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 V_th

V_IN+ = Vbat × (R_low / (R_high + R_low)).
Para V_th = 11.5 V, V_ref = 6.2 V: R_low / (R_high + R_low) = 6.2/11.5 ≈ 0.539.
Elige R_high = 10 kΩ → R_low ≈ 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) + R_bias=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)

1. Conecta cátodos LED a salidas LM324, ánodos a VCC vía R (modo "sink": salida LOW enciende LED).
2. Aplica Vbat = nivel más bajo a monitorizar (ej. 10.5 V para batería 12 V). Ajusta P1 hasta LED1 enciende.
3. Aplica 2º nivel (ej. 11.2 V). Ajusta P2 hasta LED2 enciende (LED1 permanece encendido si modo barra).
4. Repite P3 (ej. 12.0 V), P4 (ej. 12.8 V = carga completa).
5. 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)
• R_REF = 1.2 kΩ (pin 7–8) fija corriente LED ∼10 mA
• Divisor entrada: R_high=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: V_HYS ≈ V_OH × (R_in / R_fb).
• 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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