Como Funciona un Dimmer PWM para LED con 555

Hola y bienvenidos a este nuevo post. Hoy, y a petición de varios de ustedes, veremos detenidamente cómo es el funcionamiento del Dimmer para LEDs por PWM que realizamos hace un tiempo atras.

Tanto el circuito, como la lista de componentes y el PCB listo para transferir lo encontrarán en este enlace:

Recomiendo darle un vistazo al diagrama que muestro en dicho post, ya que sobre ese circuito extenderé a continuación su funcionamiento.

Recordando, la Modulación por Ancho de Pulso (PWM) es una técnica utilizada para regular la potencia de una carga de una forma muy eficiente (al regular la potencia, en nuestro caso, podremos regular el brillo de nuestros LEDs) Según los pulsos sean mas anchos o mas estrechos, la potencia será mayor o menor respectivamente. Como ya les había adelantado, esto se logra variando los tiempos de carga y descarga del capacitor asociado a este circuito. Utilizaremos el NE555 como control para el transistor MOSFET que oficiará de regulador de potencia.

Antes que nada, veamos primero cómo esta constituido internamente el 555:


Se que a primera vista parece muy complejo, pero no desesperen, veremos paso por paso qué es y para qué sirve cada una de las partes que lo componen.

Primeramente podemos ver una red de resistencias de 5K conectadas entre el pin 8 y el pin 1 del integrado, estas forman un divisor resistivo, el cual, al estar conectado entre los pines de alimentación, dividirán el voltaje de alimentacion del IC en partes iguales, ya que todas las resistencias poseen el mismo valor.

Seguidamente y, asociadas a este divisor resistivo, tenemos dos amplificadores operacionales los cuales funcionan como comparadores (Básicamente comparan el nivel de tensión en ambas entradas y, dependiendo cual de ellas sea mayor, pone su salida a nivel alto o nivel bajo )

Conectado a las salidas de los operacionales tenemos un Flip-Flop RS. Esta constituido de la siguiente manera:

• Posee dos pines de entrada: SET (S) y RESET (R)
• Posee dos pines de salida: SALIDA (Q) y SALIDA "NEGADA"(-Q)

Funciona del siguiente modo:

Cuando en la pata SET tenemos un nivel alto (1) y en la pata RESET un nivel bajo (0) la salida estará a nivel alto (1) (la salida negada, como es la complementaria siempre estará en el estado logico opuesto, es decir, estara en 0)

Si tenemos el SET en (0) y el RESET en (1), a la salida tendremos un (0) y, a su vez, un (1) en la salida negada -Q

Por como estan configuradas y conectadas las entradas del flip-flop, no se dará la condicion en que ambas entradas se encuentren en el mismo estado lógico simultáneamente.

Por ultimo, tenemos un transistor asociado a la salida negada del flip-flop, a cuyo colector podemos acceder desde el pin 7 del integrado. Su funcion es descargar el capacitor externo que emplea el circuito para funcionar.

Habiendo visto su diagrama interno, describiré brevemente la función de cada uno de los terminales del 555.

• PIN 1: GND (Ground/Masa) Es el polo negativo de la alimentación del integrado, se conecta a masa, es decir, 0V.
• PIN 2: TRIG (Trigger/Disparo) Este terminal establece el momento en que la salida del integrado se activará a nivel alto, esto ocurre cuando en este pin (2) se presenta una tensión inferior a 1/3 del voltaje con el que se está alimentando el IC.
• PIN 3: OUT (Output/Salida) Aqui veremos reflejado el resultado de la operación realizada por nuestro timmer. Cuando se encuentra a nivel alto,su tension es 1.7V menor a la tension de alimentacion, cuando esta a nivel bajo, es de casi 0V. Segun el tipo de integrado, puede controlar una corriente de hasta 200mA.
• PIN 4: RES (Reset/Reinicio) Se suele conectar a Vcc para que el temporizador no se reinicie, además, sive como referencia para el buen funcionamiento del flip-flop interno del integrado. Conectado a GND pone la salida (PIN 3) a nivel bajo.
• PIN 5: CTRL (Voltage Control/Control de Voltaje) Como este pin esta internamente conectado al comparador y a la red de resistencias, variando la tension presente en este pin se puede modificar el funcionamiento de los operacionales, alterando las tensiones de referencia. También se puede utilizar para generar pulsos en rampa.
• PIN 6: THR (Threshold/Umbral) Se encuentra conectada a la entrada No inversora de uno de los comparadores. Cuando la tension en este terminal es mayor a los 2/3 de la tension de alimentacion, pone la salida (PIN 3) a nivel bajo.
• PIN 7: DIS (Discharge/Descarga) Se utiliza para descargar con efectividad el condensador externo que requiere el circuito osilador para funcionar, esta accion se realiza mediante un transistor interno, cuyo emisor se encuentra conectado a GND y su colector al pin 7. Su base es gobernada desde la salida negada del flip-flop RS.
• PIN 8: +V (Vcc/Voltaje de Alimentación) En esta patilla se conecta la alimentación positiva del integrado, que puede ir desde unos 4V hasta 15V máx.

Aqui podemos apreciar el circuito del dimmer para LED por PWM, donde he sustituido el 555 por su diagrama interno, indicando las conexiones de cada pin. No he puesto el valor de los componentes ya que no son críticos, además, quiero que nos centremos en el funcionamiento de este circuito.

Les recuerdo que el circuito completo, con la lista de materiales y el PCB lo tienen en el post que les dejo a continuación:


Ahora veremos detenidamente que ocurre con el integrado según nuestro capacitor de cargue y se descargue ya que esto es, en definitiva, la base de funcionamiento de nuestro Dimmer PWM. Lo dividiré en dos parte, una para la carga, y otra para la descarga.

Ahora bien, para nuestro ejemplo, alimentaremos el circuito con 12Vcc. Con esta tensión, que podemos obtener o bien desde una fuente regulada o desde una bateria (ya sea de gel o de acido-plomo) podemos alimentar tiras de leds, o bien arreglos de leds en serie con una resistencia limitadora, eso ya dependerá del uso que le vayan a dar.


Suponemos que, en un principio, nuestro capacitor se encuentra completamente descargado, es decir, en 0v, vemos que al terminal de capacitor tenemos conectado tanto el pin 2 como el pin 6 del IC. Ambos pines son entradas de los comparadores del voltaje del integrado. Ahora bien, nuestra red de resistencias de 5k, hacen que en nuestro primer operacional (el de arriba) tenga una tension igual a los 2/3 de la alimentacion en su entrada Inversora (+) (si estamos alimentando con 12V, tendremos 8V en este nodo). A su vez, en el segundo comparador (el de abajo) tendremos un voltaje de 1/3 la tensión de alimentacion presente en la entrada No inversora (-) que, en este caso seria de 4V. Ambas tensiones son fijas y no se van a modificar.

Como dije anteriormente un operacional compara los niveles de voltaje presente en sus entradas. Veamos entonces qué valores obtenemos.

En el comparador de arriba, estamos comparando los 0V del capacitor contra los 8V presentes en el divisor de tension. Comparando, 8 es mayor que 0, como es la entrada inversora, a su salida tendremos un nivel bajo, es decir un cero.

En el comparador de abajo, comparamos los 4V fijos de la red de resistores contra los 0V del capacitor (recordemos que ambos pines, el 2 y el 6, estan conectados entre si). Una vez más, comparamos... 4 es mayor que cero, pero esta vez es la entrada No inversora, por lo tanto tenemos la salida del comparador en nivel alto, es decir un 1.

Resumiendo, tenemos el comparador superior en cero (0) y el comparador inferior en uno (1), Continuemos..

Ambas salidas se encuentran conectadas a las entradas el flip-flop. En comparador superior actua sobre la pata RESET y el comparador inferior sobre la pata SET.

Utilizando los valores obtenidos, tendríamos un 0 En el RESET y un 1 en el SET. Por lo tanto en la salida Q tendremos un nivel alto, es decir un 1, lo que equivale a tener una tension cercana a la de alimentación (en la práctica 1.7V menor), es decir que en el PIN 3 tendremos un nivel alto. La salida negada (-Q) se encuentra en nivel bajo, ya que es la complementaria de Q. Ya que el transistor interno es NPN, este no conduce.

En estas condiciones, nuestro capacitor intentará comenzar a cargarse con la tensión de alimentación. ¿Por donde va a intentar cargarse? (para esta descripción tomaré la circulación de corriente de positivo a negativo, aunque en realidad la circulación es al revés, ya que lo que se mueven son electrones, y no protones) pero para mayor claridad tomaré como referencia la circulación de positivo a negativo.

En el circuito he ilustrado la circulación de la corriente con las flechas color verde.

-La corriente que viene desde el positivo atraviesa la resistencia R1, la cual es fundamental para no quemar el transistor interno del integrado.
-Pasa por el Diodo D1 (por D2 no puede circular ya que esta polarizado en inversa)
-Atraviesa la porcion de resistencia que hayamos prefijado en el potenciómetro P1
-A traves del pin central de P1, llega la tension a los bornes de C1.



Este condensador se cargará con la tension de alimentacion hasta superar el valor de 8V, ahora veremos por qué.


Una vez el capacitor haya alcanzado una tensión superior a los 8V podemos ver que las cosas van a cambiar dentro del integrado...

En primera instancia, veamos los comparadores:

El comparador superior, va a comparar los 8V de referencia (proporcionado por el divisor resistivo) contra la tension presente en el capacitor que, como dijimos, era de algo mas de 8V, como la tension superior esta presente en la pata NO inversora del comparador, este pondrá su salida a nivel Alto.

Por otra parte, el comparador inferior, compara esta tension más de 8V contra los 4V fijos y estables del divisor resistivo. Como los 8V son superiores, y se trata de la para inversora, la salida se pondrá a nivel bajo.

Resumiendo: En el comparador superior tenemos un 1 y en el Comparador inferior un 0 (exactamente al reves que cuando el capacitor inició su carga)

Ingresando con estos estados lógicos en los pines SET y RESET del flip-flop, tendremos un 0 en la pata SET y un 1 en la pata RESET. En estas condiciones la salida Q se pondrá a nivel bajo (casi 0V), es decir, en el pin 3 tendremos un nivel bajo. Pero.. por otra parte tenemos nuestra salida negada -Q, la cual se pondrá en nivel alto. Esto hará que nuestro transistor interno comience a conducir, haciendo que nuestro condensador externo se comience a descargar. Ahora bien, ¿Por donde va a descargarse? veamoslo:

-La corriente que sale de nuestro condensador pasa por la fraccion de resistencia presente en el potenciometro P1.
-Pasa por el Diodo D2 (ya que D1 bloquea el paso de la corriente por estar polarizado en sentido inverso)
-Ingresa al integrado por medio del pin 7 y llega al colector del transistor interno del IC.
-La corriente es drenada a Masa gracias al transistor, cuyo emisor se encuentra conectado a GND.

En el circuito, la circulacion de descarga del capacitor esta indicada con las flechas color rojo, asi como su curva de descarga.

Como es de esperar, al descargarse el capacitor comenzará a disminuir su tension en bornes, esta tension va a decrecer, pero no hasta alcanzar los 0V, sino hasta llegar a una tension inferior a los 1/3 de la tension de alimentacion, es decir, 4V.


Llegado a este punto estariamos de nuevo en el punto de partida:

-Los comparadores pondran un 0 en el RESET y un 1 en el SET.
-La salida (PIN 3) se pondrá nuevamente a nivel alto.
-El transistor interno dejará de conducir
-El condensador externo comenzará a cargarse nuevamente con la tension de alimentacion.

De esta forma, entonces, accionando sobre P1 (Potenciometro Lineal) Podremos variar el tiempo de carga y de descarga del capacitor (Circuito RC) y, por consiguiente, podremos variar o MODULAR el ancho del pulso de salida.

Tenemos una curva de carga asociada a un nivel alto, y una curva de descarga asociada a un nivel bajo.

El tiempo que la salida de mantiene a nivel alto o nivel bajo, se conoce como ciclo de actividad (Duty Cycle), cuyo valor se expresa en porcentaje %. Una señal PWM con un Duty Cycle del 50% funcionaria a media potencia, ya que el 50% del tiempo se encuentra activo, y el 50% se encuentra apagado.

En el siguiente gráfico podemos ver distintas curvas de carga y descarga segun el % de Duty Cycle Activo.

Vemos que cuanto mas lenta sea la carga del condensador, mayor tiempo se mantendrá la salida a nivel alto. A su vez, cuanto mayor sea el tiempo que tarde en cargarse, mas rápida será la descarga y viceversa.

Asi es como funciona la Modulación por Ancho de Pulso en nuestro Dimmer PWM para LED, hecho en base al 555.

Y eso es todo por este post camaradas, se que fue un poco largo pero quise tratar de ser lo mas claro y comprensible que pude. Cualquier error u omisión que haya podido tener me gustaria que me lo comenten para poder editar o corregir este post.

Espero que les haya gustado, que les haya servido y que hayan conseguido algun dato de su interes o que quiza desconocian, por mi parte nada mas, solo invitarlos a ver el video de mi canal Kriss Electronics, donde podran ver la explicacion de este circuito pero desde otro enfoque, espero que les guste.




Aqui podrán ver el dimmer en funcionamiento



Ahora si me despido, les recuerdo que cualquier sugerencia o duda me la pueden dejar en los comentarios, saben que siempre es un gusto atender a sus criticas o dudas... y si valoran el tiempo y la dedicacion que hubo detras de este post, compartir y puntuar siempre incentiva y ayuda a crear buen contenido para esta comunidad de Inteligencia Colectiva.. hasta un próximo post compañeros...!!

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