2 5 / F u n c i o n a m i e n t o d e u n t e r m ó m e t r o d i g i t a l

El autor piensa que no hay mejor modo de aprender que por el ejercicio práctico real. Esperamos que los lectores ya hayan construido su termómetro analógico y tengan el motor de su auto protegido. Si es así piensen como mejorar el proyecto para aprender una técnica nueva. Para Ud. va esta entrega que es un ejemplo de digitalización en donde explicamos la técnica de los medidores digitales a LED.

El instrumento digital mas simple es un termómetro digital a LEDS de uso general que

puede reemplazar al termómetro analógico de la anterior entrega o hacerle cumplir otra

función.

Si bien el instrumento se basa en un circuito integrado muy fácil de uti l izar vamos a

explicar como funcionan sus componentes internos para que el lector tenga una idea

concreta de un circuito integrado muy uti l izado en la electrónica “el comparador de

tensión”. El comparador no es realmente un componente enteramente digital pero tampoco

podemos considerarlo enteramente analógico. Realmente se lo encuentra casi siempre en

la interfaz entre un circuito analógico y un digital. Por ejemplo los microprocesadores PIC

tienen modelos donde todas las patas de entrada son comparadores programables que

pueden leer diferentes ventanas de tensión de entrada.

En cada pata de entrada se incluye un comparador del que podríamos decir que su

entrada es analógica y su salida es digital, si le ponemos el circuito correcto en cada una

de sus 5 patas. Se puede considerar que un comparador es como una celda de un

convertidor analógico digital.

C i r c u i t o c o m p a r a d o r d e t e n s i ó n

Como se puede observar en la entrada inversora se conecta un divisor por 2 que genera

una tensión continua de 2,5V. Ahora podemos decir que el circuito divide el campo de las

tensiones de entrada en menores y mayores a 2,5V. Si la tensión de entrada es mayor que

2,5V la salida pasa a un estado alto y si es menor se queda en un estado bajo.

De algún modo, es un conversor analógico digital de un bit porque reconoce que el bit

colocado en la entrada por la pata 7 esté alto o bajo. Como la capsula del comparador

LM393 posee 4 comparadores se pueden realizar combinaciones que permitan detectar

mas de un bit.

Fig.1 Comparador de tensión o circuito de decisión

Sintetizando, nuestro circuito integrado posee 5 patas. Masa y fuente (en nuestro caso de

5 V) una entrada directa, una entrada inversora y una salida y cumple con una función

matemática que podemos indicar del siguiente modo:

Ve > 2,5V -> Vs = 5V (1 lógico)

Ve < 2,5V -> Vs = 0V (0 lógico)

Es importante que el lector no se asuste con todos estos símbolos, ya que su

comprensión es muy simple.

La entrada “Ve” puede tener todos los valores teóricamente comprendidos entre

menos infinito y más infinito volt ios (por supuesto que en el caso real existe un

límite más pequeño). La salida Vs depende del valor de entrada.

Si la entrada Ve supera los 2,5V la salida toma el estado lógico alto (1 que en este

caso es igual al valor de fuente de 5V). Si la entrada Vs es menor a 2,5V la salida

Vs se hace igual al cero lógico que en este caso coincide con el cero real.

Para probar el circuito se uti l iza un potenciómetro en la entrada y una sonda medidora de

estados (punta lógica) en la salida, que se enciende con un estado alto y se apaga con un

bajo.

El valor de comparación se puede modificar cambiando los valores de R1 y R2. Observe

que en nuestro caso el divisor de tensión está ajustado en 2,5V pero puede ser ajustado

en cualquier valor comprendido entre la tensión más baja de fuente (0V o un valor

negativo) y el valor de la tensión más alta de fuente (5V u otro valor mayor generalmente

l imitado a 18V dependiendo de cada integrado).

El resistor R3 se uti l iza porque la salida del integrado es el colector de un transistor (en

Ingles “open colector”) y el resistor agregado opera como carga de colector. El circuito

lógico determina que este transistor se sature o se corte generando de este modo un alto

o un bajo.

En la f igura 2 se puede observar que ocurre con la salida Vs cuando la entrada Ve se

conecta una señal de ruido blanco.

Fig.2 Salida lógica a una señal de ruido

Como se puede observar se produce una aleatoriedad en el estado de la salida que

genera un encendido y apagado al azar de la sonda lógica. El oscilograma en rojo debería

l legar de 5V a masa sin pendiente apreciable pero como la velocidad del comparador no

es infinita lo hace con una pendiente considerable.

V o l t í m e t r o p a s a – n o p a s a o m e d i d o r e s d e v e n t a n a

En mecánica se uti l izan calibres pasa/no pasa que simplemente miden espesores

máximos. El técnico no mide la dimensión de la pieza sino que controla que entre en un

calibre f i jo. El resultado de la prueba es un si o un no. No hay casos intermedios; es una

salida logica o toma de decisión.

En electrónica se usan equivalentes a los calibres pasa no pasa, los voltímetros y

amperímetros pasa/no pasa que detectan cuando la señal se encuentra dentro de una

determinada ventana. En la f igura 2 se puede observar un medidor de 2,5V que enciende

un LED cuando la tensión se encuentra entre 2,47 y 2,53V.

Queremos aclarar que existen otros circuitos con comparadores que cumplen una función

similar y que también se puede uti l izar un amplif icador operacional para realizar una

función de comparación.

Fig.3 Voltímetro pasa/no pasa

En este caso las ecuaciones que definen el circuito son las siguientes:

Ve > 2,49V pero < 2,51 -> D1 encendido

Ve < 2,49V -> D1 apagado

Ve > 2,51V -> D1 apagado

Cuando “Ve” es menor a 2,49V, el comparador inferior y el superior t ienen su transistor de

salida al corte y por lo tanto el diodo LED está apagado. Cuando la tensión l lega a 2,49V

el comparador inferior t iene el transistor de salida saturado y el superior al corte, de modo

que el diodo LED conduce. Cuando la tensión de entrada supera los 2,51V ambos

comparadores tienen el transistor saturado y no hay tensión aplicada al LED.

Por lo general estos voltímetros se uti l izan en el procedimiento de prueba en fábrica de

equipos electrónicos.

Con este mismo principio de funcionamiento, agregando más comparadores y más LEDs

se pueden fabricar instrumentos más elaborados que pueden cumplir una función

realmente úti l .

V o l t í m e t r o a l e d s d e 1 V a f o n d o d e e s c a l a

En la f igura 4 se puede observar un voltímetro práctico construido con un comparador

cuádruple LM339 y cuatro LEDS. El disposit ivo tiene una pantalla formada por una barra

de 4 LEDs y esta diseñado para encender el LED inferior para toda tensión comprendida

entre 0,25 y 0,5V, luego de 0,5V a 0,75V enciende el segundo LED, de 0,750 a 1V el

tercero y por últ imo de 1V a infinito el cuarto y últ imo.

El funcionamiento es muy simple. En las entradas (-) de los inversores se aplican

tensiones de 250 mV, 500mV, 750 mV y 1V, a medida que la tensión de entrada va

superando esos niveles los transistores internos se abren y encienden las barras de LED

en orden ascendente. Le aconsejamos al lector que pruebe el circuito simulado l levando la

tensión de entrada de 0 a 1V y observe el resultado.

Esta aplicación suele uti l izarse como VUmetro de amplif icadores de audio ya que debido a

que solo t iene 4 indicadores de escala no tiene suficiente precisión como voltímetro.

Recuerde que la precisión se mide de acuerdo a la cantidad de posibil idades de formación

de números. Si solo podemos formar 4 divisiones para indicar la salida signif ica que la

precisión es del 25%. Para realizar un VUmetro electrónico de mayor precisión se deben

emplear circuitos integrados especialmente diseñados que pueden excitar hasta 10 LEDs

e inclusive pueden uti l izarse mas de un integrado en serie es decir que se pueden realizar

10 divisiones virtuales de la escala y lograr una precisión del 10% o 20 divisiones y lograr

una precisión del 5% que ya es compatible inclusive con la fabricación de un voltímetro de

panel.

Lo importante de todo esto es que alumno comience a entender el concepto de los

instrumentos que uti l izan técnicas digitales y el concepto de que un sistema digital se

puede hacer tan preciso como uno quiera siempre que uti l ice un display adecuado con la

consiguiente complicación del circuito que excita a esos LEDs.

Fig.4 Voltímetro clase 25%

Este instrumento se diseña para que vaya encendiendo los LEDS del D1 al D4 a medida

que va aumentando la tensión de entrada Ve. En el circuito se puede observar una serie

de resistores que son los generan los puntos de inflexión de las salidas. Si vamos a

realizar una medición entre 0 y 1 V en cuatro pasos la serie de resistores debe proveer

tensiones de 0,25V; 0,5V; 0,75V y 1V. El alumno deberá simular el circuito y conectar la

entrada a una fuente de tensión variable y observar el cumplimiento de las ecuaciones

que son las siguientes:

Ve < 0,25V -> Todos los LEDS apagados

Ve > 0,25V -> D1 encendido

Ve > 0,5V -> D1 y D2 encendidos

Ve > 0,75V -> D1, D2 y D3 encendidos

Ve > 1 V -> D1, D2, D3 y D4 encendidos

Una función práctica de este circuito puede ser aplicarlo como medidor de nivel de salida

en nuestro amplif icador analógico. Le aconsejamos colocar un potenciómetro de 1K sobre

el parlante con su punto medio conectado a Ve con un resistor de 1K como separador y

diodos D1 y D2 como protección.

Fig.5 VUmetro a LEDs

Nota : este VUmetro sirve solo para amplif icadores que tienen una pata del parlante

conectada a masa. No se puede uti l izar para amplif icadores en puente.

C i r c u i t o s i n t e g r a d o s v o l t í m e t o s d e 1 0 o m á s l e d s

Cuando se usa un circuito integrado específico como el LM3914 se puede ajustar el valor

mínimo Vmin y Vmax para los cuales se encienden el primer y ult imo LED indicador. Este

ajuste se realiza con mucha facil idad y además se pueden unir más de un circuito

integrado para aumentar la precisión de la medición.

El LM3914 es un circuito integrado de 18 patas. Las patas 3 y 2 son respectivamente

fuente (6,8 a 18V) y masa. Las patas 1 y de la 10 a la 18 están reservadas para los LEDS

indicadores, en donde el 18 es el LED superior.

El resto de las patas tienen funciones especiales que adaptan el funcionamiento según las

necesidades. Para comenzar mencionaremos que el circuito integrado posee una fuente

interna de referencia ajustable con resistores externos que se uti l iza para ajustar uno de

los valores de la escala o los dos. La salida de esa fuente se encuentra sobre la pata 7 y

el ajuste se realiza con un divisor de tensión conectado entre esta salida y masa con el

punto central conectado a la pata 8. En la f igur siguiente se puede observar una parte de

la especif icación.

Fig.6 Circuito simpli f icado de un volt ímetro clase 10% de 0 a 5V

En la parte inferior se observan las ecuaciones de cálculo que son muy simples. Abajo se

indica que el valor R1 modifica la corriente circulante por los LEDs además de ajustar la

tensión de referencia que sale por la pata 7. En nuestro caso los LEDs toman corriente de

una fuente independiente de la que alimenta al integrado. Esta fuente puede tener

cualquier valor comprendido entre 5 y 18V ya que la corriente que pasa por los LEDs no

se modifica, debido a que las patas de salida son una fuente de corriente constante

ajustable por R1. Si R1 es de 1,21K la corriente es de 12,5/1,21=Si R1 es de 1,21K la

corriente es de 12,5/1210 = 10,5 mA. En general el problema es inverso se sabe el valor

de corriente deseada por el led y se necesita calcular el valor de R1 que es 12,5V/10,5mA

= 1210 Ohms.

Ahora hay que determinar el resistor R2 del divisor de tensión según la formula superior.

Para nuestro caso en que deseamos un valor de plena escala de 5V debemos reemplazar

el valor Ref Out por 5V:

5V = 1,25 + 1,25.R2/R1

(5-1,25) = 1,25 (R2/R1)

3,75/1,25 = 1210/R1

3 = 1210/R1

R1 = 1210/3

R1 = 403 Ohms*

* aproximadamente ya que el valor real se debe determinar por ajuste

La tensión regulada de 5 volt se aplicará al terminal 6 RHI que ajusta el máximo de la

escala y el mínimo se obtiene por la tensión aplicada a la pata 4 RLO que en este caso es

de 0V. Si se requiere un valor mayor a cero pero menor a Vref se debe agregar un circuito

reductor construido con un transistor en conexión repetidora de tensión por emisor que se

puede observar en la f igura 7.

Fig.7 Repetidor de tensión para generar VLO

En el circuito se observa el resistor R1 que es realmente la resistencia interna de la pata

4.

Cuando se cierra la l lave J1 se puede observar que no hay variación en el valor de

la tensión del emisor (de 1,84 a 1,85) por lo que se lo puede considerar como una

fuente regulada no afectada por la carga.

Si se conecta R1 a 5V se conserva también el valor de la tensión de emisor.

Este circuito puede emplearse en nuestro termómetro analógico en lugar del medidor de

aguja conectando el colector del transistor sonda de temperatura a la entrada por la pata

5 (SIG de signal). Luego hay que modificar el circuito para que lea una tensión máxima de

8,8V y una minima de 7,6V con el voltímetro a LEDs conectado entre el colector de

transistor sonda y masa.

Dejamos la modificación de este circuito como un ejercicio para nuestros lectores.

V o l t í m e t r o c o n m a y o r p r e c i s i ó n y o t r a s p r e d i s p o s i c i o n e s

El 3914 tiene dos posibil idades de trabajo cuando se usa en una sola sección. La pata 9

determina el modo de trabajo entre barra (se encienden todos los LEDs inferiores al de

marcación) y punto volante (solo se enciende un LED a la ves). Esa predisposición se

consigue según se conecte la pata 9 (mode) a fuente (barra) o se deje desconectada

(punto volante).

En cambio cuando se desea trabajar con una mayor precisión y se usa más de un CI la

pata 9 sirve para habil i tar al integrado superior según podemos observar en la f igura 8.

Nota : en este caso uti l izamos el simulador Live Wire porque el BW no tiene al 3914 en la

l ibrería.

Fig.8 Volt imetro de 0 a 1V clase 5%

Aquí podemos observar que el terminal mode (pata 9 del IC1) se conecta al LED de valor

mínimo de IC2 para que el integrado superior se entere que el inferior ya terminó de leer.

Además se debe agregar un resistor R3 de 22K porque en caso contrario el últ imo LED de

IC1 se queda siempre apagado.

El lector observará que este circuito se prueba con un generador de señal triangular de

muy baja frecuencia para que se pueda observar el barrido sobre los LEDs. Este

generador está conectado a la entrada de los dos CIs.

Por últ imo se debe observar la disposición de fuentes de referencia alta y baja. El

integrado inferior conecta la referencia baja (RL) a masa y la referencia alta (RH) la

conecta a RL del integrado superior. Por últ imo la tensión regulada se conecta a RH del

CI superior. De este modo la tensión de 1V se divide en dos y aparece medio volt io sobre

cada integrado.

En este circuito existen 20 LEDs y por lo tanto es como si la señal tr iangular de entrada

se convirt iera en una escalerita de 20 escalones. Cambiamos una señal con variaciones

continuas de valor por otra que varía a saltos discretos.

El medidor analógico posee errores debido a rozamiento y otros, el medidor digital solo

posee un error que se l lama de cuantización y que podemos hacer tan pequeño como se

desee aumentando la cantidad de CIs y de LEDs. Para el medidor digital da lo mismo que

la tensión de entrada sea de 0,5V o de 0,51Vya que recién va encender el siguiente LED a

los 0,55V.

En la f igura 9 se puede observar el diagrama interno del CI para una aplicación de 1,2V a

fondo de escala.