Circuitos Monitor de Voltaje: Guía Práctica con LM339, LM324, LM3915
Los monitores de voltaje comparan una tensión de entrada contra umbrales de referencia para indicar estado (bajo/normal/alto), proteger baterías, disparar alarmas o controlar cargas. Esta guía presenta 4 circuitos progresivos: comparador simple (LM339), barra 4 LED (LM324), bargraph 10 pasos (LM3915) y monitor batería coche (LM324 + buzzer).
1. Monitor Batería Simple con LM339 (Comparador Cuádruple)
El LM339 contiene 4 comparadores de voltaje en encapsulado DIP-14/SOIC-14. Entradas rail-to-rail (hasta VCC−1.5V), salida colector abierto (requiere pull-up), bajo consumo, amplio rango VCC (2–36 V). Ideal para umbral único: alarma batería baja.
Componentes
- LM339 (1 comparador usado, 3 libres)
- Zener 6.2 V / 0.5 W (1N5233B) + R1=10 kΩ (referencia 6.2 V en pin 4 IN-)
- Divisor tensión batería: R2=10 kΩ (arriba), POT=10 kΩ (abajo, pin 5 IN+)
- LED rojo + R=1 kΩ (salida pin 2, pull-up a VCC)
- Buzzer activo 5–12 V + R=100 Ω (opcional, paralelo a LED)
- Batería 9–12 V a monitorizar (ej. 12 V plomo-ácido)
Funcionamiento
- Referencia fija: Zener 6.2 V en IN- (pin 4).
- Entrada variable: Divisor batería → POT → IN+ (pin 5). Ajusta POT para que IN+ = 6.2 V cuando Vbat = umbral deseado (ej. 11.5 V).
- Comparador: Si Vbat > umbral → IN+ > IN- → Salida HIGH (colector abierto → pull-up HIGH → LED OFF). Si Vbat < umbral → IN+ < IN- → Salida LOW (conecta a GND) → LED ON + Buzzer ON.
- Pull-up en salida (R=1–10 kΩ a VCC) necesario para nivel HIGH.
Cálculo Divisor para Umbral Vth
VIN+ = Vbat × (Rlow / (Rhigh + Rlow)).
Para Vth = 11.5 V, Vref = 6.2 V: Rlow / (Rhigh + Rlow) = 6.2/11.5 ≈ 0.539.
Elige Rhigh = 10 kΩ → Rlow ≈ 11.7 kΩ → POT 10 kΩ + fija 1.8 kΩ, o POT 20 kΩ.
2. Monitor 4 Niveles (Barra LED) con LM324 (Quad Op-Amp como Comparador)
LM324: 4 Op-Amps single supply, entrada common-mode incluye GND, salida no rail-to-rail (llega a VCC−1.5V). Usado como comparadores abiertos (sin realimentación) para 4 umbrales crecientes.
Componentes
- LM324 (4 amplificadores A1–A4)
- Zener 3.3 V (1N5226B) + Rbias=1 kΩ (referencia estable baja tensión)
- Divisor resistivo en cascada (R2–R5) desde Vbat → 4 tomas a entradas no inversoras (pins 3, 5, 10, 12)
- 4 LEDs (rojo, amarillo, verde, azul) + 4× R=1 kΩ en salidas (pins 1, 7, 8, 14)
- 4 Potenciómetros 10 kΩ (P1–P4) en entradas inversoras (pins 2, 6, 9, 13) para calibrar umbrales
Calibración (Modo Punto / Dot Mode)
- Conecta cátodos LED a salidas LM324, ánodos a VCC vía R (modo "sink": salida LOW enciende LED).
- Aplica Vbat = nivel más bajo a monitorizar (ej. 10.5 V para batería 12 V). Ajusta P1 hasta LED1 enciende.
- Aplica 2º nivel (ej. 11.2 V). Ajusta P2 hasta LED2 enciende (LED1 permanece encendido si modo barra).
- Repite P3 (ej. 12.0 V), P4 (ej. 12.8 V = carga completa).
- Sella potenciómetros (laca/pegamento).
Modo Barra (Bar Graph) vs Punto (Dot)
- Punto (Dot): Solo 1 LED encendido (el del nivel actual). Cátodos LED a salidas LM324, ánodos a VCC. Requiere lógica adicional (ej. 74HC147 prioridad) o LM3915 nativo.
- Barra (Bar): Todos LEDs ≤ nivel actual encendidos. Conecta todos los cátodos LED a GND directamente, ánodos a salidas LM324 vía R. Salida LOW = LED ON. Más simple, visualmente mejor.
3. Monitor 10 Pasos (Bargraph) con LM3915 (Especializado)
LM3915: Driver bargraph logarítmico (3 dB/paso) o lineal (LM3914) / 10 salidas, rango 1.2–12 V referencia interna, modo barra/punto seleccionable (pin 9), regulador interno, driver LED 10–30 mA programable. Ideal para VU meters, indicadores batería, nivel señal.
Componentes
- LM3915 (DIP-18 / SOIC-18)
- 10 LEDs (barra LED 10 segmentos o discretos)
- RREF = 1.2 kΩ (pin 7–8) fija corriente LED ∼10 mA
- Divisor entrada: Rhigh=10 kΩ, POT=10 kΩ (pin 5 SIGNAL)
- Zener 3.3 V + R=1 kΩ en pin 7 (REF ADJ) para referencia 3.3 V (opcional, ref interna 1.25 V)
- Transistor NPN (ej. 2N3904) emisor-común en pin 1 (LED DRIVER) si LEDs alto brillo >30 mA
Configuración Clave
- Pin 9 (MODE): GND = barra (bar), VCC = punto (dot).
- Pin 7 (REF OUT) / Pin 8 (REF ADJ): Referencia interna 1.25 V. Para rango superior, divide tensión entrada (pin 5) con divisor ajustable.
- Rango 0–12 V (batería 12 V): Divisor 10:1 (Rhigh=90k, Rlow=10k) → pin 5 ve 0–1.2 V. Ajusta POT para calibrar.
- Calibración: Aplica 12 V (carga completa) → ajusta POT hasta LED10 enciende. Aplica 10.5 V (vacía) → LED1 debe encender (modo barra) o ser el único (modo punto).
4. Monitor Batería Coche (12 V) con LM324 + Buzzer Alarma
Adaptación del circuito 2 para entorno automotriz: rango 10.5–14.5 V, protección transitorios (load dump), buzzer alarma baja tensión, LEDs alta visibilidad.
Componentes Adicionales / Cambios
- Entrada: Divisor 10:1 (R=91k + 10k) + TVS 18 V (SMBJ18A) + diodo serie 1N4007 (polaridad).
- Referencia: Zener 3.3 V (más estable que 6 V en auto).
- Umbrales (ajustar P1–P4): 10.5 V (crítico, rojo+buzzer), 11.5 V (bajo, amarillo), 12.6 V (normal, verde), 13.8 V (carga, azul).
- Buzzer: Driver transistor (BC547) desde salida LM324 correspondiente (pin 1 o 7) → buzzer 12 V.
- Alimentación LM324: Desde contacto ignition (12 V switched) + regulador 78L05 → 5 V para LM324 (VCC max 32 V, pero 5 V más ruidoso).
Tabla Resumen: Qué IC Elegir
| Necesidad | IC Recomendado | Por Qué |
|---|---|---|
| 1 umbral, alarma simple, bajo coste | LM339 / LM393 / TL331 | Comparador real, salida open-collector, VCC hasta 36 V |
| 2–4 umbrales, indicación visual barra/punto | LM324 / LM358 (como comparador) | Quad/dual Op-Amp barato, flexible, requiere pull-ups |
| 10 pasos, bargraph logarítmico/lineal nativo | LM3915 (log) / LM3914 (lin) | Driver LED integrado, modo barra/punto, sin componentes extra |
| Precisión alta, histéresis programable, µC | MCP6541 / TLV3201 / AMC1301 | Comparadores rail-to-rail I/O, referencia interna, bajo offset |
| Monitor batería Li-ion / LiFePO4 multicelda | BQ769x0 / BQ77915 / LTC6811 | AFEs dedicados: balanceo, temp, comms, seguridad funcional |
Buenas Prácticas de Diseño
- Desacopla VCC: 100 nF cerámico + 10 µF electrolítico cerca de cada IC.
- Referencia estable: Zener 2.5–5.6 V (mejor coeficiente térmico) + R bias. O referencia serie (TL431, LM4040, MAX6106).
- Histéresis: R feedback salida→entrada+ (1–10% VCC) evita rebote en umbral. Fórmula: VHYS ≈ VOH × (Rin / Rfb).
- Divisor entrada: Impedancia ≤ 10 kΩ para evitar ruido/offset. Usa Op-Amp buffer (voltage follower) si fuente alta Z.
- Protección entradas: Diodos clamp (BAT54 dual Schottky) a VCC/GND si entrada puede salir de rails.
- Temperatura: Coeficiente Zener ∼+2 mV/°C (5–6 V). Para precisión, usa bandgap (LM4040, TL431) o compensa en SW (µC + ADC).
Conclusión
Monitorizar voltaje es fundamental en electrónica embebida, potencia, automoción y energía. LM339 para alarma simple, LM324 para 2–4 niveles flexibles, LM3915 para bargraph 10 pasos "listo para usar". Para producción: integrados dedicados (BQ, LTC, MAXIM) o µC con ADC interno + SW (más flexible, auto-calibración, logging, comms). Siempre valida con carga real y rango térmico completo.
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