Fundamentos de la familia
La familia LM3914 de circuitos integrados de controlador de gráficos de barras/puntos está fabricada por National Semiconductors. Son dispositivos moderadamente complejos pero muy versátiles, alojados en paquetes DIL de 18 pines y cada uno capaz de controlar directamente hasta 10 LED en modo punto o barra.
La familia comprende tres dispositivos, siendo estos el LM3914, el LM3915 y el LM3916; todos usan el mismo circuito interno básico (consulte la Figura 3 ), pero difieren en el estilo de escala del circuito de salida de control de LED, como se muestra en la Figura 4 .
FIGURA 3. Circuito interno del LM3914, con conexiones para hacer un medidor lineal de 10 LED 0-1.2V con pantalla gráfica de puntos o barras.
FIGURA 4. Valores de punto de umbral de la gama de circuitos integrados LM3914/15/16 cuando se diseñó para controlar 10 LED a una sensibilidad de escala completa de 10 V.
Por lo tanto, el LM3914 es una unidad de escala lineal, diseñada específicamente para su uso en aplicaciones de voltímetro LED en las que el número de LED iluminados da una indicación directa del valor de un voltaje de entrada (o de algún parámetro representado por un voltaje proporcional) . El LM3915, por otro lado, tiene una salida con escala logarítmica diseñada para abarcar de -27 dB a 0 dB en pasos de 10 -3 dB, y está diseñado específicamente para su uso en aplicaciones de indicación de potencia, etc. Finalmente, el LM3916 tiene un escala semilogarítmica que abarca 23 dB y está diseñada específicamente para su uso en aplicaciones de medidor de VU.
Los tres dispositivos de la familia LM3914 utilizan el mismo circuito interno básico, y la Figura 3 muestra el circuito interno específico del LM3914 de escala lineal, junto con las conexiones para que actúe como un simple medidor de 0-1,2 V de 10 LED.
El IC contiene 10 comparadores de voltaje, cada uno con su terminal no inversor llevado a una derivación específica en un divisor de potencial multietapa de precisión flotante y con todos los terminales inversores cableados en paralelo y accesibles a través del pin de entrada 5 y un búfer de ganancia unitaria incorporado amplificador.
La salida de cada comparador está disponible externamente y puede absorber hasta 30 mA; las corrientes de sumidero están limitadas internamente y pueden preestablecerse externamente a través de una sola resistencia (R1).
El IC también contiene una fuente de referencia flotante de 1,2 V entre los pines 7 y 8. En la Figura 3 , la referencia se muestra conectada externamente al divisor de potencial interno (pines 4 y 6). Tenga en cuenta que los pines 8 y 4 se muestran conectados a tierra, por lo que, en este caso, la parte inferior del divisor está a cero voltios y la parte superior está a 1,2 V. El IC también contiene una red lógica que se puede configurar externamente (a través del pin 9) para mostrar un punto o una barra desde las salidas de los 10 comparadores. El IC funciona de la siguiente manera.
Suponga que la lógica del IC está configurada para el funcionamiento en modo barra y que la referencia de 1,2 V se aplica a través del divisor interno de 10 etapas, como se muestra. Así, se aplican 0,12 V a la entrada inversora o de referencia del comparador inferior, 0,24 V al siguiente, 0,36 V al siguiente, y así sucesivamente. Si ahora se aplica un voltaje de entrada que aumenta lentamente al pin 5 del IC, tiene lugar la siguiente secuencia de acciones.
Cuando el voltaje de entrada es cero, las salidas de los 10 comparadores se desactivan y todos los LED están apagados. Cuando el voltaje de entrada alcanza el valor de referencia de 0,12 V del primer comparador, su salida conduce y enciende el LED1. Cuando la entrada alcanza el valor de referencia de 0,24 V del segundo comparador, su salida también conduce y enciende el LED2, por lo que, en esta etapa, los LED 1 y 2 están encendidos.
A medida que aumenta aún más el voltaje de entrada, se encienden progresivamente más y más comparadores y LED hasta que finalmente, cuando la entrada sube a 1,2 V, se encienden el último comparador y el LED10, momento en el que se encienden todos los LED.
Se obtiene un tipo de acción similar cuando la lógica LM3914 está configurada para la operación en modo de puntos, excepto que solo un LED está encendido en un momento dado; a cero voltios, no hay LED encendidos, y a 1,2 V y más, solo LED10 está encendido.
ALGUNOS DETALLES FINOS
En la Figura 3 , R1 se muestra conectado entre los pines 7 y 8 (la salida de la referencia de 1,2 V) y determina las corrientes de encendido de los LED. La corriente de encendido de cada LED es aproximadamente 10 veces la corriente de salida de la fuente de 1,2 V, que puede suministrar hasta 3 mA y, por lo tanto, permite configurar corrientes de LED de hasta 30 mA a través de R1. Si, por ejemplo, se coloca una resistencia total de 1k2 (igual a los valores en paralelo de R1 y los 10k del divisor de potencial interno del circuito integrado) entre los pines 7 y 8, la fuente de 1,2 V pasará 1 mA y cada LED pasará 10 mA en el modo ON.
Tenga en cuenta de lo anterior que el IC puede pasar corrientes totales de hasta 300 mA cuando se usa en el modo de barra con los 10 LED encendidos. Sin embargo, el IC tiene una potencia nominal máxima de solo 660 mW, por lo que existe el peligro de exceder esta clasificación cuando el IC se utiliza en el modo de barra. En la práctica, el IC se puede alimentar con suministros de CC en el rango de 3 a 25 voltios, y los LED pueden usar el mismo suministro que el IC o se pueden alimentar de forma independiente; esta última opción se puede utilizar para mantener la disipación de potencia del circuito integrado en un nivel mínimo.
El divisor de potencial interno de 10 etapas del IC es flotante, con ambos extremos disponibles externamente para una máxima versatilidad, y se puede alimentar desde la referencia interna o desde una fuente o fuentes externas. Si, por ejemplo, la parte superior de la cadena está conectada a una fuente de 10 V, el IC funcionará como un medidor de 0-10 V si el extremo inferior de la cadena está conectado a tierra, o como un medidor de rango restringido de 5-10 V si el extremo inferior de la cadena está conectado a tierra. extremo de la cadena está conectado a una fuente de 5V.
La única restricción sobre el uso del divisor es que su voltaje no debe ser superior a 2 V menos que el voltaje de suministro de los circuitos integrados (que está limitado a un máximo de 25 V). La entrada (pin 5) al IC está completamente protegida contra voltajes de sobrecarga de hasta más o menos 35V.
La referencia de voltaje interno del IC produce una salida nominal de 1,28 V (los límites son de 1,2 V a 1,34 V), pero puede programarse externamente para producir valores de referencia efectivos de hasta 12 V (como se muestra más adelante).
Se puede hacer que el IC muestre una barra conectando el pin 9 directamente al pin 3 (suministro positivo) o, si solo se usa un IC, se puede hacer que muestre un punto dejando el circuito abierto del pin 9 o tirando al menos 200 mV por debajo del valor de voltaje del pin 3.
Si se conectan en cascada dos o más circuitos integrados para controlar 20 o más LED en el modo de puntos, el pin 9 debe conectarse (excepto en el caso del último circuito integrado de la cadena) al pin 1 del siguiente circuito integrado y se debe conectar una resistencia de 20k. cableado entre el pin 11 y el riel de suministro positivo de alimentación de LED.
Finalmente, tenga en cuenta que la principal diferencia entre los tres miembros de la familia de circuitos integrados LM3914 radica en los valores de resistencia utilizados en el divisor de potencial interno de 10 etapas. En el LM3914, todas las resistencias de la cadena tienen valores iguales y, por lo tanto, producen una visualización lineal de 10 pasos iguales. En el LM3915, las resistencias se ponderan logarítmicamente y, por lo tanto, producen una visualización de registro que abarca -27 dB a 0 dB en pasos de 10 -3 dB. En el LM3916, las resistencias se ponderan de forma semilogarítmica y producen una pantalla que se adapta específicamente a las aplicaciones de medidores de VU.
Avancemos ahora y veamos algunas aplicaciones prácticas de esta serie de dispositivos, prestando especial atención al IC lineal LM3914.
VOLTÍMETROS MODO PUNTO
Las figuras 5 a 9 muestran varias formas de usar el IC LM3914 para fabricar voltímetros de modo de puntos de 10 LED con una variedad de sensibilidades de desviación de escala completa (FSD). Tenga en cuenta que en todos estos circuitos, el pin 9 se deja en circuito abierto para proporcionar una operación en modo punto, y que un capacitor de 10 µF está cableado directamente entre los pines 2 y 3 para mejorar la estabilidad del circuito.
La Figura 5 muestra las conexiones para hacer un voltímetro de rango variable (1.2V a 1000V FSD). Los extremos inferiores de la referencia interna y el divisor están conectados a tierra y sus extremos superiores están unidos, por lo que el medidor tiene una sensibilidad básica de escala completa de 1,2 V, pero el divisor de potencial Rx-R1 proporciona un rango variable en la entrada del circuito. Así, cuando Rx es cero, FSD es 1.2V, pero cuando Rx es 90K, FSD es 12V. La resistencia R2 está conectada a través de la referencia interna y establece las corrientes de encendido de los LED en aproximadamente 10 mA.
FIGURA 5. Voltímetro de modo de puntos FSD de 1,2 V a 1000 V.
La Figura 6 muestra cómo hacer un medidor de 0-10 V de rango fijo, utilizando un zener externo de 10 V (conectado a la parte superior del divisor interno) para proporcionar un voltaje de referencia. La tensión de alimentación de este circuito debe ser al menos dos voltios mayor que la tensión de referencia del zener.
FIGURA 6. Medidor FSD de 10 V usando una referencia externa.
La Figura 7 muestra cómo se puede hacer que la referencia interna del IC proporcione un voltaje variable de manera efectiva, lo que permite que el valor FSD del medidor se establezca en cualquier lugar dentro del rango de 1,2 V a 10 V. En este caso, la corriente de 1 mA (determinada por R1) de la referencia interna flotante de 1,2 V fluye a tierra a través de RV1, y el voltaje RV1 resultante eleva los pines de referencia (pines 7 y 8) por encima de cero.
FIGURA 7. Un voltímetro alternativo de modo de puntos de rango variable (1,2 V a 10 V).
Si, por ejemplo, RV1 está configurado en 2k4, el pin 8 estará en 2,4 V y el pin 7 en 3,6 V. RV1 permite variar el voltaje del pin 7 (conectado a la parte superior del divisor interno) de 1,2 V a aproximadamente 10 V y, por lo tanto, establece el valor FSD del medidor dentro de estos valores. Tenga en cuenta que la tensión de alimentación del circuito debe ser al menos 2 V mayor que el valor de tensión FSD deseado.
La Figura 8 muestra las conexiones para hacer un medidor de escala expandida que, por ejemplo, lea voltajes en el rango de 10 a 15 voltios. RV2 establece la corriente del LED en aproximadamente 12 mA, pero también permite establecer un valor de referencia en el rango de 0-1,2 V en el extremo inferior (pin 4) del divisor interno. Por lo tanto, si RV2 está configurado para aplicar 0,8 V al pin 4, el medidor básico leerá voltajes en el rango de 0,8 a 1,2 voltios únicamente. Al colocar el divisor de potencial Rx-RV1 en la entrada del circuito, este rango se puede amplificar a (digamos) 10-15 V, o cualquier rango que se desee.
FIGURA 8. Voltímetro de modo de puntos de escala expandida (10V-15V, etc.).
Finalmente, la Figura 9 muestra un voltímetro de modo de puntos de escala expandida que está diseñado específicamente para indicar el valor de la batería de un vehículo (12 V nominales). En este caso, R2-RV2 están efectivamente configurados para dar un rango básico de 2,4 a 3,6 voltios, pero la entrada al circuito se deriva del riel de suministro positivo a través del divisor de potencial R1-RV1 y, por lo tanto, la lectura de voltios indicada corresponde a un múltiplo preestablecido del valor del rango básico. Como se muestra en el diagrama, se pueden usar LED rojos y verdes en la pantalla, dispuestos de manera que los LED verdes se iluminen cuando el voltaje está en el rango 'seguro' de 12 a 14 voltios.
FIGURA 9. Voltímetro de vehículo en modo punto de escala expandida.
Para calibrar el circuito anterior, primero configure el suministro a 15 voltios y ajuste RV1 para que el LED 10 se encienda. Reduzca el suministro a 10 V y ajuste RV2 para que el LED 1 se encienda. Vuelva a verificar la configuración de RV1 y RV2. Luego se completa la calibración y la unidad se puede instalar en el vehículo tomando el cable de '0' voltios al chasis y el cable de '+12 V' a la batería del vehículo a través del interruptor de encendido.
VOLTÍMETROS MODO BARRA
Los circuitos de modo de puntos de las Figuras 5 a 9 se pueden hacer para que operen en modo de barra simplemente conectando el pin 9 al pin 3, en lugar del pin 11. Sin embargo, cuando se usa el modo de barra, se debe recordar que la potencia del IC No se debe exceder la clasificación permitiendo que se desarrollen voltajes excesivos en los terminales de salida cuando los 10 LED están encendidos. Los LED caen aproximadamente 2 V cuando están conduciendo, por lo que una forma de evitar este problema es alimentar los LED desde su propio suministro de bajo voltaje (3 a 5 V), como se muestra en la Figura 10 .
FIGURA 10. Voltímetro de pantalla de barra con suministro de LED separado.
Una solución alternativa es alimentar el IC y los LED con el mismo suministro, pero conectar una resistencia limitadora de corriente en serie con cada LED, como se muestra en la Figura 11 , de modo que la terminal de salida del IC se sature cuando los LED estén encendidos.
FIGURA 11. Voltímetro de pantalla de barra con suministro común de LED/IC.
La figura 12 muestra otra forma de obtener una visualización de barra sin una disipación de potencia excesiva. Aquí, todos los LED están cableados en serie, pero cada uno está conectado a una salida individual del IC, y el IC está cableado para la operación en modo punto.
FIGURA 12. Método de obtención de un display de barras con funcionamiento en modo punto y mínimo consumo de corriente.
Por lo tanto, cuando (por ejemplo) el LED 5 está encendido, extrae su corriente a través de los LED 1 a 4, por lo que los cinco LED están encendidos y la corriente total del LED es igual a la de un solo LED, y la disipación de energía total es bastante baja. El suministro de LED a este circuito debe ser mayor que la suma de todas las caídas de voltaje de LED cuando todos los LED están encendidos, pero debe estar dentro de los límites de voltaje del IC; por lo tanto, se necesita un suministro regulado de 24 V.
La figura 13 muestra una modificación muy útil que permite que el circuito anterior se alimente con suministros no regulados dentro del rango de 12 a 18 voltios.
FIGURA 13. Modificación del circuito de la Figura 12, para operación con suministros no regulados de 12V a 18V.
En este caso, los LED se dividen en dos cadenas y los transistores se utilizan para encender la cadena inferior (LED 1 a 5) cuando la cadena superior está activa; la corriente LED total máxima es igual al doble de la corriente de un solo LED.
VOLTÍMETROS DE 20 LED
La Figura 14 muestra cómo se pueden interconectar dos circuitos integrados LM3914 para crear un voltímetro de modo de puntos de 20 LED.
FIGURA 14. Voltímetro de 20 LED en modo punto (FSD = 2,4 V cuando Rx = 0).
Aquí, los terminales de entrada de los dos circuitos integrados están cableados en paralelo, pero IC1 está configurado para leer de 0 a 1,2 voltios e IC2 está configurado para leer de 1,2 a 2,4 voltios. En el último caso, el extremo inferior del divisor de potencial IC2 se acopla a la referencia de 1,2 V de IC1, y el extremo superior del divisor se lleva a la parte superior de la referencia de 1,2 V de IC2, que se eleva 1,2 V por encima de ese valor. de IC1.
El circuito de 20 LED de la Figura 14 está conectado para la operación en modo punto y, en este caso, el pin 9 de IC1 está conectado al pin 1 de IC2, el pin 9 de IC2 está en circuito abierto y una resistencia de 22K está conectada en paralelo con el LED. 9 de IC1.
La figura 15 muestra las conexiones para hacer un voltímetro en modo barra de 20 LED. Las conexiones son similares a las de la Figura 14 , excepto que el pin 9 se lleva al pin 3 en cada IC, y una resistencia limitadora de corriente 470R está cableada en serie con cada LED para reducir la disipación de energía de los IC.
FIGURA 15. Voltímetro de 20 LED en modo barra (FSD = 2,4 V cuando Rx = 0).
Para concluir este vistazo a los circuitos LM3914, la Figura 16 muestra un convertidor de frecuencia a voltaje simple que se puede usar para convertir cualquiera de los circuitos de la Figura 14 o 15 en tacómetros de 20 LED (RPM-metros).
FIGURA 16. Circuito de conversión de tacómetro de vehículo para usar con un voltímetro de 20 LED.
Este convertidor debe interponerse entre los puntos de contacto del interruptor del vehículo y la entrada del circuito del voltímetro. En la Figura 16 , el valor C2 de 22n es el valor óptimo para un rango de escala completa de 10.000 RPM en un motor de cuatro cilindros y cuatro tiempos. Para valores de RPM de escala completa sustancialmente más bajos, es posible que se deba aumentar el valor de C2; es posible que se deba reducir el valor en vehículos con seis o más cilindros.
CIRCUITOS LM3915/LM3916
Los circuitos integrados LM3915 'log' y LM3916 'semi-log' funcionan de la misma manera básica que el LM3914 y, de hecho, se pueden usar directamente en la mayoría de los circuitos que se muestran en las Figuras 5 a 15 . Sin embargo, en la mayoría de las aplicaciones prácticas, estos circuitos integrados particulares se utilizan para indicar el valor de una señal de entrada de CA, y la forma más sencilla de lograr tal visualización es conectar la señal de CA directamente o a través de un atenuador a la terminal de entrada del pin 5 del IC, como se muestra en la figura 17 . El IC responde solo a las mitades positivas de dichas señales de entrada y, por lo tanto, el número de LED iluminados es proporcional al valor pico instantáneo de la señal de entrada.
El circuito de la Figura 17 es el de un medidor de potencia de audio simple basado en LM3915 que se usa para indicar valores de voltaje de salida instantáneos desde un altavoz externo.
FIGURA 17. Medidor de potencia de audio controlado por altavoz simple.
El pin 9 se deja en circuito abierto para brindar una operación en modo punto, y R1 tiene un valor de 390R para generar una corriente de LED de aproximadamente 30 mA, lo que brinda una indicación clara de los niveles de voltaje instantáneos breves. El medidor da indicación de potencia de audio en el rango de 200 mW a 100W.
La Figura 18 muestra la forma básica de usar el IC LM3916 como un medidor de VU con una sensibilidad de escala completa de 10 V CC.
FIGURA 18. Circuito básico de VU-metro en modo barra.
El circuito se muestra conectado para la operación en modo barra, utilizando voltajes de suministro separados para la pantalla LED y para el IC real, y con los valores de los componentes mostrados, proporciona una corriente de 10 mA a cada LED activo.
Si se prefiere, el IC se puede usar para brindar una operación en modo punto, usando un suministro común de 12 V a 20 V para los LED y el IC, dejando el circuito abierto del pin 3 y cambiando los valores R1-R2 a 390R-2k4, lo que genera 30 mA. de la unidad a los LED activos.
La Figura 19 muestra una forma alternativa de usar el LM3916 como un medidor de VU con una pantalla tipo barra. En este caso, el IC se usa de la misma manera que el circuito básico de bajo consumo de corriente de la Figura 12 , con el pin 9 en el circuito abierto para que el IC realmente funcione en el modo de puntos, pero con los LED conectados en serie a través del pines impulsores de pantalla para obtener una visualización tipo barra, con todas las corrientes LED activas fluyendo a través del pin impulsor actualmente activo. Con los valores de los componentes que se muestran, este circuito tiene una sensibilidad de escala completa de 10 V y proporciona una corriente de excitación LED de 16 mA.
FIGURA 19. Este circuito básico de medidor de VU muestra una pantalla tipo barra, con un drenaje de corriente tipo punto.
Los circuitos básicos de las Figuras 17 a 19 LM3915 y LM3916 se muestran accionados directamente desde entradas de señal de CA, y esta técnica es adecuada en muchas aplicaciones.
En los casos en que se requiera que la pantalla se relacione específicamente con los valores pico (RMS) o promedio del voltaje de entrada de CA, esto se puede lograr interponiendo un circuito convertidor de CA-CC adecuado entre la señal de CA y el terminal de entrada del pin 5 del LM3915 o Circuito integrado LM3916. Muchos circuitos adecuados se publican en manuales de aplicación de amplificadores operacionales y libros de referencia de circuitos y enciclopedias, etc.
UN CIRCUITO DE IMPULSOR DE ALARMA POR EXCESO DE RANGO
Para concluir este artículo, la Figura 20 muestra una forma sencilla de instalar un interruptor de sobrerrango de activación de alarma en un circuito de indicador de activación LED de la serie LM3914 tipo barra.
FIGURA 20. Un circuito controlador de alarma de sobre rango, para uso con pantallas tipo barra.
Aquí, el transistor pnp Q1 está conectado entre el riel de suministro positivo del LED y el riel de 0 V, con su base conectada al pin 10 del IC (que impulsa el LED10) y con una unidad de alarma autónoma conectada en serie con su colector. Normalmente, el LED10, Q1 y la alarma están todos apagados, pero si el LED10 se enciende, tira de Q1, lo enciende a través de R2 y, por lo tanto, activa la unidad de alarma, lo que indica la condición de 'sobrerrango'.
En este circuito, la unidad de alarma puede tomar la forma de una unidad de sirena piezoeléctrica que genera un sonido de alarma acústica, o una unidad de interruptor astable con compuerta que cambia repetidamente el brillo del LED entre niveles alto y bajo bajo la condición de sobrerrango, o puede ser una combinación de ambas unidades. Si lo desea, la unidad puede activarse mediante cualquiera de los LED de la pantalla, en cuyo caso, la alarma se activará cada vez que se encienda ese LED o cualquier LED superior.
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