Conheça o LM3914
Autor: Jorge Florencio | Publicado: 2011-04-21T09:29:00-03:00


Conheça o LM3914                                     

            
  Um circuito integrado que oferece infinitas possibilidades de  aplicações práticas é o LM 3914 da National Semiconductor. Não se trata  de um componente novo, mas pela sua enorme gama de utilidades está em  pleno uso, e os projetistas que estão em busca de um indicador de barra  ou ponto móvel extremamente versátil podem contar com ele. O LM3914  excita até 10 LEDs com grande precisão necessitando de um mínimo de  componentes externos. Neste artigo explicamos como usá-lo e damos alguns  circuitos práticos.



O circuito integrado LM3914 da National Semiconductor é um indicador  de barra ou ponto móvel que aciona 10 LEDs comuns a partir de uma tensão  de entrada. O circuito integrado "sente" o nível dessa tensão de  entrada e em função disso aciona um de 10 LEDs na saída, se configurado  como ponto móvel, ou um número de LEDs proporcional, se configurado como  barra móvel, conforme mostra a figura 1.


Figura 1 - Efeitos possíveis com o LM3914

O modo de operação do CI, barra ou ponto móvel, é configurado  externamente através de um pino existente para essa finalidade. Não  existe a necessidade de nenhum componente externo para alterar o modo de  funcionamento. Cada LM3914 pode acionar 10 LEDs comuns, mas existe a  possibilidade de se interligar dois ou mais desses CIs de modo a termos  indicadores de 20, 30 ou 40 LEDs. Outra característica importante deste  circuito integrado está no fato do acionamento dos LEDs não ser  matricial, mas independente. Isso significa que podemos usar suas saídas  para acionar outros tipos de cargas como transistores para excitar  lâmpadas de maior potência e até mesmo SCRs e Triacs para cargas de  potências muito altas, alimentadas pela rede de energia.
A alimentação deste circuito integrado pode ser feita com tensões a  partir de 3 V o que o habilita a ser utilizado em aplicações alimentadas  por pilhas ou baterias. São as seguintes as principais características  que o fabricante destaca neste componente:

* Possibilidade de excitar LEDs, lâmpadas, LCDs e outros dispositivos indicadores.
* Operação tanto no modo ponto como barra móvel selecionada externamente.
* Expansível até mais de 100 saídas.
* Referência de tensão interna de 1,2 a 12 V
* Opera com tensões a partir de 3 V
* Admite sinais negativos de entrada
* Corrente de saída programável entre 2 mA e 30 mA
* Não há multiplexação das saídas.
* Pode interfacear diretamente circuitos TTL e CMOS.

O Circuito Integrado LM3914
Na figura 2 temos a pinagem do LM3914 que é apresentado em invólucro DIL de 18 pinos.


Figura 2 - Invólucro DIL de 18 pinos, o mais comum para o circuito integrado LM3914.

O LM3914 contém uma referência interna de tensão e um divisor preciso  de 10 etapas. Um "buffer" excita o circuito mesmo a partir de tensões  negativas numa faixa de -35 V a + 35 V. A precisão do divisor é da ordem  de 0,5 % numa ampla faixa de temperaturas de operação.
Na figura 3 temos o diagrama de blocos correspondente às funções internas do LM3914.


Figura 3 - Diagrama de blocos do LM3914

A versatilidade desse CI permite que recursos externos sejam  adicionados a um projeto como, por exemplo, alarme sonoro, indicador  piscante de final de escala, além de outros. Como cada saída tem  regulagem de corrente, LEDs de cores diferentes (características  elétricas diferentes) podem ser usados sem problemas. Além disso, as  duas extremidades de referência de tensão interna são acessíveis  externamente. Uma possibilidade interessante que aproveita esse recurso é  a mostrada na figura 4 em que três LM3914 são cascateados de modo a se  obter um indicador de 30 LEDs com 0 no centro da escala.


Figura 4 - Cascateando 3 circuitos integrados LM3914 para acionar 30 LEDs.

Para um indicador simples com fim de escala em 1,2 V é preciso  agregar apenas um resistor externo. &nbsp;Para os LEDs não são necessários  resistores limitadores de corrente dada a regulagem interna das saídas.  Um "overlap" de aproximadamente 1 mV entre as saídas na operação em  barra móvel, impede que haja uma indicação ambígua na transição de um  LED para outro.

Máximos Absolutos
* Dissipação máxima: 1 365 mW
* Tensão de alimentação máxima: 25 V
* Faixa de tensões de entrada: -35 a + 35 V
* Tensão no divisor: - 100 mV a + Vcc
* Corrente de referência na carga: 10 mA

Características elétricas:



 Parâmetro Condições Mínimo Típico Máximo Unidade 
 Ganho do comparador IL(ref) = 10 mA 3 8 - mA/mV 
 Corrente de polarização de entrada do comparador 
 - 25 100 nA 
 Resistência do divisor Pino 6 ao 4 8 12 17 k Ohms 
 Precisão 
 - 0,5 2 % 
 Regulagem de linha da referência de tensão 3 &lt; V &lt; 18 V - 0,01 0,03 %/V 
 Corrente de saída para os LEDs Vled = 5 V 7 10 13 mA 
 Corrente de alimentação em repouso V = 5 V - 2,4 4,2 mA 
 Corrente de alimentação em repouso V = 20 V - 6,2 9,2 mA 
 
Como Funciona
Pelo diagrama de blocos da figura 3, podemos fazer uma análise do  funcionamento do LM3914. Um buffer de entrada de alta impedância pode  operar com sinais numa ampla faixa de tensões, inclusive com valores  negativos. O sinal obtido na saída do buffer é aplicado, através de um  divisor escalonado de tensão, a 10 comparadores de tensão. Isso  significa que cada comparador comuta com um nível de tensão ligeiramente  maior do que o anterior. Se a rede de referência for conectada à tensão  de 1,25 V &nbsp;da referência interna do próprio CI,m cada comparador comuta  num passo de 125 mV. A cada passo um LED acende no sistema de barra  móvel, mantendo o anterior aceso. No sistema de ponto móvel, ao acender  um LED o anterior apaga.

O divisor de referência, entretanto, tem suas extremidades livres o  que permite que ele seja ligado à fontes de tensão negativa. Os passos  serão então determinados por essa tensão externa dividida por 10. É  importante observar que o divisor só pode ser ligado à fontes externas  que estejam, no máximo, a 1,5 V da tensão usada na alimentação e até o  valor da tensão negativa. &nbsp;Outra característica importante é que ele  pode operar com tensões muito baixas em seus extremos, da ordem de 200  mV.


A Referência de Tensão
Conforme mostra a figura 5, a referência interna de tensão fornece uma tensão de 1,25 V entre os pinos 7 e 6.


Figura 5 - Um divisor resistivo forma a referência de tensão.

Esta tensão é aplicada num resistor de programa (R1) e como a tensão  neste componente é constante, uma corrente constante I1 circula pelo  resistor R2 que fixa a tensão de referência, possibilitando assim a  programação de saída Vs segundo a fórmula:

Vs = Vref (1 + R2/R1) + Iadj x R2

A corrente máxima que deve ser programada por este circuito é 120 uA.

Corrente nos LEDs
A programação da corrente nos LEDs é feita pelo pino 7. Esta corrente  é constante, dependendo muito pouco da tensão de alimentação e de  variações de temperatura. Isso significa que, ao calcular a tensão no  divisor de programa pode-se prever também a corrente que se deseja nos  LEDs, já que o pino 7 é comum aos dois circuitos. Como este pino tem um  resistor de programa pode-se somar ou diminuir sua corrente através de  dispositivos externos, modulando-se assim o brilho dos LEDs.

Seleção de Modo de Funcionamento
O pino 9 tem por função acessar o modo de programação do CI, se em  ponto móvel ou barra móvel. Se o pino 9 for conectado ao pino 3  (alimentação positiva) o circuito funciona como barra móvel, ou seja, a  cada LED que acende na escala o anterior se mantém aceso. Se o pino 9  for deixado aberto (desligado), o circuito funciona como escala de ponto  móvel. Isso significa que a cada LED que acende, o anterior apaga. Para  uma escala de ponto móvel com 20 ou mais LEDs o pino 9 é ligado ao  primeiro drive da série, ao pino 1 do seguinte e assim por diante. O  último pino 9 da série será ligado ao pino 11 do mesmo CI. Na figura 6  mostramos o diagrama de blocos deste setor.


Figura 6 - Diagrama de blocos do setor de comparadores.

Na figura 7 temos um exemplo de cascateamento (ligação em série) de dois LM3914 para uma escala de 20 LEDs.


Figura 7 - Cascateando dois circuitos integrados LM3914.

A tensão de alimentação pode ficar entre 3 e 15 V. Nas aplicações práticas veremos como usar as entradas deste circuito.


Outras Características
A corrente extremamente baixa, assim como a alimentação a partir de 3  V tornam o LM3914 ideal para a alimentação de displays. A corrente de  repouso desse CI é de apenas 2,5 mA o que é muito interessante para uma  alimentação a partir de pilhas. O circuito tem ainda uma característica  de histerese não incorporada, o que significa que um LED não salta para  outro na transição. Assim, com variações rápidas do sinal de entrada,  não há perigo de ocorrerem variações causadas por picos.


Aplicações
Na figura 8 mostramos um circuito básico para excitação de 20 LEDs,  com tensões positivas e negativas de entrada, ou seja, com zero no  centro da escala.


Figura 8 - Circuito para 20 LEDs.

Observe o regulador de tensão negativa e o ajuste feito para o centro  da escala com a ajuda de um trimpot de 1 k ohms. A alimentação deste  circuito é feita com uma fonte simétrica de 5 + 5 V. Dentre as  aplicações para este circuito está o monitoramento de uma fonte  simétrica ou de 5 V que alimenta um circuito TTL., ou ainda de uma linha  de alimentação que deva ser mantida em 0 V e que pode sofrer variações  tanto positivas como negativas. &nbsp;Para monitorar de forma precisa uma  fonte TTL sugerimos o circuito mostrado na figura 9.


Figura 9 - Monitoramento de uma fonte TTL de 5 V.

Este circuito tem uma escala expandida de modo que o primeiro LED  acende com 4,46 V e o último com 5,54 V, ficando o valor de 5 V no  centro da escala. Para este circuito a National Semiconductor sugere os  seguintes tipos de LEDs:
* LED10 - 5,54 V - vermelho
* LED 9 - 5,43 V - vermelho
* LED8 - 5,30 V - amarelo
* LED7 - 5,18 V - verde
* LED6 - 5,06 V - verde
* LED5 - 4,94 V - verde
* LED4 - 4,82 V - verde
* LED3 - 4,70 V - amarelo
* LED2 - 4,58 V - vermelho
* LED1 - 4,46 V - vermelho

A calibração é feita ajustando-se o trimpot R1 de modo a se obter uma  tensão Vd de 1,20 V. Depois, aplica-se uma tensão de 4,94 V ao pino 5 e  ajusta-se R4 para que o LED 5 acenda. Os dois ajustes não interagem.  Veja que este circuito praticamente não necessita de filtragem. Na  figura 10 temos um interessante circuito tipo "ponto de exclamação". A  excitação deste circuito consiste num sinal retangular de 1 kHz com 10%  de ciclo ativo.


Figura 10 - Circuito que gera um ponto de exclamação com o nível alto (!).

O circuito é alimentado por fonte de 5 V e o transistor admite  equivalentes. Outra aplicação interessante para o LM3914 é dada na  figura 11 onde temos um alarme para o final de escala.


Figura 11 - Alarme de final de escala.

Trata-se de um circuito configurado no modo ponto móvel, operando  desta forma até o momento em que o último LED é acionado. Neste instante  o circuito de transforma num display de barra móvel (completo) e todos o  LEDs acendem. Na figura 12 temos circuito de barra móvel.


Figura 12 - No final da escala os LEDs oscilam. 

Neste circuito, quando se chega ao final da escala, que é do tipo de  barra móvel, temos a produção de uma oscilação que faz com que todos os  LEDs pisquem numa freqüência de aproximadamente uma vez por segundo.  Essa freqüência é dada por C1 que pode ter seu valor alterado. Para se  obter histerese no circuito básico, temos a configuração mostrada na  figura 13.


Figura 13 - Este circuito agrega histerese ao comportamento do LM3914.

O LM337 é um regulador de tensão da National. O circuito proporciona  uma histerese de 0,5 mV a 1 mV. Para operação com alta tensão de  alimentação temos o circuito da figura 14.


Figura 14 - Operação com alta tensão (48 V).

A corrente nos LEDs é de 10 mA aproximadamente, e as saídas do LM3914  operam de modo saturado. O transistor 2N2905 pode ser substituído pelo  equivalente BC557, PNP de uso geral. A figura 15 mostra um circuito de  display de 10 LEDs com chave para seleção do modo de operação, ponto ou  barra móvel.


Figura 15 - Ligando uma chave de seleção barra/ponto móvel.

Numa posição temos a operação como ponto móvel e na outro como barra móvel.

Circuitos de Entrada
Conforme indicado em cada circuito, os LEDs do LM3914 são acionados quando a tensão varia dentro de uma faixa de valores.
Se a fonte de sinal é um sensor, um amplificador operacional que  forneça a tensão contínua na faixa indicada não existem maiores  problemas para a implementação da escala. Assim, na figura 16 mostramos  como usar um amplificador operacional para excitar os circuitos  indicados, ajustando-se o ganho pelo resistor de realimentação R1  conforme, a faixa de tensões da entrada e a de saída.


Figura 16 - Usando um amplificador operacional na entrada.

Para operar com sinais alternados como som, por exemplo, precisamos  retificar e filtrar esse sinal, conforme mostra a figura 17 em que temos  um típico VU-meter.


Figura 17 - Trabalhando com sinais de áudio.

O capacitor que faz a filtragem é muito importante neste circuito  pois ele determina a "inércia" do display. Um capacitor muito grande faz  com que as variações da escala sejam lentas em relação às variações do  som e ele tenda a responder mais aos sons agudos. De qualquer forma, a  escala deve ser programada de acordo com a faixa de tensões que vai ser  aplicada à entrada. Uma forma mais simples de se fazer isso, quando a  tensão de entrada atinge valores muito altos é usando um divisor com  resistores.

Cuidados no Uso
Não basta conhecer as características do LM3914 para que ele possa  ser usado sem problemas. Alguns cuidados com o lay-out da placa conexão  dos LEDs devem ser tomados, já que se trata de um circuito comutador  bastante sensível e de alta impedância de entrada. Os principais  problemas que podem ocorrer se uma montagem não funcionar conforme o  previsto são:

a) Instabilidade no momento da comutação. A passagem rápida de zero  para o valor máximo num LED pode causar problemas na fonte. Para essa  finalidade a fonte deve ser desacoplada com capacitores de valores  elevados ou ainda capacitores de 47 nF a 1 uF entre o anodo dos LEDs e o  pino 2 pode resolver. Trilhas finas de conexão também causam este  problema.

b) Se o acendimento dos LEDs for muito lento na versão de barra  móvel, ou ainda se diversos LEDs acenderem ao mesmo tempo na versão de  ponto móvel, isso pode ser devido à instabilidades ou oscilações ou  ainda captação de ruídos. Deve ser prevista a blindagem dos fios de  sinal, ou ainda o desacoplamento da fonte com capacitor de valores  elevados. Uma tensão no pino 3 abaixo dos limites sugeridos também pode  causar este tipo de problema.

c) Nas aplicações com escalas expandidas, um ou os dois terminais do  divisor devem ser ligados à referência através de resistores de valores  elevados para que não ocorram instabilidades. Os extremos de alta  impedância devem ser desacoplados por capacitores de 1 nF a 100 nF.

d) A dissipação de calor, principalmente com alimentação de baixa  tensão, deve ser levada em conta. Com 5 V de alimentação e todos os LEDs  programados para 20 mA, o circuito dissipará perto de 600 mW. Se um  resistor de 7,5 ohms for ligado em série com a linha de alimentação de  anodo dos LEDs, a dissipação será reduzida à metade e com isso o  aquecimento do LM3914. Um capacitor de 2,2 uF deve ser ligado entre os  anodos da linha e o terra do circuito (depois do resistor) para efeito  de desacoplamento. A figura 18 mostra como isso pode ser feito.


Figura 18 - Desacoplamento da alimentação.

Aplicativos Adicionais
Existe uma grande quantidade de circuitos práticos disponíveis para o  LM3914 na literatura técnica especializada. Na Internet, em  documentação da própria National Semiconductor  (http://www.national.com/) o leitor poderá encontrar applications notes  com circuitos práticos usando o LM3914. Outra possibilidade é digitar o  nome LM3914 no nosso buscador de datasheet nesta página.

Escrito por Newton C. Braga     &nbsp;