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. 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 < V < 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 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. 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. 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.
