Electrónica

1. PCB Voltímetro Digital Casero con ICL7107
Hola a todos y bienvenidosaeste nuevopost!
Uno de los proyectos más atractivos para los hobbystas y electrónicos son aquellos que
tienen una utilidad práctica una vez montado. Lo que hoy vengo a ofrecerles no es la
excepción, ya que con solo unos pocos semiconductores y algunos componentes pasivos
podremos montar un instrumento de medición de gran fiabilidad, que puede servir como
base para muchísimas aplicaciones prácticas. Tal y como dice el título, haremos
un ¡voltímetro digital casero! Al final del post les daré unas cuantas ideas sobre las
posibles utilidades prácticas para este instrumento, asique si les interesa aprender cómo
funciona y cómo montarlo, los invito a leer este artículo. ¡Comenzamos!
La parte esencial de este circuito es el integrado de la empresa Intersil, el ICL7107, que
viene en encapsulado DIP40, ideal para montajes de aficionado, aunque adicionalmente
se ofrece en encapsulado SMD, el MQFP de 44 pines.

2. Este integrado es un Conversor Analógico-Digital (ADC) con una resolución de 2000
cuentas. Mide con gran precisión tensiones de hasta 200mV (0,2V) alguno puede pensar
"valla porquería de rango, yo necesito medir 20, 70 o 500v". Pero no desesperen, más
adelante veremos cómo podemos aprovechar este chip para medir la tensión que
necesitemos.
Con muy pocos componentes externos tendremos todo lo necesario para poder controlar
de forma segura Displays de 7 segmentos de Ánodo común,con el cual podremos obtener
la lectura de la tensión a medir. La lectura máxima es de 1999 y el integrado es capaz de
medir tensiones negativas.

3. DIAGRAMA ESQUEMÁTICO
El circuito podemos dividirlo en dos partes: La fuente y el Circuito
Conversor. Empecemos por la fuente
Un aspecto que a muchos les hace dar marcha atrás con este proyecto es el hecho de
que el integrado necesita de una fuente simétrica para funcionar correctamente, es
decir, tensión positiva y negativa respecto a los 0v o masa (GND). Si bien podríamos usar
un transformador con tap central, puente de diodos, filtros y reguladores para lograr dicha
fuente, yo he decidido realizar un arreglo más sencillo para este proyecto:
La forma más "sencilla" según el datasheet del integrado es usar el chip 7660, el cual
genera una tensión negativa de -5V, me consta que hay muchos sitios o regiones donde
escasea este integrado, el cual tampoco suele ser el más económico. Por tal motivo he
recurrido a una alternativa mucho más viable, con componentes baratos y fáciles de
conseguir.
Para nuestra fuente simétricalo que utilizaremos es un simple amplificador operacional
y una etapa push pull con transistores. Pasaré a explicar cómo trabaja esta fuente.

4. Básicamente loque estamoshaciendoes convertirunafuente simple enunafuente simétrica, con
una masa ficticia.El operacional U2está configurado como comparador, el cual va tratar de tener
la misma tensión en ambas entradas.
Podemos ver tenemos en su entrada no inversora (+) un divisor resistivo a cargo de R7,
R8 y VR2, conel cual obtendremosnuestratensiónde referenciaparala fuente,lacual deberáser
exactamente la mitad de la tensión con la cual alimentaremos el circuito (ejemplo, si utilizamos
10V, en el punto central deberá haber 5v). Como no podemos fiarnos de la tolerancia de las
resistencias(aunconresistoresde precisiónpodemosteneralgunadiferenciaque descalibrariaesta
tensión) he incluido el trimmer VR2, para poder ajustar de forma manual el punto exacto para
obtener el mejor desempeño de esta fuente.
Ya tenemosnuestratensiónde referencia.Porotraparte tenemos lasalidadel Op-Ampconectado
a una etapa push-pull contransistores, lacual se vaa encargar de proveerlacorrienteque necesita
el circuitopara operar. D1, D2, R10 y R11 generanlospuntosóptimosde polarizaciónparala base
de los transistores empleados a la salida.

5. Pero ahora bien, ¿cómo sabe el circuito que a su salida tiene la tensión simétrica
correcta? Muy sencillo, podemos ver que tenemos la resistencia R9 conectada desde la
entrada inversora (-) al punto central de ambos transistores, sus emisores. Dado que
este punto es el que hemos seteado como los 0v o GND, el circuito estará
constantemente censando la tensión en dicho punto. En caso que el voltaje presente
sea mayor a la mitad de la tensión de fuente, entrará en conducción el transistor Q2, lo cual
hará que la tensión disminuya. Por el contrario, si la tensión fuese menor conducirá Q1,
haciendo que esta tienda a subir. De esta manera, independientemente de las variaciones
de corriente en el circuito, la fuente podrá autorregularse yde esta manera proveer una
tensión estable al circuito del voltímetro.
Si bien el circuito no consume mucha corriente, el hecho de usar estos transistores
es porque se calientan cuando conducen para mantener el punto de equilibrio de los
0v, y en caso de utilizar un pequeño transistor TO-92, este se quemaría por exceso
de temperatura sin dudas.
Adicionalmente tenemos los condensadores C6 y C7 para filtrar cualquier
rizado proveniente de la fuente. Este circuito es muy versátil, pero para nuestro
cometido deberemos alimentarlo solamente con una tensión de entre 9 y 10V (Con los
cuales obtendríamos +/-4,5v o +/-5v respectivamente.
Ahora que ya sabemos cómo funciona la fuente del circuito, procedamos a analizar el
funcionamiento del voltímetro propiamente dicho.
Como ya hemos visto, utilizaremos el integrado ICL7107 para gobernar displays de 7
segmentos para visualizar la lectura de la tensión a medir.
C1 y R1 conforman un oscilador de 48kHz aproximadamente, con el cual el circuito realiza
el multiplexado (interno) de los displays y genera una actualización de lectura de 2 - 3
mediciones por segundo.

6. R2 y C3 forman parte del circuito integrador que internamente tiene el integrado. C4 garantiza la
lectura en 000.0v (Auto-Zero) ante la ausencia de tensión de entrada. C2 es el capacitor de
referencia que estabiliza la lectura ante variaciones.
El trimmer VR1 y la resistencia R3 la utilizaremos para calibrar la medición y la precisión
Si bien podemos usar las entradas de forma individual para la medición, he
preferido conectar a masa la entrada negativa, con esto logramos una referencia en 0v,
y podemos medir tensiones negativas.
Comocomenté anteriormente, el fondo de escala del integradoes de solo 200mV. Ahora
bien, como hacemos si queremos medir tensiones más elevadas? Muy sencillo!
Emplearemos un simple divisorresistivo,a cargo de R4 y R5. Con los valores empleados
en el circuito podremos medir tensiones de hasta 200v (199.9v). El
condensador C5 simplemente filtra cualquier posible ruido proveniente de la tension a medir
y la resistencia R6 es simplemente para encender el punto decimal de DS2 y tener un
decimal de resolucion.

7. Por último tenemos los displays conectados al integrado con todos sus segmentos por
separado. Dado que el integrado posee limitadores de corriente interno, no es
necesario conectar resistencias en serie a cada segmento. El integrado tiene un pin
de POL(polaridad) que se enciende al medir una tensión negativa(en este casoenciende
el segmento G de DS4). Ahora que ya tenemos claro cómo funciona nuestro circuito,
procedamos a ver el diseño del circuito impreso
El diseño del circuito impreso fue realizado en Proteus 8 Professional. Lo utilizo para
prototipos simples ya que cuenta con una amplia galería de componentes, y tiene la
interesante opción de simular la placa en 3D para una vista más real de la misma.

8. El PCB es realmente de dimensiones muy reducidas (85mm x 50mm aprox) y el diseño
es en simple faz, para mayor facilidad en su revelado. Por tal motivo podemos ver que los
displays no están colocados del lado de los componentes, sino del lado de las
soldaduras. Con esto no solo logramos un PCB de reducido tamaño, sino que facilita su
montaje y su instalación como medidor de panel.
En la descripcion del video tutorial que encontrarán al final de post, tienen para
descargar totalmente gratis el diseño del circuito impreso a escala listo para
transferir por el método de planchado. Además tendrán la lista de componentes y
una útil guía de ensamble para no tener problemas con el montaje.
REVELANDO EL PCB

9. Una vez tengamos impreso nuestro archivo procedemos a transferir el lado de las
pistas en la placa de cobre virgen. En este caso he utilizado fibra de vidrio (epoxi) pero
tranquilamente pueden utilizar baquelita. He perforado todos los pads previo al atacado
con ácido porque la mecha utilizada era levemente de mayor diámetro que la
recomendada. Por tal motivo perforé primero, ya que de haber quedado algún pad con muy
poco cobre podía realizar una corrección con ayuda de un marcador permanente.
Habiendo revelado las pistas y transferida la máscara de componentes tenemos listo
nuestro PCB para comenzar a insertar y montar los componentes.

10. Como pueden ver, pese a que el diseño posee detalles muy finos, ha sido revelado a la
perfección con el método de planchado sin mayores complicaciones. Recomiendo limpiar
bien la tarjeta y darle un baño de flux para evitar la oxidación de las pistas de cobre.
Por cierto, si eres nuevo en el mundo de la electrónica y quieres a realizar un circuito
impreso en casa, a continuación de dejo tanto el artículo escrito como el video
tutorial donde te explicaré el proceso paso a paso, verás que es muy sencillo!
Te Enseño a Fabricar un Circuito Impreso Paso a Paso
En el video podrán ver de forma práctica la realización paso a paso de un circuito
impreso. Espero les guste y les sirva!
LISTADE COMPONENTES
Resistencias (todas 1/4w)
-R1 100k
-R2 47k
-R3 22k
-R4* 1k2
-R5 1M
-R6 560
-R7; R8; R9 10k

11. -R10; R11 5k6
-VR1 100k [104] Trimmer Multivuelta
-VR2 1k [102] Trimmer Multivuelta
Capacitores
-C1 100pF [101]
-C2; C5 0.1uF [104]
-C3 0.22uF [224]
-C4 0.47uF [474]
-C6; C7 100uF/16V
Semiconductores
-D1; D2 1N4148
-Q1 BD135 o BD137
-Q2 BD136 o BD138
-U1 ICL7107
-U2 LM741
-DS1; DS2; DS3; DS4 Displays 7 Segmentos Ánodo Común
Varios
-Placa virgen de 90mm x 55mm aprox.
-Base para integrado de 40 pines
-Base para integrado de 8 pines
-Bornera de dos terminales (x2)
-Tornillos y tuercas M3 y separadores de nylon de 10mm
-Fuente de alimentación de 9 o 10v de 250mA min.

12. *R4 determina el rango del voltímetro. Con 1k2 el fondo de escala es de 200v (199.9v).
Con 12k seria de 20v (19.99v) y con 120k de 2v (1.999v) Si varia el valor deberá cablear
mediante una resistencia de 560 ohm a GND el punto decimal que corresponda a la escala
utilizada.
Si bien esposible medir más allá de 200v variando el divisor de tensión, no lo recomiendo
pues el PCB no posee la debida aislación entre las pistas y GND para medir tensiones
muy elevadas. Esto podría generar arcos voltaicos que sin duda quemarían el
instrumento.
MONTADO EL PCB
Comenzaremos montando los componentes de menor altura, en este caso las
resistencias y los diodos. Guiándonos por la guía de ensamble y la máscara de
componentes vamos insertando y soldando en su sitio una a una las resistencias. Estas
no poseen polaridad, sin embargo recomiendo montarlas a todas orientando la banda de
tolerancia en la misma dirección. Esto no solo facilita la lectura de su valor, sino que da una
muy buena apariencia. Los diodos si poseen polaridad, la tienen claramente marcada en
la máscara de componentes

13. Con los pines sobrantes de las resistencias deberemossoldar los puentes.Es importante
hacerlo antes de soldar los demás componentes,ya que al menos uno de los puentes queda
justo debajo de un zócalo. Sean prolijos y hagan buenas soldaduras.
NOTA: Pueden ampliar la imagen para ver con mayor detalle el montaje de cada
componente.
Continuamos soldando todos los condensadores cerámicos y de poliéster. Seguidamente
los electrolíticos. Estos tienen una banda gris que determina su polo
negativo. Instalamos los trimmers (solo entran en un solo sentido, ya que sus pines son
asimétricos). Para los integrados es importante utilizar zócalos, los cuales poseen una
muesca que muestra su sentido de instalación.

14. Las borneras debemos ensamblarlas entre si antes de instalarlas para que queden
compactas y juntas. Los transistores deberemos soldarlo con intervalos de al menos 20
segundos entre cada pin, con esto le evitamos estrés térmico al mismo. Asegúrense de
haber soldado cada componente donde corresponde y que no hay pistas colisionadas
con soldadura.
Los displays se sueldan del lado de las pistas. Simplemente hacemos coincidir los pines
con los pads del pcb y alineándolo lo mejor posible procedemos a soldar todos sus pines.
Al final obtendremos un resultado similar a este:

15. En este punto ya tendríamos terminado el montaje. Solo nos queda calibrarlo. Procedo a
explicar el proceso, pero para mayor claridad los invito a ver el video al final del post, allí
lo tendrán perfectamente documentado.
1-Insertamos el integrado LM741 en su zócalo (no deberemos poner de momento el
ICL7107)
2-Alimentamos el circuito con una fuente de entre 9 Y 10v DC en las borneras marcadas
como "0v"y"10v".
3-Con un multímetro medimos la tensión con la cual estamos alimentando el
circuito. En mi caso serán 10.00v.
4-Ahora medimos entre los 10v y la MASA del circuito (pueden tomarla del terminal IN-)
Deberemos obtener una lectura igual a la MITAD de la tensión de alimentación (es decir,
5v)
5-En caso de obtener una lectura diferente (ejemplo, 4.6v) actuaremos con un pequeño
destornillador sobre el trimmer VR2 para obtener la lectura deseada.
6-Ahora medimos entre los 0V y la masa del circuito, el voltaje deberá ser lo más
simétrico posible, es decir, lo más cercano a -5v en este caso. De no ser así volveremos a
actuar levemente sobre el trimmer, hasta lograr el punto de equilibrio donde tanto la
tensión positiva y negativa sean totalmente simétricas.
Hecho esto ya tenemos nuestra fuente correctamente calibrada.
Por último deberemos instalar en su zócalo el integrado ICL7107 sin equivocarnos en su
sentido de ubicación. Volvemos a alimentar el circuito y verificamos que enciendan los
displays y que todo funcione correctamente. Hecho esto solo queda calibrar la medición
de tensión del instrumento.

16. El proceso para calibrar el medidor es muy sencillo. Una vez alimentado el circuito,
procedemos a conectar una fuente de tensión DC entre las entradas Vin+ y Vin-
. Pueden usar una pila, una batería, un cargador USB, etc. El asunto es emplear una
tensión que sea independiente del voltaje de alimentación del medidor.
Debemos medir con un multímetro la tensión exacta y contrastarla con la que mide el
voltímetro casero. En caso que la tensión fuese distinta a la que mide el
multímetro, actuaremos sobre el trimmer VR1 para acercar la medición hasta que mida
lo mismo que el tester. Hecho esto ya tenemos calibrado el instrumento.
Dado que estamos usando un divisor resistivo para la entrada de tensión, la medición será
muy lineal en todo el rango del voltímetro.

17. Y ya tenemos completamente terminado nuestro voltímetro! con él podremos medir tensiones
continuas en un rango que va de -199.9v a +199.9v. Este es un espectro muy útil para la mayoría
de las aplicaciones prácticas, siendo la más recomendable su uso para una fuente de laboratorio
variable.

18. Si modificamos el rango de medición a 200mV podemos inclusive utilizar el instrumento en
conjunto con un sensor de temperatura y realizar así un útil termómetro digital. Otro
uso muy recurrente es para las resistencias de carga, para medir la caída de tensión en
un determinado dispositivo.
Si es de su interés en el futuro podemos llegar a realizar una segunda versión. Con más
de un rango de medición y con alguna función adicional. También optimizaríamos el
PCB para que sea aún más compacto y de ajuste mejor a lo que podría ser un medidor de
panel.
Por último comentarles que también se puede usar este circuito para realizar un sencillo
pero útil amperímetro, el cual mediría la caída de tensión en una resistencia de bajo
valor. Si es de su agrado puedo emprender el diseño ycompartirlo con ustedes en un
futuro.
Y bueno gente esto es todo por este aporte, sé que fue algo largo pero la idea es que
pueda ser montado por todo aquel que tenga básicos conocimientos en electrónica. Como
siempre sugerencias y dudas pueden dejarla en comentarios, saben que siempre los
leo y respondo.

19. Espero que les guste este tipo de post con contenido técnico sobre electrónica, y si es
así les agradecería que melo hicieran saber puntuando y compartiendo con sus amigos.
Por último los invito a ver el video publicado en mi canal de YouTube Kriss Electronics,
donde podrán ver el montaje y las pruebas de funcionamiento de este útil instrumento de
medición que, pese a ser casero, tiene una increíble precisión. En la descripción delvideo
tienen el archivo .PDF con el circuito impreso listo para transferir, la guía de ensamble
y la lista de materiales. Que lo disfruten! No olviden suscribirse!!