Depuis que la société Siemens a cessé la production des circuits intégrés UAA170 et UAA180, tous les lecteurs qui les utilisaient pour réaliser des voltmètres simples ou des vumètres à diodes LED, se sont trouvés en difficulté et se sont adressés à nous pour savoir s’il était possible de trouver des circuits équivalents.
A chacun, nous avons répondu que ces circuits Siemens pouvaient êtres remplacés par les circuits intégrés LM3914 et LM3915 de la société National Semiconductor.
Avec ces réponses, nous pensions avoir résolu le problème, mais ce n’est pas le cas, car les lecteurs ont souhaité en savoir plus et, si possible, disposer d’un circuit imprimé déjà gravé et percé pour pouvoir réaliser les projets.
Des UAA170 et 180 aux LM3914 et 3915
Commençons donc par vous expliquer les différences qui existent entre les circuits intégrés UAA170 - UAA180 et les circuits intégrés LM3914 - LM3915.
Le circuit UAA170, qui disposait d’une échelle linéaire, pouvait piloter 16 diodes LED en les illuminant individuellement (mode point).
Le circuit UAA180, qui disposait, lui aussi, d’une échelle linéaire, pouvait piloter 12 diodes LED en les illuminant sous forme de barre.
Le circuit LM3914 a une échelle linéaire en mesure d’illuminer 10 diodes LED seulement mais, par rapport aux circuits intégrés de la série UAA, il présente l’avantage de pouvoir les sélectionner de manière à les illuminer individuellement ou bien en mode barre en reliant la broche 9 à la masse ou bien au positif de l’alimentation.
Le circuit LM3915, ne se différencie du LM3914 que par son échelle qui est logarithmique.
Si l’on observe attentivement les schémas synoptiques de ces deux circuits, visibles sur les figures 1 et 2, l’unique différence que l’on peut noter, concerne les valeurs ohmiques des dix résistances reliées aux entrées non-inverseuse des 10 amplificateurs opérationnels présents à l’intérieur du LM3914 et du LM3915.
Les deux circuits peuvent êtres alimentés avec une tension comprise entre 3 et 18 volts.
Normalement, le circuit LM3914 s’utilise pour réaliser des voltmètres, des thermomètres, des indicateurs d’accord ou pour des niveaux de liquide, etc. En fait, dans toutes les applications nécessitant une échelle linéaire.
Le circuit LM3915 est, quant à lui, utilisé pour réaliser des vumètres, des wattmètres, etc. En fait, dans toutes les applications qui nécessitent une échelle logarithmique.
Pour comprendre la différence qui existe entre une échelle linéaire et une échelle logarithmique, il suffit de regarder le tableau 1.
Admettons que la dixième LED s’illumine lorsque nous appliquons une tension de 10 volts sur l’entrée, nous pouvons voir avec quelle tension, s’illumineront les 9 autres LED.
Dans la colonne du circuit intégré LM3914 on peut noter que la diode 9 s’illuminera avec une tension de 9 volts, la 8 avec une tension de 8 volts, la 7 avec une tension de 7 volts, etc.
Pour le circuit LM3915, qui est logarithmique, la diode 9 s’illuminera avec une tension de 7 volts, la diode 8 avec une tension de 5 volts, la diode 7 avec une tension de 3,55 volts, etc.
Figure 1 : Toutes les broches noninverseuse des 10 amplificateurs opérationnels présents à l’intérieur du LM3914 sont reliées entre elles avec des résistances de 1 000 ohms.
Figure 2 : Toutes les broches noninverseuse des 10 amplificateurs opérationnels présents à l’intérieur du circuit intégré LM3915 sont, quant à elles, reliées avec des résistances de valeurs décroissantes.Déterminer la tension de fond d’échelle
A travers la broche 8, il est possible de déterminer la tension de fond d’échelle.
Ainsi, nous établirons la valeur de la tension pour laquelle nous voulons allumer la LED 10.
En reliant la broche 8 à la masse, nous pourrons allumer la dernière LED en appliquant, sur la broche d’entrée, une tension de 1,25 volt seulement.
Pour réduire la sensibilité de manière à faire allumer la dernière LED avec une tension continue de 5, 9 ou 10 volts, nous devrons relier la résistance R3 entre la broche 8 et la masse, puis relier la résistance R2 qui alimentait les broche 6 et 7, sur la broche 8 (voir figure 3).
Disons tout de suite, que la résistance R2 sert également à déterminer le courant que nous voulons faire passer dans les LED, tandis que la résistance R3 sert à déterminer quelle tension maximale il faut appliquer sur la broche d’entrée 5 pour faire allumer la dernière LED (la 10).
Pour connaître la valeur ohmique de ces résistances, il faut d’abord calculer la valeur de la résistance R2 et puis celle de la résistance R3.
Pour calculer la valeur de ces résistances, nous pouvons utiliser les formules suivantes :
Admettons que nous voulions faire parcourir les LED par un courant d’environ 12 mA et que nous voulions également faire s’allumer la dixième LED avec une tension de 10 volts, la valeur que nous devrons utiliser pour R2, sera de :
Comme cette valeur n’est pas standard, nous pouvons tranquillement utiliser une valeur de 1 000 ohms.
Comme seconde opération, calculons la valeur de la résistance R3 à appliquer sur la broche 8 :
Comme cette valeur, elle non plus, n’est pas standard, nous pouvons utiliser une valeur de 6 800 ohms avec, en série, un trimmer de 2 200 ohms (voir figure 4), que nous réglerons jusqu’à ce qu’entre la broche 6 et la masse, nous puissions mesurer une tension de 10 volts à l’aide d’un simple voltmètre.
Si, en alimentant le circuit intégré avec une tension de 12 volts, nous voulons faire allumer la dixième LED en appliquant sur l’entrée une tension de 15 volts, nous devons appliquer sur la broche d’entrée 5, un diviseur de tension à résistances (voir figure 6), qui réduira la tension de 15 volts sur une valeur de 10 volts.
Pour calculer la valeur des deux résistances R1A et R1B, nous pouvons utiliser ces deux formules :
“volts A” est la valeur de tension qui est présente aux bornes de la résistance R1A. Dans notre exemple, cette tension correspond à 15 – 10 = 5 volts.
“volts sortie”, est la tension qui doit être présente aux bornes de la résistance R1B.
En admettant que nous ayons choisi pour R1A une valeur de 33 000 ohms, nous pouvons calculer la valeur de la résistance R1B :
Pour vérifier qu’en appliquant sur la résistance R1A une tension de 15 volts, nous retrouvons effectivement une valeur de 10 volts sur la résistance R1B, nous pouvons utiliser la formule suivante :
En insérant les valeurs numériques dans la formule ci-dessus, aux bornes de R1B, nous obtiendrons une tension de :
Comme il est pratiquement impossible de trouver les valeurs de résistances requises, la solution la plus pratique est celle de remplacer ce diviseur de tension par un trimmer de 100 kilohms (voir figure 7), que nous ajusterons afin de faire allumer la dixième LED avec une tension de 15 volts.
Nous vous rappelons qu’il est possible de faire allumer les LED l’une après l’autre ou bien sous forme de barre avec les deux circuits intégrés LM3914 ou LM3915.
Dans tous les schémas, vous pourrez noter que la broche 9 est reliée à un minuscule connecteur à trois broches référencé J1.
En reliant à la masse la broche 9, les diodes s’allumeront l’une après l’autre, si la broche 9 est reliée au positif de l’alimentation, les diodes LED s’allumeront sous forme de barre.
Figure 3 : La valeur de la résistance R2 détermine le courant qui parcourt les LED. Celle de la résistance R3 détermine la valeur de la tension à appliquer sur l’entrée pour allumer la dixième diode LED. Avec les valeurs utilisées, la dixième LED s’allumera avec 10 volts.Liste des composants figure 3
R1 = 100 kΩ
R2 = 1 kΩ
R3 = 8,6 kΩ
C1 = 47 μF électrolytique
DL1-DL10 = Diodes LED
IC1 = Intégré LM3914 ou LM3915
J1 = Cavalier
Figure 4 : La valeur donnée à la résistance R3 par le calcul, est une valeur difficilement disponible. Pour cela, nous vous conseillons de placer, en série avec la résistance de plus faible valeur calculée pour R3A, un trimmer R3B qui sera réglé pour faire s’allumer la dixième LED avec une tension de 10 volts.Liste des composants figure 4
R1 = 100 kΩ
R2 = 1 kΩ
R3A = 6,8 kΩ
R3B = 2,2 kΩ trimmer
C1 = 47 μF électrolytique
DL1-DL10 = Diodes LED
IC1 = Intégré LM3914 ou LM3915
J1 = Cavalier
Figure 5 : Le brochage des circuits intégrés LM3914 et LM3915 étant rigoureusement identique, vous pourrez les remplacer l’un par l’autre dans toutes les applications.Déterminer la tension de début d’échelle
Dans certaines applications, nous pourrions avoir besoin d’un montage, dans lequel la première diode LED ne s’allume pas avec une tension de 1 volt, mais avec une tension supérieure, par exemple 5 ou 7 volts, tout en conservant la tension de fond d’échelle de 10 volts.
Pour obtenir cette condition, la solution la plus simple est celle de déconnecter de la masse la broche 4 pour y insérer en série un trimmer de 22 kilohms (voir R4 sur la figure 8).
Admettons que nous voulions faire allumer la première LED avec une tension de 6 volts, il faudra appliquer sur la broche d’entrée 5, une tension de 6 volts, puis régler le trimmer R4, jusqu’à ce que la première LED s’allume.
Figure 6 : La tension maximale à appliquer sur l’entrée ne devra jamais être supérieure à la tension d’alimentation. Ainsi, si l’on veut allumer la dixième diode LED avec 15 volts, il faut placer un diviseur de tension sur l’entrée.Liste des composants figure 6
R1A = 33 kΩ
R1B = 66 kΩ
R2 = 1 kΩ
R3A = 6,8 kΩ
R3B = 2,2 kΩ trimmer
C1 = 47 μF électrolytique
DL1-DL10 = Diodes LED
IC1 = Intégré LM3914 ou LM3915
J1 = Cavalier
Figure 7 : A la place d’un diviseur de tension, il est plus pratique d’utiliser un trimmer. Ce dernier sera réglé pour que la dixième diode LED s’allume lorsqu’une tension de 15 volts sera appliquée sur l’entrée.Liste des composants figure 7
R1 = 100 kΩ trimmer
R2 = 1 kΩ
R3A = 6,8 kΩ
R3B = 2,2 kΩ trimmer
C1 = 47 μF électrolytique
DL1-DL10 = Diodes LED
IC1 = Intégré LM3914 ou LM3915
J1 = Cavalier
Figure 8 : En plaçant un trimmer entre la broche 4 et la masse, on pourra allumer la première LED avec une tension de 5, 6 ou 7 volts, en gardant toujours un fond d’échelle de 10 volts. En réglant le trimmer R4, la valeur de la tension lue entre la broche 4 et la masse, sera celle qui servira pour faire s’allumer la première diode LED.Liste des composants figure 8
R1 = 100 kΩ trimmer
R2 = 1 kΩ
R3A = 6,8 kΩ
R3B = 2,2 kΩ trimmer
R4 = 22 kΩ trimmer
C1 = 47 μF électrolytique
DL1-DL10 = Diodes LED
IC1 = Intégré LM3914 ou LM3915
J1 = Cavalier
Figure 9 : Photo du montage du schéma électrique de la figure 8.
Figure 10 : Photo du montage du schéma électrique de la figure 13.
Figure 11 : La barre de LED sera montée sur le côté du circuit imprimé opposé aux composants.Un voltmètre pour batterie automobile
Sur la figure 12, nous voyons un exemple de la façon d’utiliser le LM3914, pour réaliser un simple voltmètre à LED qui permettra de contrôler, à travers la prise allume-cigare de la voiture, l’état de charge de la batterie et également si l’alternateur la recharge correctement.
Avec les valeurs que nous avons utilisées, les diodes LED, s’allumeront avec les tensions suivantes :
LED 2 avec une tension de 11,0 volts
LED 3 avec une tension de 11,5 volts
LED 4 avec une tension de 12,0 volts
LED 5 avec une tension de 12,5 volts
LED 6 avec une tension de 13,0 volts
LED 7 avec une tension de 13,5 volts
LED 8 avec une tension de 14,0 volts
LED 9 avec une tension de 14,5 volts
LED 10 avec une tension de 15,0 volts
Pour contrôler la tension de la batterie, il suffit, d’insérer la fiche mâle dans la prise allume-cigare de la voiture concernée.
Comme vous pouvez le noter sur le schéma électrique de la figure 12, la tension de la batterie parvient sur le diviseur de tension R1A-R1B et, de là, elle est prélevée pour être appliquée sur la broche d’entrée 5 du circuit intégré LM3914.
Le condensateur C2, présent sur l’entrée, sert pour décharger à la masse les éventuels parasites générés par l’allumage du véhicule.
Si nous voulons obtenir une barre lumineuse, au lieu d’un allumage point par point des 10 LED, il suffit de relier la broche 9 à la tension positive de l’alimentation.
Figure 12 : Pour réaliser un voltmètre idéal pour le contrôle de l’état de charge de la batterie d’une voiture, vous pouvez utiliser ce schéma. La première diode LED, s’allumera lorsque la tension sera d’environ 10,5 volts et la dernière LED s’allumera avec une tension d’environ 15 volts. La tension d’alimentation peut être prélevée sur la prise de l’allume-cigare.Liste des composants figure 12
R1A = 22 kΩ
R1B = 22 kΩ
R2 = 1 kΩ
R3 = 4,7 kΩ
R4 = 22 kΩ
C1 = 47 μF électrolytique
C2 = 100 nF polyester
DL1-DL10 = Diodes LED
IC1 = Intégré LM3914
J1 = Cavalier
Clignotement en fond d’échelle
Un autre montage intéressant, que vous pouvez réaliser avec les circuits intégrés LM3914 et LM3915, est celui donné sur la figure 13, qui permet de faire clignoter toutes les LED, en cas de dépassement de la tension de fond d’échelle.
Ce circuit, qui est un simple voltmètre ou vumètre, peut être utilisé dans toutes les applications dans lesquelles il convient de savoir si on dépasse la tension maximale sur la broche d’entrée 5.
Pour faire clignoter les LED, il faut appliquer une résistance de 100 ohms (voir R6) en série avec la dernière diode LED, puis connecter un condensateur électrolytique de 100 microfarads (voir C2) avec une résistance de 470 ohms, que nous avons appelée R8, aux broches 6 et 7 du circuit intégré.
La résistance de 10 kilohms, que nous trouvons placée sur la première diode LED (voir R5), sert à forcer son extinction si elle venait à rester légèrement éclairée lorsque l’alimentation sur l’entrée est coupée.
Comme dans ce montage il faut relier les deux broches 8 et 4 à la masse, sur le circuit imprimé, il faudra insérer les deux cavaliers à la place des trimmers R3 et R4 (voir figure 24).
Pour faire clignoter les diodes LED, il est conseillé d’alimenter le circuit avec une tension de 5 à 9 volts, mais de ne pas adopter une alimentation par pile car celle-ci se déchargerait très rapidement.
Figure 13 : Ce circuit permet de faire clignoter toutes les diodes LED lorsque la tension de fond d’échelle est dépassée. Ce circuit doit être alimenté avec une tension de 5 à 9 volts.Liste des composants figure 13
R1 = 100 kΩ trimmer
R2 = 1 kΩ
R3 = non utilisé
R4 = non utilisé
R5 = 10 kΩ
R6 = 100 Ω
R7 = 1 kΩ
R8 = 470 Ω
C1 = 47 μF électrolytique
C2 = 100 μF électrolytique
DL1-DL10 = Diodes LED
IC1 = Intégré LM3914 ou LM3915
J1 = Cavalier
Un thermomètre simple
Avec le circuit LM3914, il est possible de réaliser un thermomètre simple, en utilisant comme capteur un quelconque transistor NPN (voir figure 14).
Rappelons que la tension de jonction de chaque transistor, se situe aux alentours de 0,6-0,7 volts et que celle-ci diminue d’environ 2,5 millivolts pour chaque augmentation de la température de 1 degré centigrade.
Comme nous n’avons que 10 LED, ce thermomètre aura une basse résolution.
Pour étalonner ce thermomètre, il faut d’abord régler le trimmer R2 de manière à faire allumer la dixième LED pour la température maximale, puis régler R6 pour la température minimale.
Si, par exemple, nous réglons le trimmer R2, de manière à faire s’allumer la dixième LED avec une température de 90 degrés et le trimmer R6 de manière à faire s’allumer la première LED avec une température de 16 degrés, nous aurons une résolution de seulement :
Si, par contre, nous réglons R2 de manière à faire s’allumer la dixième LED avec une température de 40 degrés et le trimmer R6 de manière à faire s’allumer la première LED avec une température de 22 degrés, nous aurons une résolution de :
Il faut tenir compte que les tensions fournies par le transistor utilisé comme sonde, sont dérisoires.
Ainsi, en choisissant des échelles de température très réduites, il y a un risque de visualiser des températures erronées.
Figure 14 : En utilisant un transistor NPN comme sonde thermique, vous pouvez réaliser un thermomètre simple à LED. Pour le réglage, nous vous renvoyons à la description faite dans l’article.Liste des composants figure 14
R1 = 22 kΩ
R2 = 10 kΩ trimmer
R3 = 150 kΩ trimmer
R4 = 1 kΩ
R5 = 2,2 kΩ
R6 = 100 kΩ trimmer
R7 = 150 kΩ
C1 = 47 μF électrolytique
DL1-DL10 = Diodes LED
TR1 = Transistor NPN quelconque
IC1 = Intégré LM3914
J1 = Cavalier
Deux circuits intégrés connectés en série
Si l’on relie deux circuits intégrés LM3914 en série, comme cela est représenté sur la figure 15, nous pouvons faire allumer un total de 20 LED.
Le premier circuit intégré allume la dixième LED lorsque la tension sur la broche d’entrée 5 atteint une valeur de 1,25 volt, tandis que le second circuit intégré allume la vingtième diode LED lorsque la tension sur la broche d’entrée 5 atteint une valeur de 2,5 volts.
Ainsi, si nous réglons le trimmer d’entrée R1 de manière à faire s’allumer la vingtième LED en appliquant sur l’entrée une tension de 2,5 volts, la première diode LED s’allumera avec une tension de 0,125 volt, la seconde avec une tension de 0,25 volt, la troisième avec une tension de 0,375 volt, etc.
Si, par contre, nous réglons le trimmer R1 de manière à faire s’allumer la vingtième LED avec une tension de 10 volts, la première diode LED s’allumera avec une tension de 0,5 volt, la deuxième avec une tension de 1 volt, la troisième avec une tension de 1,5 volt, etc.
Il est sous-entendu que si nous réglons le trimmer d’entrée de manière à faire s’allumer la vingtième diode LED avec une tension de 20 volts, la première diode LED s’allumera avec une tension de 1 volt, la deuxième avec une tension de 2 volts, la troisième avec une tension de 3 volts, etc.
Si nous voulons allumer individuellement chaque diode LED, nous devrons relier la broche 9 du premier circuit intégré sur la broche 1 du second et laisser déconnectée la broche 9 du second circuit intégré.
Si, par contre, nous voulons obtenir un allumage des diodes LED sous la forme d’une barre, il faut connecter les broches 9 des deux circuits intégrés au positif de l’alimentation.
Les deux cavaliers référencés J1 et J2, présents sur le circuit imprimé, nous permettent d’effectuer cette commutation.
Lorsque nous connecterons la broche 9 du premier circuit intégré avec la broche 1 du second circuit intégré, nous devrons toujours connecter entre le positif de l’alimentation et la broche 11 du premier LM3914 une résistance de 22 kilohms (voir R4). En l’absence de cette résistance, la dixième diode LED resterait allumée à l’allumage de la onzième LED.
Figure 15 : En reliant en série deux LM3914, vous pouvez réaliser un voltmètre en mesure d’allumer 20 diodes LED. Le trimmer R1 sera réglé pour faire s’allumer la vingtième diode LED avec la tension maximale que vous appliquerez sur les bornes d’entrée.Liste des composants figure 15
R1 = 100 kΩ trimmer
R2 = 1 kΩ
R3 = 2,2 kΩ
R4 = 22 kΩ
C1 = 47 μF électrolytique
DL1-DL20 = Diodes LED
IC1-IC2 = Intégrés LM3914
J1 = Cavalier
J2 = Cavalier
Figure 16 : Photo du montage du voltmètre avec deux circuits intégrés LM3914. Les diodes LED seront insérées sur le côté opposé aux composants comme cela est visible sur la figure 27.A suivre…
2ème partie et fin.
