Projetos com Módulos de Cristal Líquido LCM300 (ART2261)

Em diversos artigos do site abordamos o princípio de funcionamento dos conversores analógico/digitais 7106 e 7107, capazes de excitar mostradores de três e meio dígitos tanto de cristal líquido como de eletroluminescente. A ampla gama de aplicações de tais módulos nos leva a abordar novamente o assunto, mas de uma maneira muito mais prática. Com os módulos LCM300, que já contêm o 7106 e o mostrador de cristal líquido com todos os componentes necessários à sua excitação, à disposição no mercado, a elaboração de projetos de instrumentos de painel e instrumentos diversos de medida de bancada é extremamente facilitada, conforme veremos neste artigo.

Obs. Este artigo é de 1989 quando a empresa ALFACOM disponibilizou os módulos LCM300 baseados no 7106 e 7107. Atualmente estes módulos podem ser obtidos de outros fabricantes com outras denominações o que torna o artigo atual.

A ALFACOM S.A. possui, na sua linha de componentes opto-eletrônicos o módulo LCMSOO de três e meio dígitos com mostrador de cristal líquido de grande versatilidade.

Este módulo, mostrado nas fotos, abaixo consta de um circuito integrado 7106, um mostrador de cristal líquido de três e meio dígitos, com indicação de polaridade e ponto decimal, além de indicação de descarga de bateria, e todos os elementos necessários à elaboração de um milivoltímetro básico de 0 a 199,9mV CC.

 


 

 

 


 

 

Partindo deste módulo, podemos elaborar dezenas de projetos de instrumentos de painel e medida para bancada, com grande precisão e simplicidade.

Dentre estes projetos destacamos os seguintes:

- Multímetros (voltímetros, miliamperímetros, ohmímetros)

- Termômetros

- Fotômetros

- Tacômetros

- Capacímetros, pontes de indutância

- Indicadores de níveis de líquidos

- Velocímetros

- Decibelímetros

É claro que estes são apenas alguns dos aparelhos que podem ser facilmente elaborados, já que, partindo dos princípios básicos de operação do módulo, você poderá criar o instrumento que necessita para determinada aplicação.

As características do visor são:

- Altura dos dígitos: 12,7mm

- Acionamento contínuo (direct drivel static)

- Temperatura de operação: -10 a 60°C

- Temperatura de armazenamento: -20 a + 60°C

- Tensão de operação (25°C): 3,0 V

- Tempo de subida (25°C): 120 ms

- Tempo de descida (25°C): 100 ms

- Frequência de operação: 30 a 300 Hz

- Capacitância: 10 pF/mm2

- Resistência (cc): 100 M ohms

- Razão de contraste: 20/1

- Consumo de corrente: 15nA/mm2

Com uma fonte de alimentação de 9 V o módulo apresenta um consumo muito baixo de corrente, podendo ser utilizado em instrumentos portáteis ou de painel de funcionamento contínuo.

Um melhor entendimento das características do integrado conversor A/D usado neste módulo, que é o NJU71 ou equivalente.

Na figura 1 temos o diagrama completo do módulo, observando que apenas três componentes externos são necessários para a elaboração de um milivoltímetro básico de 199,9V.

 

Circuito básico
Circuito básico

 

Estes componentes são a fonte de alimentação de 9 V, um resistor de 24 k e um trimpot, que consiste no único ajuste do aparelho, para uma tensão de referência de 199,9mV.

Os componentes já existentes na placa de circuito impresso exercem as funções pré-definidas, descritas a seguir.

O resistor R1 e o capacitor C1 formam o circuito de temporização, responsável pela velocidade de amostragem

Os valores escolhidos permitem a operação numa frequência de 48 kHz (R1 - 100k e C1 - 100pF), o que resulta em três leituras por segundo.

Caso você deseje alterar a razão de leitura, podem ser calculados novos valores de C1, já que recomenda-se que R1 seja mantido fixo. A fórmula que permite calcular a nova frequência de operação é:

f : 45/(R1 x C1)

onde:

R1 é dado em quilohms, C1 em picofarads, e a frequência obtida será em quilohertz.

Para se eliminar a captação de zumbidos da rede de 6oHz é importante que o ciclo de integração dos sinais de entrada seja um múltiplo deste valor.

Desta forma, as frequências indicadas na tabela são as melhores para isso.

 


 

 

O módulo possui dois jumpers (J1 e J2) que Correspondem respectivamente à interligação dos pinos 5 e 6 do conector REF LO e COMMON e 6 e 8 do conector COMMON com INPUT LO.

Para aplicações em que estas ligações não sejam usadas os jumpers podem ser retirados.

Tanto o amplificador isolador como o integrador apresentam estágio de saída em classe A, com corrente quiescente de 100 microampères.

Eles podem fornecer até 20 microampères de corrente, mantendo alta linearidade.

Assim sendo, o resistor de integração (R3) deve ser suficientemente alto para fugir desta limitação, mas, em contrapartida, suficientemente baixo em relação às correntes de fuga que ocorrem em uso normal, já que sua montagem é feita em placa de circuito impresso.

Este é um dos motivos pelos quais o LMC3OO é fornecido pela ALFACOM em placa de fibra de vidro de categoria profissional que, praticamente, não absorve umidade.

Para um fundo de escala de 1,999 V recomendamos que R3 seja de 47k e, na versão básica, para fundo de escala de 199,9mv, R3 será de 4,7k.

O capacitor de integração (C5) deve ser escolhido de modo a proporcionar a máxima excursão de tensão possível, sem saturar o integrador, o que corresponde a aproximadamente 0,3V da tensão da fonte.

Deste modo, quando o “COMMON“ analógico é utilizado como referência, recomendamos uma excursão entre -2 e +2V para o integrador e, desta maneira, para a frequência de clock que utilizamos, ou seja, 48kHz, o valor nominal de C5 será de 220 nF.

É claro que, se for utilizada outra frequência de clock, este valor deve ser alterado em proporção inversa para que a excursão de tensão seja mantida.

Devem ser utilizados capacitores de baixa fuga e pequena histerese a fim de obter alta precisão de leitura.

O valor do capacitor de auto-zero (C4) apresenta certa influência na obtenção de mínimo nível de ruído no sistema.

Para a escala de 199,9mV, em que a manutenção de baixo nível de ruído é importante, recomendamos um capacitor de 470 nF.

Já para a escala de 1,999V, Um valor de 47nF acelera a recuperação da condição de transbordo (overflow) sem, contudo, prejudicar o nível de ruído.

Na maioria das aplicações a utilização de um capacitor de referência (C2) de 100 nF satisfaz, porém para sinais com alto nível em modo comum, e para o fundo de escala de 199,9 mV, sugerimos que C2 seja de 1,uF para manter o erro de leitura em 0,5 da contagem.

A tensão analógica de entrada necessária para se gerar saída plena, ou seja, fundo de escala é Vent = 2 Vref.

Assim sendo, Vref =- 100 mV para F.E.= 200 mV e Vref = 1V para F.E. = 2 V.

Porém, como na maioria das vezes em que se utilizam transdutores para a medida das mais diversas grandezas, existe um fator de escala não inteiro para o Vref e que deve ser convenientemente calculado.

Por exemplo, temos um gerador tacométrico que nos dá tensão de saída de 0, 826V quando a velocidade de rotação é de 2000 RPM.

A tensão de referência deverá ser de 0,413V para que a leitura “2000“ possa ser efetuada quando a tensão de entrada de 0,826V for aplicada.

 

APLICAÇÕES

1) Milivoltímetro 1,999mV

Evidentemente, trata-se da aplicação básica para o módulo que pode ser utilizado como um milivoltímetro de corrente contínua, alimentado por bateria ou fonte de 9 V, com consumo muito baixo de corrente, e cujo diagrama corresponde ao já apresentado na figura 1.

Para utilização em instrumento de medida, em que desejamos um ponto decimal flutuante, temos o circuito mostrado na figura 2.

 

Circuito com ponto decimal flutuante
Circuito com ponto decimal flutuante

 

 

A tensão de referência deve ser ajustada no trimpot para 199 mV e o trimpot deve ser de precisão.

O integrado adicional usado é um CD4030-CMOS, que apresenta consumo muito baixo, e através do qual podemos encaminhar os níveis lógicos de ativação dos pontos decimais e da indicação de bateria descarregada (LO BAT).

Nesta aplicação, os pontos 5, 6 e 8 devem ser unidos através de jumpers.

 

2) Voltímetro com diversas escalas

Na figura 3 damos o divisor de tensão para utilização do módulo num multivoltímetro de quatro escalas, com fundos de 200 mV, 2 V, 20 V e 200V.

 

Milivoltímetro de 4 escalas
Milivoltímetro de 4 escalas

 

A precisão dos resistores determinará a precisão da leitura, sendo indicados tipos de 1% ou 2%.

Para a obtenção dos valores não comerciais, sugerimos a associação de unidades de valores comuns com as tolerâncias indicadas.

A resistência de entrada deste circuito é de10 k e o único ajuste é o trimpot de referência para a leitura desejada, ou seja, aplicando-se 1,999 mV na entrada e ajustando-o para esta leitura.

Para este circuito, o ponto decimal deve ser acionado aproveitando-se uma segunda seção da própria chave seletora de tensões.

Na figura 4 temos o circuito de um divisor de corrente (shunt) para medidas de correntes em cinco escalas, correspondendo a fundos de 200 uA, 2mA, 20 mA, 200 mA e 2 A.

 

Divisor de corrente
Divisor de corrente

 

 

O fusível de proteção de 3 A é muito importante, devendo ser utilizado um do tipo de ação rápida.

A precisão dos resistores determina a precisão da medida e sua dissipação deve ser calculada em função das correntes máximas que devem conduzir.

Para a comutação deve ser usada uma chave com baixa resistência de contato, próprio para instrumentação, e uma segunda seção será aproveitada para acionamento do ponto decimal.

 

4) Anemômetros

A localização de um gerador eólico ou de uma bomba d'água movida pelo vento deve ser estudada com base nos ventos predominantes de uma região.

Do mesmo modo, aeroportos e outras instalações que são influenciadas em sua operação pelo vento precisam ter uma monitoria constante deste fenômeno.

Um anemômetro para uso fixo ou portátil pode ser facilmente elaborado com base no módulo LCM300.

Um pequeno motor de corrente contínua gera uma tensão proporcional à velocidade do vento e que, através de um fator conveniente de conversão, pode ser lida no módulo. (figura 5)

 

   Figura 5 – Circuito básico de leitura
Figura 5 – Circuito básico de leitura

 

Para movimentação do eixo do pequeno motor que funciona como gerador, podemos usar um sistema do tipo mostrado na figura 6.

 

Figura 6 – Montagem mecânica
Figura 6 – Montagem mecânica

 

Este sistema se caracteriza por medir a velocidade do vento independentemente de sua direção, diferentemente de uma hélice, que precisa estar apontada para a direção de onde sopra o vento.

A calibração é feita com a escolha conveniente dos componentes que determinam o fator de escala, tendo por base um anemômetro comercial ou indicações fornecidas de velocidade.

O capacitor eletrolítico logo após o diodo determina a velocidade de recuperação do circuito, impedindo oscilações bruscas de leitura e seu valor depende do tipo de gerador usado, ou seja, das características do pequeno motor.

Seu valor estará tipicamente entre 1 e 22 uF.

Do mesmo modo, o trimpot deve ser ajustado para que não tenhamos tensão superior a 1,999 mV com velocidade máxima prevista.

O ponto decimal pode ser ativado de acordo com o tipo de leitura desejada, sendo uma sugestão a sua colocação após o terceiro dígito, o que nos levaria a uma escala de 000 a 199.9 km/h para a velocidade lida, com componentes determinantes do fator de escala devidamente calculados.

É claro que também podemos fazer a escala em nós, o que será interessante nas aplicações que envolvem aviação e navegação marítima.

O sensor pode ser instalado longe do módulo de leitura, mas um cabo blindado deve ser empregado para evitar a captação de zumbidos, que influiriam na indicação.

Com adaptações no sensor, o mesmo sistema pode ser empregado para medida da velocidade de uma corrente de água ou mesmo o fluxo de líquido numa canalização, conforme sugere a figura 7.

 

Figura 7 – Aplicações para outras medidas
Figura 7 – Aplicações para outras medidas

 

É claro que os fatores de escala são muito importantes nestas aplicações, dependendo exclusivamente do tipo de sensor empregado.

Também deve ser considerada a linearidade do transdutor, o que pode exigir, em alguns casos, o uso de circuitos adicionais para se conseguir uma boa precisão em toda extensão da escala.

 

5) Fotômetros

Fotômetros e aparelhos assemelhados, como medidores de transparência, fotocolorímetros, podem ser elaborados com base no módulo e na versão mais simples, utilizando como transdutor apenas uma fotocélula

Esta fotocélula pode ser até um transistor de potência, como o 2N3055, sem o invólucro protetor, com um resistor que determinará o limite da tensão de entrada e também servirá como carga, determinando a curva de resposta do sistema.

Na figura 8 temos o circuito sugerido.

 

Figura 8 – Circuito para fotômetro
Figura 8 – Circuito para fotômetro

 

A utilização de filtros permite usar o medidor para diversas aplicações e a determinação do fator de escala dependendo da unidade que se deseja utilizar além da aplicação.

Um luxômetro mais preciso, que usa uma célula solar que fornece uma corrente de 200 uA com 1000 Ix, é dado na figura 9.

 

   Figura 9 – Circuito para luxômetro
Figura 9 – Circuito para luxômetro

 

 

Este tipo de célula possui uma curva corrente x iluminação bastante linear, o que permite a elaboração de um instrumento de excelente precisão.

Em aplicações mais sofisticadas como, por exemplo tacômetros, ohmímetros, termômetros, podem ser necessários circuitos mais elaborados para os transdutores, isso devido às próprias características de sensibilidade dos transdutores e à necessidade de se conseguir uma tensão linearmente proporcional à grandeza medida.

Para estes projetos iniciais, como não necessitamos de muitos componentes além dos que vêm montados no próprio módulo não há necessidade de placa de circuito impresso adicional e nem desenho da disposição real dos componentes.

As ligações são simples e diretas. havendo apenas que se tomar precauções maiores em re!ação à captação de ruídos quando os transdutores estiverem remotos.

Para aplicações fixas, com fonte de alimentação, dado o baixo consumo, pode ser usado o circuito na figura 10.

 

   Figura 10 – Sugestão de fonte
Figura 10 – Sugestão de fonte

 

A calibração pode ser feita com um multímetro comum, aplicando-se 199,9mV na entrada, com o circuito da figura 11, e ajustando-se o trimpot para esta leitura.

 

Figura 11 - Calibração
Figura 11 - Calibração

 

O fabricante do módulo poderá estudar, no caso de aplicações industriais, o seu fornecimento com placa em que já tenha previsto local para os componentes que formam o circuito do sensor.

 

 


Opinião

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