a $2\ \text{kHz}$. Explica por qué percibías el LED como «siempre encendido» y deduce qué error cometiste al elegir el condensador de temporización.

El motor de corriente continua de la rampa de una maqueta industrial se avería con frecuencia porque la sacudida del par de arranque deteriora los engranajes reductores. Para solucionarlo, debes diseñar un circuito de retardo a la conexión mediante un circuito $RC$ y un transistor NPN que excite un relé de control.

1. a) Explica la secuencia de funcionamiento desde que el usuario acciona el interruptor general: ¿por qué la base del transistor no recibe corriente suficiente de manera inmediata y cómo evoluciona la tensión hasta la conmutación?
2. b) Si empleas un condensador $C = 100\ \mu\text{F}$ y obtienes un retardo de $3.5\ \text{s}$ con una resistencia fija de $47\ \text{k}\Omega$, calcula el valor que debería tener la resistencia si el departamento de seguridad exige aumentar el retardo a $7\ \text{s}$.
3. c) Diseña una modificación sobre el circuito anterior que permita al operario calibrar el tiempo de espera de forma continua entre $2\ \text{s}$ y $10\ \text{s}$, indicando qué componente comercial concreto añadirías y qué riesgo correría el transistor si dicho componente se ajustase a $0\ \Omega$ sin una resistencia de protección en serie.

La comunidad de propietarios de un edificio de 5 plantas analiza sustituir el alumbrado de la escalera (10 lámparas de $20\ \text{W}$ cada una), controlado actualmente mediante conmutadores manuales convencionales, por un sistema temporizado.

1. a) Las lámparas permanecen encendidas por olvido una media de 5 horas diarias. Si se sustituyen por un circuito monoestable con pulsadores que apaga la luz tras 2 minutos y la escalera se transita 40 veces al día, calcula el consumo energético diario de ambos sistemas (en $\text{Wh}$) y el porcentaje de ahorro conseguido.
2. b) Un vecino propone instalar un circuito astable en lugar del monoestable «para que las luces se enciendan solas sin tener que pulsar nada». Rebate técnicamente su propuesta justificando qué comportamiento indeseado provocaría un astable en este caso.
3. c) Predice qué problema funcional sufriría una persona de movilidad reducida al subir la escalera si el circuito monoestable no es de tipo «rearmable» frente a uno que sí lo sea, y explica en qué consiste esta diferencia.

Un sistema de seguridad para una barrera de aparcamiento encadena dos circuitos integrados 555: el primero en configuración monoestable ($T_1 = 8\ \text{s}$) y el segundo en configuración astable ($f = 2\ \text{Hz}$, con ciclo de trabajo del 50 %). La salida (patilla 3) del monoestable se conecta directamente a la patilla de reinicio (patilla 4, reset activo a nivel bajo) del astable, cuya salida alimenta un zumbador de alarma.

1. a) Traza o describe con precisión el cronograma temporal del sistema entre $t = 0\ \text{s}$ y $t = 12\ \text{s}$, suponiendo que en $t = 1\ \text{s}$ se recibe un pulso breve de disparo en el monoestable. Incluye la señal de disparo, la salida del monoestable y la señal que recibe el zumbador.
2. b) Deduce cuántos pitidos audibles emitirá la alarma en total tras dicho pulso de disparo.
3. c) Predice razonadamente qué ocurriría si un sensor defectuoso mantiene conectada la patilla de disparo del monoestable a 0 V de forma indefinida: ¿se apagará la alarma transcurridos los 8 segundos fijados por su red $RC$? Justifica tu predicción analizando el funcionamiento interno de la entrada TRIGGER del 555.

Para evitar que un microcontrolador se apague bruscamente por microcortes en la red, se coloca en paralelo con su alimentación de $5\ \text{V}$ un condensador de desacoplo de $C = 2,200\ \mu\text{F}$ junto a un LED indicador en serie con una resistencia $R = 1\ \text{k}\Omega$. El microcontrolador entra en parada de emergencia si la tensión cae por debajo de $2.5\ \text{V}$.

1. a) Un estudiante calcula $\tau = R \times C = 2.2\ \text{s}$ y afirma: «Como $\tau = 2.2\ \text{s}$, el LED se apagará por completo y la tensión caerá a cero exactamente a los $2.2\ \text{s}$ tras el corte». Rebate su afirmación demostrando qué tensión teórica queda en el condensador tras transcurrir $1\tau$ y cuántos segundos se requieren para considerar que la descarga se ha completado al $99\ %$ ($5\tau$).
2. b) Sabiendo que la tensión en la descarga responde a $V(t) = V_0 \times e^{-t/\tau}$ y que cae al $50\ %$ ($2.5\ \text{V}$) cuando $t \approx 0.69 \times \tau$, determina durante cuánto tiempo exacto el condensador mantendrá a salvo el microcontrolador antes de que entre en parada.
3. c) Predice qué ocurrirá con la velocidad de descarga cuando la tensión del condensador caiga por debajo de la tensión umbral del LED ($V_d \approx 1.8\ \text{V}$), considerando que a partir de ese valor el diodo deja de conducir.

El 555 se fabrica desde hace décadas y sigue usándose. Analiza sus ventajas frente a construir el mismo temporizador con transistores sueltos (número de componentes, ajuste del tiempo, confiabilidad y costo) y razona por qué se sigue enseñando en los talleres.