Hola a todos y bienvenidos a este nuevo post!
Uno de los proyectos más atractivos para los hobbystas y electrónicos son aquellos que tienen una utilidad práctica una vez montado. Lo que hoy vengo a ofrecerles no es la excepcion, ya que con solo unos pocos semiconductores y algunos componentes pasivos podremos montar un instrumento de medicion de gran fiabilidad, que puede servir como base para muchisimas aplicaciones prácticas. Tal y como dice el titulo, haremos un voltimetro digital casero! Al final del post les daré unas cuantas ideas sobre las posibles utilidades prácticas para este instrumento, asique si les interesa aprender como funciona y cómo montarlo, los invito a leer este artículo. Comenzamos!
La parte esencial de este circuito es el integrado de la empresa Intersil, el ICL7107, que viene en encapsulado DIP40, ideal para montajes de aficionado, aunque adicionalmente se ofrece en encapsulado SMD, el MQFP de 44 pines.
Este integrado es un Conversor Analógico-Digital (ADC) con una resolución de 2000 cuentas. Mide con gran precisión tensiones de hasta 200mV (0,2V) alguno puede pensar "valla porqueria de rango, yo necesito medir 20, 70 o 500v". Pero no desesperen, mas adelante veremos como podemos aprovechar este chip para medir la tensión que necesitemos.
Con muy pocos componentes externos tendremos todo lo necesario para poder controlar de forma segura Displays de 7 segmentos de Ánodo común, con el cual podremos obtener la lectura de la tensión a medir. La lectura máxima es de 1999 y el integrado es capaz de medir tensiones negativas.
DIAGRAMA ESQUEMÁTICO
El circuito podemos dividirlo en dos partes: La fuente y el Circuito Conversor. Empecemos por la fuente.
Un aspecto que a muchos les hace dar marcha atras con este proyecto es el hecho de que el integrado necesita de una fuente simétrica para funcionar correctamente, es decir, tension posiva y negativa respecto a los 0v o masa (GND). Si bien podriamos usar un transformador con tap central, puente de diodos, filtros y reguladores para lograr dicha fuente, yo he decidido realizar un arreglo más sencillo para este proyecto:
La forma mas "sencilla" segun el datasheet del integrado es usar el chip 7660, el cual genera una tensión negativa de -5V, me consta que hay muchos sitios o regiones donde escasea este integrado, el cual tampoco suele ser el más económico. Por tal motivo he recurrido a una alternativa mucho mas viable, con componentes baratos y fáciles de conseguir.
Para nuestra fuente simetrica lo que utilizaremos es un simple amplificador operacional y una etapa push pull con transistores. Pasaré a explicar cómo trabaja esta fuente.
Podemos ver tenemos en su entrada no inversora (+) un divisor resistivo a cargo de R7, R8 y VR2, con el cual obtendremos nuestra tensión de referencia para la fuente, la cual deberá ser exactamente la mitad de la tensión con la cual alimentaremos el circuito (ejemplo, si utilizamos 10V, en el punto central deberá haber 5v). Como no podemos fiarnos de la tolerancia de las resistencias (aun con resistores de precision podemos tener alguna diferencia que descalibraria esta tensión) he incluido el trimmer VR2, para poder ajustar de forma manual el punto exacto para obtener el mejor desempeño de esta fuente.
Ya tenemos nuestra tension de referencia. Por otra parte tenemos la salida del Op-Amp conectado a una etapa push-pull con transistores, la cual se va a encargar de proveer la corriente que necesita el circuito para operar. D1, D2, R10 y R11 generan los puntos óptimos de polarización para la base de los transistores empleados a la salida.
Pero ahora bien, ¿como sabe el circuito que a su salida tiene la tensión simétrica correcta? Muy sencillo, podemos ver que tenemos la resistencia R9 conectada desde la entrada inversora (-) al punto central de ambos transistores, sus emisores. Dado que este punto es el que hemos seteado como los 0v o GND, el circuito estará constantemente censando la tensión en dicho punto. En caso que el voltaje presente sea mayor a la mitad de la tensión de fuente, entrará en conducción el transistor Q2, lo cual hará que la tensión disminuya. Por el contrario, si la tensión fuese menor conducirá Q1, haciendo que esta tienda a subir. De esta manera, independientemente de las variaciones de corriente en el circuito, la fuente podrá autorregularse y de esta manera proveer una tensión estable al circuito del voltimetro.
Si bien el circuito no consume mucha corriente, el hecho de usar estos transistores es porque se calientan cuando conducen para mantener el punto de equilibrio de los 0v, y en caso de utilizar un pequeño transistor TO-92, este se quemaria por exceso de temperatura sin dudas.
Adicionalmente tenemos los condensadores C6 y C7 para filtrar cualquier rizado proveniente de la fuente.
Este circuito es muy versatil, pero para nuestro cometido deberemos alimetarlo solamente con una tensión de entre 9 y 10V (Con los cuales obtendriamos +/-4,5v o +/-5v respectivamente)
Ahora que ya sabemos como funciona la fuente del circuito, procedamos a analizar el funcionamiento del voltimetro propiamente dicho.
Como ya hemos visto, utilizaremos el integrado ICL7107 para gobernar displays de 7 segmentos para visualizar la lectura de la tension a medir.
C1 y R1 conforman un oscilador de 48kHz aproximadamente, con el cual el circuito realiza el multiplexado (interno) de los displays y genera una actualización de lectura de 2 - 3 mediciones por segundo.
R2 y C3 forman parte del circuito integrador que internamente tiene el integrado. C4 garantiza la lectura en 000.0v (Auto-Zero) ante la ausencia de tensión de entrada. C2 es el capacitor de referencia que estabiliza la lectura ante variaciones.
El trimmer VR1 y la resistencia R3 la utilizaremos para calibrar la medicion y la precision
Si bien podemos usar las entradas de forma individual para la medicion, he preferido conectar a masa la entrada negativa, con esto logramos una referencia en 0v, y podemos medir tensiones negativas.
Como comenté anteriormente, el fondo de escala del integrado es de solo 200mV. Ahora bien, como hacemos si queremos medir tensiones más elevadas? Muy sencillo! Emplearemos un simple divisor resistivo, a cargo de R4 y R5. Con los valores empleados en el circuito podremos medir tensiones de hasta 200v (199.9v). El condensador C5 simplemente filtra cualquier posible ruido proveniente de la tension a medir y la resistencia R6 es simplemente para encender el punto decimal de DS2 y tener un decimal de resolucion.
Por último tenemos los displays conectados al integrado con todos sus segmentos por separado. Dado que el integrado posee limitadores de corriente interno, no es necesario conectar resistencias en serie a cada segmento. El integrado tiene un pin de POL (polaridad) que se enciende al medir una tension negativa (en este caso enciende el segmento G de DS4)
Ahora que ya tenemos claro como funciona nuestro circuito, procedamos a ver el diseño del circuito impreso
El diseño del circuito impreso fue realizado en Proteus 8 Professional. Lo utilizo para prototipos simples ya que cuenta con una amplia galeria de componentes, y tiene la interesante opcion de simular la placa en 3D para una vista mas real de la misma.
El PCB es realmente de dimensiones muy reducidas (85mm x 50mm aprox) y el diseño es en simple faz, para mayor facilidad en su revelado. Por tal motivo podemos ver que los displays no estan colocados del lado de los componentes, sino del lado de las soldaduras. Con esto no solo logramos un pcb de reducido tamaño, sino que facilita su montaje y su instalación como medidor de panel.
En la descripcion del video tutorial que encontrarán al final de post, tienen para descargar totalmente gratis el diseño del circuito impreso a escala listo para transferir por el metodo de planchado. Además tendrán la lista de componentes y una util guia de ensamble para no tener problemas con el montaje.
REVELANDO EL PCB
Una vez tengamos impreso nuestro archivo procedemos a transferir el lado de las pistas en la placa de cobre virgen. En este caso he utilizado fibra de vidrio (epoxi) pero tranquilamente pueden utilizar baquelita. He perforado todos los pads previo al atacado con acido porque la mecha utilizada era levemente de mayor diametro que la recomendada. Por tal motivo perforé primero, ya que de haber quedado algun pad con muy poco cobre podia realizar una correccion con ayuda de un marcador permanente.
Habiendo revelado las pistas y transferida la máscara de componentes tenemos listo nuestro PCB para comenzar a insertar y montar los componentes.
Como pueden ver, pese a que el diseño posee detalles muy finos, ha sido revelado a la perfección con el método de planchado sin mayores complicaciones. Recomiendo limpiar bien la tarjeta y darle un baño de flux para evitar la oxidación de las pistas de cobre.
Por cierto, si eres nuevo en el mundo de la electrónica y quieres a realizar un circuito impreso en casa, a continuación de dejo tanto el artículo escrito como el video tutorial donde te explicaré el proceso paso a paso, verás que es muy sencillo!
LISTA DE COMPONENTES
Resistencias (todas 1/4w)
-R1 100k
-R2 47k
-R3 22k
-R4* 1k2
-R5 1M
-R6 560
-R7; R8; R9 10k
-R10; R11 5k6
-VR1 100k [104] Trimmer Multivuelta
-VR2 1k [102] Trimmer Multivuelta
Capacitores
-C1 100pF [101]
-C2; C5 0.1uF [104]
-C3 0.22uF [224]
-C4 0.47uF [474]
-C6; C7 100uF/16V
Semiconductores
-D1; D2 1N4148
-Q1 BD135 o BD137
-Q2 BD136 o BD138
-U1 ICL7107
-U2 LM741
-DS1; DS2; DS3; DS4 Displays 7 Segmentos Ánodo Común
Varios
-Placa virgen de 90mm x 55mm aprox.
-Base para integrado de 40 pines
-Base para inegrado de 8 pines
-Bornera de dos terminales (x2)
-Totnillos y tuercas M3 y separadores de nylon de 10mm
-Fuente de alimentacion de 9 o 10v de 250mA min.
*R4 determina el rango del voltimetro. con 1k2 el fondo de escala es de 200v (199.9v). Con 12k seria de 20v (19.99v) y con 120k de 2v (1.999v) Si varia el valor deberá cablear mediante una resistencia de 560 ohms a GND el punto decimal que corresponda a la escala utilizada.
Si bien es posible medir mas alla de 200v variando el divisor de tension, no lo recomiendo pues el PCB no posee la debida aislacion entre las pistas y GND para medir tensiones muy elevadas. Esto podria generar arcos voltaicos que sin duda quemarian el instrumento.
MONTADO EL PCB
Comenzaremos montando los componentes de menor altura, en este caso las resistencias y los diodos. Guiándonos por la guía de ensamble y la máscara de componentes vamos insertando y soldando en su sitio una a una las resistencias. Estas no poseen polaridad, sin embargo recomiendo montarlas a todas orientando la banda de tolerancia en la misma dirección. Esto no solo facilita la lectura de su valor,sino que da una muy buena apariencia. Los diodos si poseen polaridad, la tienen claramente marcada en la máscara de componentes.
Con los pines sobrantes de las resistencias deberemos soldar los puentes. Es importante hacerlo antes de soldar los demás componentes, ya que al menos uno de los puentes queda justo debajo de un zócalo. Sean prolijos y hagan buenas soldaduras.
NOTA: Pueden ampliar la imagen para ver con mayor detalle el montaje de cada componente.
Continuamos soldando todos los condensadores cerámicos y de poliester. Seguidamente los electrolíticos. Estos tienen una banda gris que determina su polo negativo. Instalamos los trimmers (solo entran en un solo sentido, ya que sus pines son asimétricos). Para los integrados es importante utilizar zócalos, los cuales poseen una muesca que muestra su sentido de instalación.
Las borneras debemos ensamblarlas entre si antes de instalarlas para que queden compactas y juntas. Los transistores deberemos soldarlo con intervalos de al menos 20 segundos entre cada pin, con esto le evitamos estrés térmico al mismo. Asegúrense de haber soldado cada componente donde corresponde y que no hay pistas colisionadas con soldadura.
Los displays se sueldan del lado de las pistas. Simplemente hacemos coincidir los pines con los pads del pcb y alineandolo lo mejor posible procedemos a soldar todos sus pines. Al final obtendremos un resultado similar a este:
En este punto ya tendriamos terminado el montaje. Solo nos queda calibrarlo. Procedo a explicar el proceso, pero para mayor claridad los invito a ver el video al final del post, alli lo tendrán perfectamente documentado.
1-Insertamos el integrado LM741 en su zócalo (no deberemos poner de momento el ICL7107)
2-Alimentamos el circuito con una fuente de entre 9 Y 10v DC en las borneras marcadas como "0v"y"10v".
3-Con un multimetro medimos la tension con la cual estamos alimentando el circuito. En mi caso serán 10.00v.
4-Ahora medimos entre los 10v y la MASA del circuito (pueden tomarla del terminal IN-) Deberemos obtener una lectura igual a la MITAD de la tension de alimentación (es decir, 5v)
5-En caso de obtener una lectura diferente (ejemplo, 4.6v) actuaremos con un pequeño destornillador sobre el trimmer VR2 para obtener la lectura deseada.
6-Ahora medimos entre los 0V y la masa del circuito, el voltaje deberá ser lo más simetrico posible, es decir, lo mas cercano a -5v en este caso. De no ser asi volveremos a actuar levemente sobre el trimmer, hasta lograr el punto de equilibrio donde tanto la tension positiiva y negativa sean totalmente simétricas.
Hecho esto ya tenemos nuestra fuente correctamente calibrada.
Por último deberemos instalar en su zócalo el integrado ICL7107 sin equivocarnos en su sentido de ubicación. Volvemos a alimentar el circuito y verificamos que enciendan los displays y que todo funcione correctamente. Hecho esto solo queda calibrar la medición de tensión del instrumento.
El proceso para calibrar el medidor es muy sencillo. Una vez alimentado el circuito, procedemos a conectar una fuente de tension DC entre las entradas Vin+ y Vin-. Pueden usar una pila, una batería, un cargador USB, etc. El asunto es emplear una tensión que sea independiente del voltaje de alimentación del medidor.
Debemos medir con un mutimetro la tensión exacta y contrastarla con la que mide el voltimetro casero. En caso que la tensión fuese distinta a la que mide el multimetro, actuaremos sobre el trimmer VR1 para acercar la medición hasta que mida lo mismo que el tester. Hecho esto ya tenemos calibrado el instrumento.
Dado que estamos usando un divisor resistivo para la entrada de tensión, la medición será muy lineal en todo el rango del voltimetro.
Y ya tenemos completamente terminado nuestro voltimetro! con él podremos medir tensiones continuas en un rango que va de -199.9v a +199.9v. Este es un espectro muy útil para la mayoría de las aplicaciones prácticas, siendo la más recomendable su uso para una fuente de laboratorio variable.
Si modificamos el rango de medicion a 200mV podemos inclusive utilizar el instrumento en conjunto con un sensor de tempertura y realizar asi un útil termómetro digital. Otro uso muy recurrente es para las resistencias de carga, para medir la caida de tension en un determinado dispositivo.
Si es de su interés en el futuro podemos llegar a realizar una segunda version. Con más de un rango de medición y con alguna función adicional. También optimizariamos el PCB para que sea aún más compacto y de ajuste mejor a lo que podria ser un medidor de panel.
Por último comentarles que también se puede usar este circuito para realizar un sencillo pero util amperimetro, el cual mediría la caida de tensión en una resistencia de bajo valor. Si es de su agrado puedo emprender el diseño y compartirlo con ustedes en un futuro.
Y bueno gente esto es todo por este aporte, se que fue algo largo pero la idea es que pueda ser montado por todo aquel que tenga básicos conocimientos en electrónica. Como siempre sugerencias y dudas pueden dejarla en comentarios, saben que siempre los leo y respondo.
Espero que les guste este tipo de post con contenido técnico sobre electronica, y si es asi les agradeceria que me lo hicieran saber puntuando y compartiendo con sus amigos.
Por último los invito a ver el video publicado en mi canal de Youtube Kriss Electronics, donde podrán ver el montaje y las pruebas de funcionamiento de este útil instrumento de medicion que, pese a ser casero, tiene una increible precisión. En la descripcion del video tienen el archivo pdf con el circuito impreso listo para transferir, la guia de ensamble y la lista de materiales. Que lo disfruten! No olviden suscribirse!!
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