Mostrador Digital de Tensão: Como Instalar um Voltímetro Digital em um Painel de Instrumentos

Quando construímos uma fonte de alimentação, carregador, equipamento de bancada ou qualquer outro projeto eletrônico, frequentemente precisamos saber qual tensão está presente na saída.

Podemos pegar o multímetro e medir.

Mas existe uma solução muito mais prática quando queremos acompanhar essa tensão continuamente:

instalar um mostrador digital de tensão diretamente no painel do equipamento.

No vídeo deste artigo mostro justamente um pequeno voltímetro digital de painel, um módulo compacto que pode ser incorporado a projetos eletrônicos e transformar uma simples caixa em um instrumento com indicação permanente da tensão.

O que é um mostrador digital de tensão?

Basicamente, trata-se de um voltímetro digital compacto desenvolvido para instalação em painéis.

Em vez de utilizarmos pontas de prova como fazemos com um multímetro, o módulo fica permanentemente conectado ao circuito.

Assim:

FONTE / CIRCUITO
       │
       ├──────────► CARGA
       │
       └──────────► VOLTÍMETRO
                         │
                         ▼
                      12,4 V

Sempre que o equipamento estiver funcionando, conseguimos visualizar imediatamente a tensão.

Módulos compactos desse tipo são vendidos justamente para instalação em caixas, painéis, fontes e outros projetos. Há modelos de três fios, por exemplo, nos quais dois fios alimentam o próprio display e um terceiro realiza a medição.

O voltímetro é ligado em paralelo

Esse é um conceito fundamental.

Para medir tensão, o voltímetro deve ser conectado entre os dois pontos cuja diferença de potencial queremos conhecer.

Por exemplo, para medir a saída de uma fonte:

       +V ───────────────► SAÍDA +
        │
        │
        └──── VOLTÍMETRO ────┐
                             │
GND ─────────────────────────┴──► SAÍDA -

Portanto:

voltímetro → paralelo

Isso é diferente de um amperímetro, que normalmente precisa participar do caminho da corrente que será medida.

Confundir essas duas ligações pode provocar problemas no circuito ou no instrumento.

Existem módulos de dois e de três fios

Esse é um detalhe particularmente importante porque pequenos voltímetros digitais podem parecer praticamente iguais externamente, mas possuir formas de ligação diferentes.

Voltímetro de dois fios

No modelo mais simples temos:

positivo

e:

negativo.

Os mesmos fios:

alimentam o módulo

e:

medem a tensão.

A ligação fica aproximadamente assim:

        CIRCUITO MEDIDO

+ ───────────────┬──── vermelho
                 │
             ┌───┴───┐
             │ 12.3  │
             └───┬───┘
                 │
- ───────────────┴──── preto

Existem módulos comerciais de dois fios que, por exemplo, trabalham entre aproximadamente 4 e 30 V DC; abaixo da tensão mínima necessária para alimentar sua própria eletrônica, o display simplesmente não consegue operar.

Por isso, a faixa exata deve ser verificada no modelo que temos em mãos.

O módulo de três fios oferece outra possibilidade

Nos modelos de três fios, podemos separar:

alimentação do mostrador

de:

tensão que queremos medir.

Um exemplo comercial bastante comum utiliza:

vermelho → alimentação positiva do módulo

preto → GND comum

amarelo/branco → tensão medida

A Adafruit, por exemplo, especifica um módulo desse tipo alimentado entre 4,5 e 28 V DC, capaz de medir de 0 a 99,9 V DC pelo terceiro fio.

Conceitualmente:

      ALIMENTAÇÃO DO DISPLAY
             +V
              │
              └──── vermelho
                    ┌─────────┐
GND ───── preto ───►│  12.3   │
                    └─────────┘
                         ▲
                         │
                      amarelo
                         │
                 TENSÃO MEDIDA

Isso pode ser muito útil.

Por que separar alimentação e medição?

Imagine uma fonte regulável cuja saída pode variar de:

0 V até uma tensão mais elevada.

Se o próprio voltímetro for alimentado exclusivamente pela tensão que está medindo, surge um problema.

Quando ajustarmos a fonte para:

1 V

ou:

2 V

talvez não exista tensão suficiente para manter o display ligado.

Assim poderíamos ter:

SAÍDA DA FONTE = 2 V
       ↓
VOLTIMETRO PRECISA DE ~4 V OU MAIS
       ↓
DISPLAY NÃO FUNCIONA

Com alimentação separada:

ALIMENTAÇÃO AUXILIAR ──► DISPLAY

SAÍDA 0...X V ─────────► ENTRADA DE MEDIÇÃO

O mostrador continua funcionando mesmo quando a tensão medida se aproxima de zero, desde que isso seja permitido pelas especificações daquele módulo. Essa separação entre alimentação e entrada de medição é justamente uma das vantagens práticas dos modelos de três fios.

Não devemos confiar apenas na cor dos fios

Embora vermelho, preto e amarelo sejam combinações muito comuns, existe uma regra mais importante:

consulte a especificação do módulo.

Não devemos assumir que todo voltímetro comprado na internet utiliza exatamente:

vermelho = positivo

preto = negativo

amarelo = medição.

Isso é frequente, mas não é uma norma universal para todos os módulos existentes.

O mesmo vale para:

tensão de alimentação

faixa de medição

polaridade

precisão

resolução.

Dois displays visualmente quase idênticos podem possuir características diferentes.

Faixa de alimentação não é necessariamente faixa de medição

Esse é outro ponto que costuma gerar confusão.

Um voltímetro de três fios pode, por exemplo, possuir:

alimentação: 4,5–28 V

e:

medição: 0–99,9 V.

Essas são as especificações de um conhecido módulo de três fios, mas não devem ser generalizadas para qualquer modelo.

Observe que:

alimentar com 50 V seria inadequado

mesmo que:

o módulo consiga medir 50 V pelo fio de sensoriamento.

São duas entradas com funções diferentes.

Como o voltímetro digital realiza a medição?

Internamente, o módulo precisa transformar uma tensão analógica em um valor que possa ser apresentado numericamente.

Simplificando bastante:

TENSÃO
   ↓
CONDICIONAMENTO / DIVISOR
   ↓
CONVERSÃO ANALÓGICO-DIGITAL
   ↓
PROCESSAMENTO
   ↓
DISPLAY
   ↓
12.3

Um módulo digital comercial pode utilizar um microcontrolador para ler a tensão, compará-la com uma referência e então apresentar o resultado no display.

O princípio é bastante diferente do antigo voltímetro analógico com ponteiro, embora ambos tenham a mesma finalidade:

medir diferença de potencial.

Por que existe um divisor de tensão?

Um circuito eletrônico de medição não pode necessariamente receber diretamente toda a tensão que queremos medir.

Imagine que o conversor analógico-digital trabalhe internamente com poucos volts, mas queremos medir:

30 V

ou:

50 V.

Podemos utilizar um divisor resistivo:

Vin
 │
[R1]
 │──────► entrada de medição
[R2]
 │
GND

A tensão na saída do divisor é:$$V_{out}=V_{in}\frac{R_2}{R_1+R_2}$$

Assim conseguimos transformar uma tensão maior em uma tensão proporcional e compatível com a eletrônica de medição.

Depois, o circuito converte esse valor novamente para a escala que será apresentada no display.

Três dígitos não significam alta precisão

Esse é um detalhe importante.

Um display mostrar:

12,3 V

não significa automaticamente que a tensão real seja exatamente:

12,300000 V.

Precisamos distinguir:

resolução

de:

exatidão.

Resolução está relacionada ao menor incremento que o instrumento consegue apresentar.

Exatidão está relacionada a quão próximo o valor indicado está do valor verdadeiro.

Um módulo de três dígitos pode apresentar décimos de volt, mas sua exatidão depende do circuito, referência, divisor resistivo, calibração e temperatura.

Por exemplo, há módulos compactos especificados com resolução de 0,1 V e precisão declarada de ±0,1 V.

Portanto:

mais casas no display não significam automaticamente melhor medição.

Podemos comparar com um multímetro

Depois de instalar o módulo, uma verificação bastante simples consiste em utilizar um multímetro confiável como referência.

Por exemplo:

MULTÍMETRO        PAINEL

 12,42 V          12,4 V

Uma pequena diferença pode ser perfeitamente compatível com as características dos instrumentos.

Se o módulo possuir ajuste de calibração, normalmente feito por um pequeno trimpot, podemos fazer a comparação e ajustar conforme a documentação do modelo. Existem voltímetros de painel que oferecem justamente esse recurso.

Mas o objetivo não é fazer o display mostrar aquilo que desejamos.

É aproximá-lo de uma referência adequada.

Onde instalar um mostrador de tensão?

Esse pequeno módulo pode ser utilizado em muitos projetos.

Um dos mais interessantes é uma:

fonte de alimentação regulável.

Nesse caso:

┌───────────────────────────────┐
│       FONTE DE BANCADA        │
│                               │
│          ┌─────────┐          │
│          │  12.6 V │          │
│          └─────────┘          │
│                               │
│   VOLTAGEM                    │
│      ◯                        │
│                               │
│   (+)                  (-)    │
│    ●                    ●     │
└───────────────────────────────┘

Giramos o controle de tensão e observamos imediatamente o valor no painel.

Isso torna a utilização muito mais conveniente.

Também podemos monitorar baterias

Outra aplicação é acompanhar a tensão de uma bateria.

Módulos desse tipo são frequentemente utilizados para monitoramento de baterias e fontes DC.

Porém, é importante entender que:

medir tensão não equivale necessariamente a medir precisamente o estado de carga.

Dependendo da química da bateria, a relação entre:

tensão

e:

percentual de carga

pode não ser linear.

Ainda assim, a tensão é uma informação extremamente útil para diagnóstico e acompanhamento.

Podemos transformar projetos antigos

Esse é um dos aspectos que considero mais interessantes desses pequenos módulos.

Imagine uma fonte antiga que possui apenas:

chave

potenciômetro

bornes de saída.

Podemos acrescentar um display:

ANTES

┌─────────────────┐
│ FONTE           │
│                 │
│    ◯            │
│  +     -        │
└─────────────────┘


DEPOIS

┌─────────────────┐
│ FONTE           │
│    ┌───────┐    │
│    │ 9.0 V │    │
│    └───────┘    │
│    ◯            │
│  +     -        │
└─────────────────┘

A eletrônica principal pode continuar praticamente a mesma.

Mas a experiência de utilização melhora bastante.

Planeje o painel antes de cortar

Quando o módulo será instalado permanentemente, vale planejar:

posição

dimensões

profundidade disponível

fiação

visibilidade

antes de abrir o painel.

Isso evita aquela situação clássica:

fazemos o furo primeiro e descobrimos o problema depois.

Se houver outros elementos, como:

potenciômetros

chaves

LEDs

bornes banana

conectores

também precisamos considerar a disposição do conjunto.

Um painel organizado não é apenas mais bonito.

Ele também é mais fácil de utilizar.

A leitura precisa ficar visível

Um mostrador instalado no painel deve ser facilmente visualizado na posição normal de utilização.

Parece óbvio, mas isso deve ser considerado antes da montagem.

Dependendo do projeto, podemos posicioná-lo:

na parte frontal

ligeiramente inclinado

ou em uma superfície superior.

Também é interessante evitar que cabos e controles fiquem constantemente na frente do display.

E o consumo do próprio display?

O mostrador também consome energia.

Em um equipamento alimentado pela rede ou em uma fonte de bancada, normalmente isso representa pouco impacto.

Em sistemas alimentados por bateria, porém, deve ser considerado.

Um exemplo de pequeno voltímetro de três fios consome aproximadamente 3 a 4 mA, enquanto outros módulos podem ter valores diferentes.

Se o equipamento permanecer meses ligado a uma bateria, até uma pequena corrente permanente passa a ser relevante.

Um voltímetro de painel não substitui o multímetro

O display é excelente para:

monitoramento permanente

e:

leitura rápida.

Mas não devemos esperar que um módulo simples substitua um bom instrumento de bancada.

O multímetro continua sendo necessário para:

diagnóstico

medições em diferentes pontos

resistência

corrente

continuidade

diodos

e várias outras funções.

A diferença é que o mostrador responde continuamente a uma pergunta específica:

“qual é a tensão aqui?”

E faz isso sem precisarmos pegar outro instrumento.

Veja o mostrador digital no vídeo

No vídeo abaixo mostro um mostrador digital de tensão para instalação em painel de instrumentos e como esse pequeno módulo pode ser utilizado em projetos eletrônicos.

É um componente simples, mas pode melhorar bastante projetos como:

fontes de alimentação

painéis de bancada

carregadores

equipamentos experimentais

sistemas alimentados por bateria.

Um pequeno módulo pode deixar o projeto muito mais funcional

Existe uma grande diferença entre construir apenas:

um circuito que funciona

e construir:

um equipamento que é agradável de utilizar.

O painel faz parte dessa segunda etapa.

Quando acrescentamos:

mostradores

controles

conectores

identificação

e uma organização adequada, o circuito começa a se transformar em um verdadeiro instrumento.

E um pequeno voltímetro digital de painel é uma das maneiras mais simples de fazer essa transformação.

Em vez de pegar o multímetro toda vez que precisamos saber a tensão, basta:

olhar para o painel.