555 astable - frecuencia no lineal con resistencia de descarga para valores de resistencia más pequeños

Estoy tratando de usar un temporizador 555 para crear una frecuencia variable a partir de una resistencia, la frecuencia de salida debe ser de aproximadamente 1 kHz hasta 300 kHz. Estoy usando una versión CMOS TS555CN, que puede oscilar hasta 2,7 MHz más o menos.

Diagrama de circuito

Cuando uso valores diferentes para R2, veo una relación lineal entre la frecuencia de salida (medida con un osciloscopio) y 1/R2 para valores más grandes de R1, pero la frecuencia sube menos de lo esperado para resistencias por debajo de 1k, y este efecto se vuelve progresivamente peor a medida que los valores de la resistencia bajan, hasta 10 Ω, donde la frecuencia es solo 1/3 de la frecuencia esperada.

Conecté el 555 usando la salida como control, esto porque necesito un ciclo de trabajo del 50%. En pruebas anteriores, noté que, especialmente en valores de resistencia más bajos, el ciclo de trabajo sube más y más hasta que llega al 70 % y la salida está lejos de ser una onda de bloque cuadrado. Por supuesto, esto es un efecto de que la salida no va a Vcc (3.3V para mí), más la resistencia interna de la salida. Para resolver esto, puse un búfer no inversor en la salida (U2, en realidad dos de ellos, ya que es un paquete dual). Eso resolvió el problema del ciclo de trabajo, y obtengo una onda cuadrada perfecta del 50% en todos los valores de resistencia.

Al intentar lo mismo con una tapa de cerámica en lugar de una tapa de película, obtuve un resultado menos preciso (esperado), pero la parte lineal continuó hasta 470 Ω, antes de que la frecuencia realmente comenzara a retrasarse.

Cambiar el capacitor de 33 nF a 10 nF no hizo ningún cambio. La frecuencia misma, por supuesto, cambió, pero el efecto sobre la linealidad fue el mismo, lo que implica que tiene que ver con la corriente. Pero aquí termina... No entiendo por qué, ya que a 1k la corriente máxima de carga no supera los 2 mA, mientras que los amortiguadores pueden suministrar unos 20 mA cada uno. Desconectar uno de los búferes no marcó la diferencia.

(editar para obtener información adicional) El propósito de este circuito es medir la resistencia de un líquido, por lo que la resistencia es un hecho y no se puede cambiar. Esto tendrá que bajar a unos 50Ω...

Ponga el voltaje de salida de las compuertas 74LVC2G17 en la salida de su osciloscopio y verifique si los voltajes bajo/alto se mantienen iguales en valores bajos y altos de R2.
Hay una ligera caída de tensión (0,2-0,3 V) con R2 = 47 Ω y una caída más grave con R2 = 10 Ω (un poco más de 2 V entre el nivel alto y el bajo; Vcc = 3,3 V). A valores más altos de R2 no mido ninguna caída. Prácticamente dentro de las expectativas en función de la corriente de salida nominal de este búfer.

Respuestas (2)

La corriente máxima es 2/3 de la tensión de alimentación dividida por R2 + la resistencia de salida de los amortiguadores. Con 1K y una tensión de alimentación de 3V que sería inferior a 2mA.

Le sugiero que haga que el condensador sea 100 veces menos, algo así como 330pF NP0 de cerámica. Desea que la resistencia mínima sea mucho más que la resistencia de salida del búfer para la linealidad. También habrá algo de no linealidad como resultado de los retrasos de propagación en el búfer y 555. A 1 kHz, necesitará alrededor de 2 M para la resistencia, que todavía está dentro de lo razonable para un CMOS 555.

Esto también ayudará a lidiar con el problema del ciclo de trabajo, ya que el ciclo de trabajo dependerá menos de la simetría de la resistencia de salida del búfer. A menudo, las salidas CMOS son mucho mejores para hundir la corriente que para generarla (si no, el diseñador ha colocado transistores de canal p significativamente más grandes que de canal n). En el caso del 74LVC2G17, hay indicios en la hoja de datos de que la resistencia interna cuando se alimenta es un 25-30 % más alta que cuando se hunde.

Ha agregado el requisito de que la resistencia no se puede aumentar, en cuyo caso sugeriría un controlador MOSFET rápido y un par de MOSFET SOT-23 ~ 5A más pequeños en lugar del búfer. Una buena derivación será muy importante.

Alternativamente, podría considerar una resistencia fija en serie con la resistencia cambiante, lo que la hará aún más no lineal, pero de una manera bastante predecible (fácil de restar si está realizando una medición con un microcontrolador).

Basado en un voltaje de 2/3 Vcc = 2.2V, y la entrega de corriente nominal de 24 mA, mi resistencia de carga debería poder bajar a 46Ω con los dos combinados. Sin embargo, veo una falta de linealidad grave en 10x eso ya. Algunos análisis posteriores mostraron una resistencia interna de aproximadamente 20 Ω, lo que suena bastante razonable. No pude encontrar ningún número concreto en la hoja de datos, solo valores máximos absolutos de fuente/sumidero de 100 mA.
La resistencia no se puede aumentar en valor: ese es el parámetro que estoy tratando de medir a través de la frecuencia de salida.
Ya estaba pensando en la línea de los controladores MOSFET, pero al final el búfer hace el trabajo. Gracias por las sugerencias.

Resuelve el problema. De hecho, fue la resistencia interna de los amortiguadores lo que lo hizo.

Reconstruí el circuito, ahora con 1 µF de cerámica + 22 µF de electrolítico como desacoplamiento justo en el 555 para mayor estabilidad, y probé nuevamente, ahora con diferentes capacitores (15 nF y 2x 6.8 nF de película) y una gama de resistencias de 10 Ω en adelante. a 2k y algunos valores mayores.

Pude calcular la frecuencia medida con un error de aproximadamente el 1% (la tolerancia de las resistencias utilizadas) haciendo dos correcciones:

1) Tuve que ajustar la capacitancia de las tapas hacia arriba en aproximadamente 1 nF; supongo que esto se debe a la capacitancia parásita de la placa de prueba sin soldadura y todos los componentes, más la tolerancia del 5% de esas tapas,

2) Tuve que aumentar el valor de la resistencia en 31Ω. Este último, obviamente, para compensar la resistencia interna de los búferes (lo que significa que cada uno tiene una resistencia interna de aproximadamente 62 Ω).

Al final encontré una relación lineal entre (R2 + 31) y la frecuencia medida.

También es interesante que no noté una diferencia significativa en el tiempo alto y bajo, tampoco en las frecuencias altas, aunque en esas frecuencias la forma de onda estaba lejos de ser cuadrada. Debe ser, al menos en parte, debido a toda la capacitancia parásita de la placa. El siguiente paso es conectar este de hecho a un microprocesador para medir la frecuencia.

Gracias a todos por responder y confirmar algunos de mis pensamientos. Eso da la motivación para intentarlo una y otra vez y llegar a una buena conclusión.

La resistencia interna de los amortiguadores no será particularmente estable con la temperatura ni con el voltaje de suministro, pero tal vez sea lo suficientemente buena para lo que sea que esté buscando.
El voltaje de suministro será estable, usando un regulador. Temperatura no tanto, esperando 5-35°C como temperaturas típicas. Muchas pruebas por hacer :-) Y la opción MOSFET siempre es un buen plan de respaldo.
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