Voltímetro/Amperímetro con CA3162E
INTRODUCCIÓN
Este proyecto muestra la construcción de un voltímetro/amperímetro con la pareja de integrados CA3161E(el conversor BCD a 7 segmentos) y el CA3161E(el conversor analógico a digital(A/D) con salida BCD). Antes de nada comentar que estos integrados ya están en desuso, son bastante antiguos, yo los encontré ordenando unas cajas de componentes y recuerdo que los utilicé para un termómetro que montamos antaño en el instituto. Ahora vamos a darle otra utilidad, y que mejor que un práctico voltímetro/amperímetro que nos pueda servir para acoplarlo a una fuente de alimentación regulable que espero construir en otra ocasión.
Aunque como digo son integrados ya obsoletos, esto es lo de menos pues la base de este circuito es un conversor A/D del cual puedes buscar otras alternativas a los integrados propuestos. Lo interesante de este montaje es el circuito de adaptación para que funcione como voltímetro o amperímetro con el mismo conversor, ya que lo que es el conversor A/D en sí se obtiene de la hoja de datos que proporciona el propio fabricante pero ahí no indica luego como utilizar las entradas conversoras(patillas 10 y 11), tan sólo que funcionarán entre un rango de -99 a 999mV y luego cada uno ya se busca la vida para trabajar entre esos valores según la funcionalidad que se busque.
Otro de los motivos para construir este proyecto es probar un nuevo software que he conocido, Fritzing, el cual te permite diseñar un circuito y crear el montaje en una placa protoboard y en PCB(placa de circuito impreso), por lo que montaremos el circuito en ambos escenarios. Fritzing tiene la característica de que cualquier cambio realizado en alguno de los tres escenarios, repercute inmediatamente en los demás, aunque yo recomiendo modificar siempre el diseño esquemático y luego revisar el de la protoboard y el PCB.
El montaje en protoboard es necesario para la adaptación del circuito y dar los valores finales a los componentes, nos facilita mucho el trabajo hasta llegar al circuito final. Una vez que tenemos el circuito funcionando en la protoboard crearemos su diseño en PCB.
CARACTERÍSTICAS
El circuito se debe de alimentar con una tensión de 5V y consume cerca de los 150mA. Para mantener la estabilidad en la medición es recomendable que la fuente de alimentación del circuito sea independiente de la fuente que se utilice como suministro para la carga.
Consta de tres displays LED de tipo ánodo común. Mediante un conmutador triple seleccionamos si queremos medir voltios o amperios. No hay ninguna escala de selección de rango. En modo voltios el LED del punto del segundo display está fijo para separar las unidades de las decenas, por lo que podemos medir un rango de 0 a 99V mostrados por los dos primeros displays, y una resolución de décima de voltio dada por el tercer display. En amperios el LED del punto se apaga y tenemos un rango de 0 a 999mA, es decir, 1A prácticamente.
En mi caso el voltaje que puedo aplicar como máximo queda limitado a 35V debido al condensador C1 que he puesto el cual no soporta más tensión, algo que no me preocupa pues la fuente variable a la que le pienso acoplar el voltímetro utilizará un transformador de 18VAC y 1A.
En cualquier caso nos quedamos con la idea de que la tensión a medir queda limitada por la que soporte el condensador C1.
DISEÑO ESQUEMÁTICO
El esquema base del conversor A/D(Analógico/Digital) se obtiene de la hoja de datos del CA3162E al cual se le han realizado los siguientes cambios. El condensador C3 se ha puesto de 330nF en vez de 270nF, simplemente porque era el valor que teníamos a mano y tampoco vemos que haya influido en el funcionamiento. La resistencia variable R7 se utiliza para ajustar el valor a cero del display, el fabricante pone un valor de 50K pero con ese valor se tenía poca precisión para el ajuste, en cuanto girabas la resistencia o te pasabas o te quedabas corto. En su lugar se ha cambiado esta resistencia por una de 4K7 en serie con dos de 22K para mantener aproximadamente el valor de los 50K(22+4,4+22=48,7), con esto obtenemos una mejor sensibilidad para ajustar el valor a cero del display.
Las etiquetas “s1a1”, “s1c1”, etc... sirven para enlazar las conexiones con los conectores J1, J2 y J3 ya que estos en sí no forman parte del circuito, es decir, en un diseño esquemático no hace falta poner conectores pues no aportan funcionalidad alguna para entender el funcionamiento pero si queremos crear el PCB hay que ponerlos aunque sea de forma aislada para que luego aparezcan en el diseño en PCB y los podamos rutear.
DISEÑO EN PROTOBOARD
Aunque el Fritzing ofrece la posibilidad de dibujar el diseño en protoboard podemos comprobar que en cuanto el circuito es algo complejo esta funcionalidad pierde su utilidad pues se crea un diseño algo confuso. En mi caso realmente me basé directamente en el diseño esquemático para montar el circuito físico en la protoboard. El diseño en protoboard con el Fritzing lo hice después para probar el programa y puedo decir que casi fue más difícil realizarlo con el Fritzing que el montaje físico ya que era complicado realizar las conexiones sin que hubiera confusión del agujero dónde van conectadas por lo que al final el conexionado no corresponde exactamente con el que yo monté, el cual podemos ver en la siguiente imagen:
Los cables azules del lado derecho corresponden a la alimentación de 5V para el voltímetro mientras que con las pinzas de cocodrilo le suministraba una fuente de tensión variable para comprobar su funcionamiento. Se puede observar que no llegué a conectar las clemas ni el conmutador en la protoboard, por eso en el diseño en el fritzing se observan que están “al aire”. Las clemas realmente no hacen falta, para eso está la protoboard y simplemente con cables conectas donde quieres pero sí fue un grave error no probar el conmutador ya que en un primer diseño creía que con un conmutador doble valía, esto lo simulaba en la protoboard simplemente cambiando los cables de posición, pero luego resultó que necesitaba un conmutador triple. El problema fue que me di cuenta de esto cuando ya monté físicamente la placa PCB y vi que no funcionaba. Por no volver a crear otra placa y viendo que el cambio era mínimo para conectar un conmutador triple tuve que hacer alguna “ñapa” como veremos más adelante.
Un problema de las placas protoboard es que hay que tener mucho cuidado con los contactos, es decir, a veces, no se produce contacto entre el cable y/o componente al pincharlo o simplemente el contacto es malo y aparece una resistencia óhmica indeseable. La protoboard que utilizé la verdad que es bastante vieja, y comprobé tales condiciones simplemente midiendo tensión entre diferentes puntos de una misma pista, tenía diferencia de varias décimas de voltio, por lo que tuve que reforzar la pista tirando más de un cable en algunos puntos para evitar estos desajustes.
Por la misma causa también me pasó algo extraño con las resistencias R5 y R6. En la protoboard inicialmente sus valores fueron de 39K y 47K, con estos valores podía ajustar sensiblemente el valor a cero actuando sobre R7 pero al montar la PCB me pasaba que llegaba al final del recorrido de la resistencia variable R7 y todavía no había alcanzado el 00.0 en el display. Finalmente probando con dos resistencias de 22K el valor 00.0 lo consigo prácticamente con la resistencia R7 en su punto medio, posición que parece algo más lógica.
Otra de las cosas que comprobé es el comportamiento frente a la temperatura. Sabemos que la temperatura influye mucho en el funcionamiento de los componentes electrónicos, pues bien, inexplicablemente en la protoboard tenía diferencia de hasta un voltio en la medición. Por ejemplo yo dejé el voltímetro ajustado a 00.0. Al día siguiente al encender el circuito en frío el display marcaba 00.9 y observé como, sin hacer nada, en cosa de media hora el valor fue bajando hasta quedar en 00.0, incluso comprobé como al aplicar una corriente de aire caliente con un secador, la oscilación era inmediata e incluso de 00.0 pasaba a valores negativos como -00.1 y más.
Afortunadamente este comportamiento tan extremo dejó de darse al montar el circuito en la PCB. Ahora al conectar el circuito el display muestra 00.1 y en cosa de un minuto pasa a 00,0. Probando a calentar el circuito con aire caliente pasa a -00.1, por lo que ya parece que no es tan sensible a la temperatura y nos mantenemos en un error de mas/menos una décima, algo aceptable para el uso que le quiero dar.
DISEÑO EN PCB
Decidí limitar el tamaño de la placa a 50x70mm, un tamaño bastante ajustado para el número de componentes que se tienen, teniendo en cuenta que el diseño luego se va a realizar a mano mediante rotulador indeleble, además el diseño es a doble cara, algo que complica un poco el montaje pero facilita el ruteado, aún así se puede observar que se han utilizado gran cantidad de “vías”(puentes entre las dos caras) para sortear los cruces entre pistas. Cuando se realiza un circuito a doble cara hay que tener en cuenta que no todos los componentes permiten la soldadura por la capa superior, por ejemplo las clemas obligatoriamente tienen que estar soldadas por la cara de soldadura ya que por arriba es imposible introducir el soldador. En cualquier caso cuando se realiza un circuito a doble cara hay que evitar el uso de pistas en la capa de componentes.
El conmutador como va exteriormente no está integrado en la placa. Desconozco la forma si es que se puede para evitar que aparezca en el PCB ya que si lo borramos Fritzing también lo borra del diseño esquemático. Obviamente las pistas que se han dibujado hacia él no existen, simplemente se han dibujado para comprobar que el fritzing indica que el ruteado está al 100% y no se nos a olvidado por otro lado dibujar alguna pista.
El ruteado del diseño se ha realizado manualmente. Es un proceso más laborioso pero es la forma de obtener un diseño óptimo y a medida, en cualquier caso Fritzing ofrece la posibilidad del ruteado automático, aunque igualmente siempre toca retocar algo a mano.
En el diseño se observan tres clemas. J1 se utiliza para la alimentación del circuito a 5V. J2 para la entrada de la tensión a medir y proporciona la masa “virtual” proveniente de la resistencia R4 para poder medir intensidades. En la primera versión que hice esta clema tenía 4 contactos y J3 cinco contactos. En J2 se utilizaban dos como la entrada de la tensión a medir(negativo y positivo) y dos como salida(la masa virtual comentada y el mismo positivo) pero debido al fallo en la elección del conmutador y no disponer más espacio para otro contacto, tuve que dejar esta clema en tres contactos eliminando un positivo de salida del cual podía prescindir y ceder ese contacto a la clema del conmutador triple ya que este necesitaba ahora 6 contactos.
Para crear el PCB primero realicé los taladros. Imprimí la cara de pistas para utilizarla de plantilla para marcar con un punzón la posición de los taladros:
Los taladros los hice con una Dremel en su correspondiente soporte. Luego con una broca de dos milímetros con las propias manos girándola un par de veces repasé los taladros por ambas caras para eliminar las rebabas. Luego corté la placa a la medida, lo podía haber hecho antes pero para realizar los taladros me vino mejor tener más superficie por donde agarrarla, la verdad es que los taladros quedaron bastante alineados:
No todos los taladros tienen el mismo diámetro, es importante ajustar el diámetro al tipo de componente que se va a introducir, sobre todo si nos vemos obligados a pasar pistas entre pines cualquier décima que podamos ganar nos vendrá muy bien. El problema que encontré es que el cabezal de la Dremel que tengo no agarra brocas de menos de un milímetro por lo que me vi en la obligación de hacerlos todos igual a excepción de las clemas y resistencias variables que eran de 1,2mm.
A la hora de dibujar las pistas tuve un pequeño fallo, no utilicé un rotulador indeleble correcto, yo ya sabía que no vale cualquier indeleble para estas tareas, pero el ansia por terminar la placa me hizo conformarme con el que tenía por casa para etiquetar los CDs así que a la hora de meter la placa en el cloruro férrico la tuve que sacar un poco antes de lo normal por que veía que la tinta ya se estaba quitando y por eso me quedaron algunas manchas de cobre incluso algunas pistas que tuve que separar rascando con una cuchilla, aún así lamentablemente las pistas se vieron afectadas así que tuve que estañarlas para que quedaran reforzadas, finalmente el montaje terminado se muestra en la foto:
Y la cara de pistas:
Desde luego la placa no ha quedado muy vistosa, comparándolas con las fabricadas industrialmente se ve realmente cutre, pero es lo que tiene dibujar a mano alzada, en cualquier caso el funcionamiento va a ser el mismo que es lo que importa. Ahora que tengo impresora laser tengo que probar el método de transferencia del toner a la placa, de manera que se consigue un serigrafiado perfecto, pero esto en otra ocasión.
En la cara de pistas se observa un cable que tuve que soldar para solucionar el problema de poner un conmutador triple. También se ve que una de las resistencias variables la tuve que poner en esta cara ya que no era del tamaño mostrado en el PCB y no entraba en la cara de componentes, pero esto sí lo tuve en cuenta en el diseño del PCB, por eso tiene unas pistas y unas vías dibujadas estratégicamente para poder soldar la resistencia variable por la cara de componentes.
FUNCIONAMIENTO
La conversión A/D se realiza por medio de las patillas 10 y 11 del integrado CA3162E. La patilla 10 está conectada a masa para tener una referencia de cero votios por lo que sólo se actúa sobre la patilla 11. En esta patilla los valores de tensión válidos son -99mV a 999mV, y estos valores son los que mostrará el display. Para valores menores a -99mV se muestra el valor “---” y para valores mayores a 999mV se muestra “EEE”. Nosotros no vamos a trabajar con valores negativos por lo que los valores de conversión estarán entre 0 y 999mV, es decir 1V aproximadamente. Podemos decir que el conversor A/D es capaz de dividir un voltio entre mil y detectar las variaciones. En resumen tenemos un rango de 1V con una resolución de 0,001V.
Lo interesante ahora es adaptar esos valores a nuestras necesidades, queremos un rango de 100V(realmente 99, los dos primeros displays) con una resolución de décimas(el tercer display). Por ejemplo, cuando en la patilla 11 haya 125mV significa que estaremos midiendo una tensión de 12,5V o para 999mV(el valor máximo) significa que estaremos midiendo 99,9V. Comprobamos que la relación es simplemente una división por 100(99,9V / 100 = 0,999V = 999mV). En el circuito esto se consigue con el divisor de tensión formado por las resistencias R1 y R2. Si bien con el conmutador de cuatro posiciones es difícil verlo, si simplificamos el circuito queda el siguiente esquema:
Vamos a realizar algunos cálculos sencillos para ver cómo obtenemos esos valores y comprobar que tenemos la relación deseada. Tranquilos, las matemáticas tampoco son mi fuerte, sólo utilizaremos la imprescindible ley de Ohm.
Partimos sin conocer R1 y R2. Empezamos fijando un valor de prueba para V1, por ejemplo 10V, significa que el display tiene que mostrar “10.0” lo que significa que en la patilla 11 tiene que haber una tensión de 100mV(0,1V), esto es la tensión de R2 y por tanto R1 tiene que tener una tensión de 9,9V ya que la tensión total tiene que ser la que hemos establecido de 10V.
V = V1 + V2 = 10V = 0,1 + 9,9V Nos siguen faltando dos incógnitas, el valor de las resistencias y la corriente. Aquí podemos optar por dos caminos, establecer una corriente de prueba o el valor de la resistencia total. Elegimos el valor de la resistencia total, para ello establecemos un valor alto, los voltímetros cuanto mayor impedancia mejor, tomamos por ejemplo 100K calculamos entonces la intensidad que corre por el circuito:
V V1+V2 10v I = --- = ------- = ------ = 0.1mA R R1+R2 100K Ahora ya podemos calcular el valor de las resistencias:
9.9v R1= ------ = 99K 0.1mA
0.1v R2= ------ = 1K 0.1mA Ahora que tenemos los valores de las resistencias probamos con otro ejemplo pero a la inversa para ver que se cumple la relación, por ejemplo si tenemos una tensión de 19V:
V 19v I = --- = ------ = 0.19mA --> V2 = I·R2 = 0.19mA·1K = 190mV R 100K Es decir el display muestra 19.0
En el caso de medir amperios tenemos el siguiente circuito ya simplificado:
En este caso no existe ningún divisor de tensión, lo que se hace es aplicar directamente por medio de R1 la caída de tensión de R4 que al estar en serie con la fuente de alimentación dependerá de la carga que se conecte. Los cálculos en esta ocasión son más fáciles. Partimos de que no conocemos el valor de R4 pero queremos que si circula una corriente de por ejemplo 200mA el display muestre 200 por lo que en la resistencia tienen que caer 200mV, es obvio entonces que el valor tiene que se de 1 ohmio para cualquier valor de corriente que probemos:
R= V / R = 200mA / 200mV = 1 Ohm Lo que sí es importante es la potencia de esta resistencia ya que por ella en el peor de los casos la vamos a someter a corrientes de 1A, lo que significa que en ella caerá una tensión de 1V, su potencia por tanto debe ser de al menos:
P = I · V = 1A · 1V = 1Watio. Este circuito en realidad tiene un pequeño fallo, la resistencia R4 realmente sólo se utiliza para poder medir los amperios, si sólo se quisiera montar un voltímetro se podría prescindir de ella, el caso es que al poner esta resistencia entre la salida de la fuente y la carga se provoca que la tensión que está midiendo el voltímetro sea distinta de la que realmente se aplica a la carga ya que como hemos visto al circular corriente por ella se produce una caída de tensión. Esta caída de tensión depende de la corriente que circule por lo que en el peor de los casos si llegamos a 1A tendremos 1V, lo que significa por ejemplo que si el voltímetro mide 5V en realidad a la carga le llegan 4V ya que el otro voltio cae en la resistencia R4. Ese es el caso extremo, para corrientes de unos 200mA o 300mA tendremos una diferencia de 0,2V y 0,3V.
Para compensar la caída de tensión en la resistencia R4 y obtener una media real de la tensión aplicada a la carga, podemos falsear la lectura que se está midiendo ajustando la resistencia variable R8 para que el display muestre un valor algo inferior al que realmente mide el conversor A/D. Con esto conseguiremos una media real de la tensión en la carga, el problema es que el desfase lo trasladamos al modo amperímetro de modo que con corrientes de unos 500mA he comprobado que hay una diferencia de unos 5mA menos respecto a la corriente real(505mA), a menos amperaje menor desfase, igual que pasaba antes con la tensión, pero prefiero tener este pequeño desfase en la medida de corriente que en la de tensión.
AJUSTE
Si somos minuciosos con el ajuste se puede conseguir una medida exacta tal como nos muestra un voltímetro comercial. Lo primero que hay que tener en cuenta es la elección de las resistencias R1 y R2 que como vimos forman el divisor de tensión para obtener una proporción correcta de la tensión de origen. En mi caso para R1 tenía resistencias de 1K con una tolerancia de 1% así que perfecto. El problema es la resistencia de 99K que no es un valor estándar, el valor más cercano que disponía era de 100K con una tolerancia del 5%, esto significa que el valor real puede oscilar entre 95K y 105K, y en realidad esto fue una ventaja ya que midiendo con el polímetro entre todas las resistencias que tenía encontré una con un valor muy próximo a 99K.
Para el ajuste necesitaremos un polímetro con que poder comparar las mediciones, una fuente de tensión variable, o en su defecto dos orígenes de tensión distintos uno pequeño, 5V por ejemplo y uno grande 20V, para comprobar que la medición no varía según va aumentando. También necesitaremos una carga que soporte al menos 500mA, si es más mejor. Con “carga” me refiero a algo que conectemos a la salida que tenga ese consumo, en mi caso tenía resistencias que soportan esa potencia, pero en otras ocasiones bombillas suelen ser buenas candidatas, eso sí, tienen que soportar la tensión que vallamos a meter para no fundirlas. No recomiendo utilizar motores ya que provocan fluctuaciones. Con la resistencia de carga comprobaremos la medida de corriente.
Mediante las resistencias R7 y R8 se realiza el ajuste. Mediante R7 se ajusta la puesta a cero del display, es decir, que cuando tengamos 0V el display muestre "00.0". Mediante R8 se ajusta la pendiente, es decir, que según aumentemos la tensión mantengamos la linealidad de la medición y no mida ni más ni menos tensión de lo debido.
El primer paso es poner las resistencias R7 y R8 en sus puntos medios. Conectamos ahora la carga pero no la tensión a medir. Giramos R7 hasta que veamos valores negativos en el display, por ejemplo “-0.4”, entonces empezamos a girar R7 hasta que alcanzamos el "00.0" y se mantiene fijo prácticamente sin oscilación. De esta manera nos aseguramos que hemos alcanzado el 0 por abajo, y tendremos un error mínimo de centésimas. Las centésimas corresponderían al cuarto display que no tenemos, por ejemplo “00.03”, si buscamos el cero por arriba el error sería más grande, por ejemplo “00.08”. Conectamos ahora una tensión baja, por ejemplo 5V y ponemos el polímetro a la salida, es decir, en la carga, ajustamos entonces R8 para que el display muestre la misma tensión que el polímetro. Aumentamos ahora la tensión a 20V y volvemos a ajustar R8 para que el display muestre lo que mida el polímetro. Al ajustar R8 se puede desajustar la puesta a cero por lo que hay que volver a repetir el proceso desde “Girar R7 hasta que veamos valores negativos...”. Con repetir el proceso tres veces como mucho debería quedar perfecto.
Con ajustarlo en el modo voltaje es suficiente, la medida en modo amperímetro debería ser correcta, teniendo en cuenta el pequeño desfase comentado según aumenta la corriente. Se podría hacer el mismo ajuste pero sin la carga conectada entonces se comprobaría que las medidas de corriente ahora son mas exactas pero entonces la tensión en la carga es algo menor.
DESCARGAS
Lamentablemente durante la elaboración de este documento eliminé el fichero del proyecto realizado con el Fritzing, ¡torpe de mi!. Menos mal que para entonces al menos ya había sacado los pantallazos de los esquemas principales, es lo único que puedo ofrecer, están en formato "png".
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