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2 • Febrero 2001
Vatímetro con barra de ledsPor Alessandro Cattaneo
Montajes prácticos
Un dispositivo inteligente que, colo-cado a la salida del contador, indicacon una barra luminosa si hay algu-na carga eléctrica consumiendoenergía. Es ideal para mantener bajocontrol el consumo doméstico, gra-cias a una escala más legible que lasruedas del contador.
Salir con prisas de casa, dejando en-cendido un electrodoméstico, el am-plificador, el ordenador o el aparatode TV, es algo que suele ocurrir fre-cuentemente. Quien más, quienmenos, es un poco distraido y cuan-do se recibe la factura del consumoeléctrico, se paga el precio de losdescuidos.
¿Cómo acordarse de apagar porla mañana todo aquello que hemosencendido y no hemos apagado lue-go, y que se mantendrá funcionan-do hasta la vuelta, por la noche?¿Cómo tener la seguridad de nohaber cortado la alimentación de laplancha eléctrica, de la radio, o delas luces?
En estas páginas ofrecemos una
solución bien sencilla e inmediata. Setrata de un vatímetro que utiliza unvisualizador con una barra de 32 ledsy que, situado en una posición bienvisible, permitirá ver no solo el esta-do del consumo de la casa, sino tam-bién recordar antes de salir que debecomprobarse si todo está apagado.
En efecto, si ninguno de los dio-dos está encendido, significa que noestán alimentados, muientras que siuno o más están iluminados signifi-ca evidentemente que hay algo queestá consumiendo y, por lo tanto,debe echarse una mirada a los elec-trodomésticos.
En síntesis, este es el funciona-miento de nuestro proyecto, queaconsejamos montar inmediatamen-te después del contador, con el fin demonitorizar el consumo en el interiordel ambiente doméstico. Natural-mente, el dispositivo funcionará conigual fiabilidad en otros locales,como oficinas y establecimientos, asícomo en el laboratorio, si bien noofrece una gran precisión en la lec-tura. Ha sido proyectado como mo-
nitor, como señalizador del consumoen el hogar, y sirve para reclamarnuestra atención sobre la inminenterecepción de una abultada facturaque, como espada de Damocles,pende sobre nuestra cabeza. Sobretodo, si vemos encendidos constan-temente los leds de color rojo, losúltimos de la barra, indicando que elconsumo está próximo al máximoconsentido por los normales conta-dores en los hogares, de 3 kW.
Esquema eléctrico
El esquma eléctrico está com-puesto por dos partes distintas, quedefiniremos respectivamente como«Unidad Base» (figura 1) y «Display»(figura 2).
Iniciaremos el análisis a partir dela figura 1, aclarando en primer lu-gar que la medida de la potenciaconsumida es realizada por vía indi-recta, basándose en la corriente ab-sorbida por el contador de la Com-pañía. Esta última es detectada gra-cias a un particular artificio, que con-
Figura 1. Esquema
eléctrico de la unidad base.
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Montajes prácticos
siste en poner en serie, con uno delos dos conductores de la línea de220 voltios, el prmario de un peque-ño transformador. Este primario con-siste en una sola espira, realizada concable aislado de 2,5 mm cuadradosde sección.
Lógicamente, dicho transforma-dor no se encuentra ya hecho, por loque deberá prepararse con la ayudade uno de red (primario de 220 V ysecundario de 12 V), de un par devatios de potencia. Se eliminará elsecundario, introduciendo en su lu-gar la única espira y obteniendo asíun transformador con relación deaproximadamente 1 a 500.
Estos son detalles que veremosmás adelante, mientras que por aho-ra lo que interesa es profundizar enla teoría del funcionamiento de estemedidor.
Del secundario del transforma-dor (el que originalmente era el pri-mario de 220 V), obtendremos unatensión inducida de valor directa-mente proporcional a la que hay enla espira que actúa como primario.Puesto que ésta a su vez se encuen-tra ligada a la corriente de la línea,podemos decir que nuestra medidaes analógica, o bien que en la salidade TF2 encontramos una diferenciade potencial que es proporcional a lacorriente absorbida de la red eléctri-ca y, por lo tanto, a la potencia con-sumida, dado que esta última está li-
gada a tensión y corriente por unarelación lineal (P = V × I).
La señal que sale del transforma-dor TF2 va filtrada por la bobina L1y por el condensador C9, que juntosforman una célula pasabajos L/C, degran utilidad para suprimir las pertur-baciones a impulsos introducidas enlos conductores de la red por la con-mutación de cargas inductivas o ca-pacitivas.
La tensión así obtenida es ampli-ficada por el operacional U2a, conec-tado en configuración inversora yretroaccionado mediante la resisten-cia R5 y el ajustable R6. La gananciade dicha etapa es regulable entre 1y 10 gracias a R6: es máxima con elcursor totalmente hacia la patilla 1del LM358, y mínima si el cursor estáhacia R5).
Puesto que en este amplificadorentra una tensión alterna, en la sali-da hay una sinusoide, que pasa delbuffer U2b (éste trabaja en modo noinversor con ganancia unitaria) y esluego rectificada y nivelada por D1 yC10. De esta forma se obtiene unamagnitud prácticamente continua,cuyo valor es directamente propor-cional a la corriente absorbida por elcontador; por lo tanto, a la potenciaeléctrica consumida por los diferen-tes electrodomésticos que están enfunionamiento.
Aquí finaliza la primera parte delcircuito, de cuyos bornes OUT y masa
se toma la señal de control para el vi-sualizador.
Antes de pasar a este último,creemos que vale la pena observaralgunos detalles. En primer lugar, lamisión del amplificador inversor, quesirve sustancialmente para adaptar el
Figura 2. Esquema
eléctrico de la placa de
visualización.
Aspecto de la placa basea montaje ultimado. Seprestará particular aten-ción a las conexiones delprimario del transforma-dor utilizado como sen-sor de corriente. Las pis-tas correspondientes seestañarán abundante-mente, considerando laelevada corriente quecirculará por las mismas.
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transformador al circuito, y obtenersiempre la tensión fondo de escaladel display. El motivo es obvio: exis-ten diversos tipos de transformado-res, y también la diferencia construc-tiva y la preparación del nuevo prima-rio pueden conducir a obtener en elsecundario valores diferentes con re-lación a la corriente en la línea.
Por ejemplo, si se prepara untransformador, y lo mismo hace unamigo que lo ha adquirido en uncomercio distinto, es fácil que conéste, por un amperio absorbido, sal-gan del punto OUT 0,6 voltios mien-tras que en el primero sean apenas0,5 voltios. Además el amplificador,que permite regular la ganancia me-diante el R6, permite adaptar tam-bién transformadores con secunda-riuo de 9 o de 15 voltios.
Se observará que la inversión defase operada por U2b no altera enmodo alguno la medida.
Alimentación
Respecto a la alimentación he-mos optado, por lo menos para losoperacionales, por una dual: a la re-gleta de entrada llegan los 220 vol-tios, que son reducidos a 15 + 15voltios por el transformador principalTF1, en cuyo secundrio se encuentrael puente de diodos RS1. Estos recti-fican los dos semiondas de alterna,permitiendo obtener en los termina-les de los condensadores de nivela-do C1/C3 y C2/C4 tensiones conti-nuas, respectivamente, de +20 y−20 voltios.
La sección positiva es la másconsistente, porque sirve para hacerfuncionar el display, cuyos 32 leds lle-gan a requerir aproximadamente350 miliamperios. Por este motivo elestabilizador es un integrado 7812,en cuya salida obtenremos 12 voltiosbien regulados, que permitirán ali-mentar el visualizador y la patilla 8del LM358.
En cambio, para el brazo nega-tivo basta un diodo zener, DZ1, quefija a −12 voltios el potencial aplica-
Para realizar el sensor (TF2) es ne-cesario un transformador de unpar de vatios con primario de 220V y secundario de 10 a 15 V. Losdevanados estarán juntos y nosuperpuestos.
Cuando se disponga del transfor-mador, eliminar el devanado se-cundario (el de 10 ÷ 15 voltios),teniendo en cuenta que se tratadel que tiene las espiras másgruesas.
En este punto, enfilar un cablecon sección de 3 mm cuadradosen torno al núcleo liberado de lasespiras, de forma que se cree undevanado de una sola espira, querepresenta el primario del sensor.
Finalmente, fijar el cable con unatira de plástico, para bloquear laespira en torno al núcleo, aun-que no es necesario que se ad-hiera al mismo.
La realización del sensor
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do a la patilla 4 del mismo inegrado.La corriente requerida por éste es, enefecto, de pocos miliamperios. Elotro zener, DZ2, permite obtener lareferencia para los comparadores delvisualizador, correspondiente a 9,1voltios, lógicamente en continua.
Podemos pasar ahora a la se-gunda parte, refiriéndonos al esque-ma eléctrico de la figura 2.
Descripción de lasección visualizadora
Puede observarse en el esquemade la figura 2, de la que ilustramostan sólo una sección, que está com-puesta por un circuito integrado deltipo LM324 (un cuádruple operacio-nal), dando por supuesto que lasotras siete secciones son totalmenteiguales.
Pra la conexión entre la placa delmedidor y la del visualizador se utili-zarán cuatro hilos, positivo y nega-tivo de la alimentación, Vref (referen-cia a 9,1 voltios) y Vin (tensión amedir). Todos ellos los encontramosen el esquema eléctrico, y en par-ticular, Vref polariza el divisormúltiple que está compuesto por untotal de 32 resistencias referenciadascomo Ra, todas de igual valor y demodo que aseguren, entre cada ope-racional y el siguiente, una diferen-cia de potencial de aproximadamente275 milivoltios.
La visualización del display serápor lo tanto de escala lineal.
Vin alcanza las entradas no in-versoras de todos los operacionales.Dado que cada uno está configura-do como comparador no inversor,cada salida conmutará de cero al ni-vel alto apenas la línea Vin asuma unpotencial mayor que el de referenciallevado, del divisor múltiple, a la pa-tilla inversora.
Refiriéndonos al esquema eléc-trico de la figura 2, que muestra losprimeros cuatro comparadores des-de arriba (o sea los que tienen elumbral de conmutación mayor), po-demos decir que todos tienen la sa-
lida a cero lógico si la tensión demedida (Vin) no supera el valor pre-sente entre la patilla 9 del integradoy masa. Cuando se sobrepase dichoumbral, se activará el operacionalinferior, llevando la patilla 8 a nivelalto (aproximadamente 11,5 voltios)y alimentando así el led Ldn+1, quese enciende.
Si la tensión crece superando lapresente entre la patilla 13 y masa,conmuta también el comparador su-perior, de modo que la patilla 14pasa a nivel alto y enciende el ledcorrespondiente.
Este comentario es válido paralas ocho secciones, esto es para los32 comparadores y sus respectivosdiodos luminosos que componen elvisualizador.
Lógicamente, de igual modoque el divisor múltiple está compues-to por 32 resistencias, todas del mis-mo valor, podemos decir que en losterminales de cada una existe uunacaída de 0,275 voltios (el divisor seencuentra polarizado con 9,1 vol-tios). Esta diferencia de potencialcorresponde a la distancia entre losumbrales de los comparadores. Por
Figura 3. Circuito impreso,
a tamaño natural, de la
placa base.
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Figura 4. Circuito impreso,
a mitad de su tamaño, de
la placa de visualización.
Figura 5. Cableado de la
unidad base.
este motivo, cuando la Vi aumentaen 275 mV, se ilumina el siguien-te led de la escala.
Si bien la precisión del instru-mento no sea como la de un testero un vatímetro de laboratorio, la in-dicación es suficientemente significa-tiva, dado que si la potencia domés-tica está normalmente limitada a los3 kW del contador de la CompañíaEléctrica, cada led correspondeaproximadamente a 3.000/32 = 94vatios. Por ello, el centro de la escalailuminada indica 1,5 kW, una cuartaparte de la misma a 750 vatiosaproximadamente, etc.
Lo importante consiste en noestacionarse en los diodos rojos, queson los cinco últimos de la fila. Si seenciende por lo menos uno de ellos,significa que estamos absorbiendode la red no menos de 2.800 vatios,o sea la potencia rquerida por unalavadora en fase de calentamiento(lavado biológico: 2300 ÷ 2500 W),por un receptor TV color de gran ta-maño, algunas lámparas y un orde-nador encendidos, todos al mismotiempo.
Realización práctica
Llegados a este punto, no que-da más que afrontar la parte prácti-ca del proyecto.
La figura 3 reproduce el dibujo,a tamaño natural, del circuito impre-so para la placa base; mientras queen la figura 4 se muestra el circuitoimpreso para el visualizador.
Las figuras 5 y 6 muestran, res-pectivamente, el esquema prácticode la placa base y el de la placade visualización.
El montaje se iniciará con la in-
troducción de las resistencias y de losdiodos de silicio (estos últimos tienenuna polaridad que debe respetarse:el cátodo corresponde al anillo decolor en su cuerpo), a continuaciónel trimmer R6 y los zócalos para elLM358 en la placa base y para losocho LM324 en la unidad visualiza-dora, orientando cada uno de elloscomo se muestra en las correspon-dientes ilustraciones.
Colocar los condensadores,prestando atención a la polaridadespecificada para los electrolíticos. Sepasará ahora al puente rectificadorRS1 (prestar atención al sentido: el +debe «mirar» a U1) y el regulador detensión 7812. Para este último seutilizará un disipador de aluminiopara TO-220; el conjunto se apreta-rá con un tornillo 3MA con tuerca.
En cuanto a los 32 leds (circuito
del display), se montarán con la par-te achaflanada vuelta hacia el exte-rior de la placa, y a ser posible todosa la misma altura para obtener unconjunto estéticamente válido.
Para completar la placa base,insertar y soldar una regleta tripolarde circuito impreso, paso 5 mm, parala red, en correspondencia con lospuntos 220 V, más otra bipolar parala conexión con el visualizador. En laspistas correspondientes a IN, que al-bergarán el primario del transforma-dor que debe construirse para estedispositivo, se soldará otra regleta demayores dimensiones, capaz de so-portar de 16 a 20 amperios.
También en la placa del displayse situarán cuatro regletas de 5 mmde paso, para su interconexión con laplaca base.
No bay que olvidar efectuar los
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Figura 6. Cableado de la
unidad de visualización.
puentes en ambas placas: se podránrealizar con terminales cortados dediodos o de resistencias.
El transformador principal FT1debe tener el primario a 220 voltios/50 Hz y el secundario de 15 + 15voltios, y deberá ser capaz de ente-gar por lo menos 500 miliamperios(15 VA). Sus terminales deben ser deltipo para circuito impreso, ya que sino es así deberá hacerse alguna mo-dificación, o bien conectar los termi-nales a través de trozos de hilo a lasrespectivas pistas. En este caso, pres-tar mucha atenciópn a no equivocar-se y no confundir el primario con elsecundario.
El transformador parala medida
En lo que respecta a TF2, serápreciso un transformador de un parde vatios, con primario de 220 vol-tios y secundario de 12 voltios (tam-bién podrá emplearse con un secun-dario de 9 o 15 voltios). Debe ser deltipo con devanados juntos, fácilmen-te accesibles y visibles. Identificar elsecundario (que es el realizado conhilo más grueso) y cortar y extraer elconductor de cobre. Hacer pasar alinterior del núcleo un trozo de cableunipolar (con funda, por ejemploN07-VK) de 2,5 mm2 de sección, has-ta realizar una espira. Para ello, cru-zar el cable de entrada y el de salida,liberarlos del aislante y enfilar cadauno en los taladros oportunamenteampliados que llegan a las pistas IN.Es importante realizar una buenasoldadura, hecha con abundante es-taño, para evitar pérdidas. Tener encuenta que la única espira del prima-rio debe ser recorrida por toda lacorriente de carga.
Los terminales correspondientesal devanado de 220 voltios, que eneste caso actúa como secundario,deben entrar en cambio en las pistasque llevan a L1 y C9.
En este punto, el conjunto estácompleto. Con cuatro conductores,unir los puntos +V, masa, OUT y Ref
de las dos unidades, ordenadamen-te y comprobando que cada puntode una corresponda al respectivo dela otra.
Instalación deldispositivo
Una vez finalizado el montaje, sedeberá introducir el conjunto en unacaja de plástico suficientemente am-plia, colocando la placa del display enreposo sobre una de las paredes, ha-ciendo que los 32 leds estén a la vis-ta. A continuación, fijar el aparato asíconstruido en una pared próxima alcuadro eléctrico general o al conta-dor. Después de haber desconectadoel interruptor principal (palanca enposición 0), o sea el magnetotérmi-co situado habitualmente junto alcontador, elegir uno de los cables desalida (no importa que sea el neutroo la fase) y, por medio de un bornevolante de los utilizados por los elec-tricistas, conectarlo con otro pedazode cable aislado de 2,5 mm cuadra-dos a un punto de la regleta IN de laplaca base. Con otro cable, de iguallongitud y sección, conectar el con-tacto restante de la citada regleta alborne que permanece libre en la sa-lida del interruptor general.
De los dos bornes de este últi-mo, con un trozo de platina bipolarde 0,5 mm2, llevar la red a la regletade 220 V de nuestro circuito, demanera que se alimente el transfor-mador principal, una vez que recibatensión la instalación.
Ahora se podrá conectar de nue-vo el magnetotérmico (palanca enposición 1) y reponer la tensión encasa. Es probable que se vea ya algúnled encendido, en base a la carga co-nectada.
El ajuste delinstrumento
Si bien el instrumento debe ser-vir un poco de reclamo para evitarque queden encendidos aparatos oluces, es útil también para una indi-
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Conexiones con la instalación eléctricaConexiones con la instalación eléctricaConexiones con la instalación eléctricaConexiones con la instalación eléctricaConexiones con la instalación eléctricaDebiendo ser utilizado como espía, conviene colocar el instrumentopróximo a la puerta de casa, de manera que al salir la luz de la barrade leds pueda llamar nuestra atención y recordarnos que hay algúnaparato encendido, que está absorbiendo energía.Es necesario hallar un compromiso entre el punto más visible y el máscómodo para la conexión, dado que el aparato está en serie con lasalida del interruptor general. Afortunadamente, la solución del pro-blema es casi siempre inmediata dado que, normalmente, dicho in-terruptor, independientemente del hecho de que el contador esté encasa o en el sótano, está situado en las proximidades de la entradade cualquier apartamento.
Montajes prácticos
Durante esta fase recomendamos intervenir con la máxima pruden-cia, dado que se trata de «meter las manos» en una instalación ex-puesta a los 220 voltios de la red de la Compañía Eléctrica. Por lotanto, antes de tocar e iniciar la conexión, comprobar bien que seencuentra todo bajo control. Recordar que cualquier error puede serverdaderamente peligroso.
cación cualitativa del consumo. Porlo tanto, conviene realizar un peque-ño ajuste para hacer que sea sufi-cientemente preciso y fiable, confian-do a cada diodo led un valor de po-tencia fácilmente legible en cualquiermomento.
Después de haber alimentado lainstalación y de haber dejado encen-didas tres lámparas de 100 vatios, esaconsejable tomar un pequeño des-tornillador y girar con el mismo elcursor del trimmer R6, hasta que seenciendan únicamente los tres pri-meros leds. Con esta sencilla regula-ción podremos tener la seguridad deque cada diodo led encendido enmás corresponderá a un incrementode aproximadamente 100 vatios enel consumo de casa.
Lógicamente, también es posibleutilizar cualquier otra carga cuyoconsumo se conozca. Por ejemplo,con un secador del cabello de 1.000vatios, deberá regularse el trimmerR6 hasta que se enciendan los diezprimeros leds.
Puede efectuarse un ajuste máspreciso disponiendo un tester, situa-do para la medida de corrientes ena.c. con fondo de escala de 10 am-perios, en serie con uno de los cablesde la red. En este caso, se tendrá laprecaución de no haber conectadouna carga que exceda los 1500 va-rios, ya que de otro modo se daña-ría el instrumento.
Hecho esto, leer la indicación enel cuadrante e intervenir en R6 parahacer que se encienda el correspon-diente número de leds.
Recordamos para finalizar quecada amperio corresponde a dos dio-dos; por lo tanto, si se lee 1,5 A ac-tuar de modo que se iluminen tresleds, o sea LD1, LD2, LD3 únicamen-te, y así sucesivamente.
Lista de componentes (placa base)
R1 = 150 ΩR2, R3 = 1 kΩ
R4 = 10 kΩ
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Montajes prácticos
Una imagen del prototipo realizado en nues-tro laboratorio. La construcción del vatímetrocon barra de leds no presenta particulares difi-cultades, salvo en lo que se refiere al transfor-mador utilizado como sensor. En lo que respec-ta al display con barra de leds empleado en estecaso como vatímetro, nada impide utilizarlo enotros dispositivos para visualizar tensiones con-tinuas de valor comprendido entre 1 y 10 vol-tios. Es suficiente fijar la tensión de referenciade forma apropiada en relación a la máximatensión de entrada que deba medirse. Si, porejemplo, la tensión de entrada está compren-dida entre 0 y 5 voltios y queremos que la máxi-ma tensión produzca el encendido del últimoled de la barra, deberemos entregar al circuitouna tensión de referencia de 5 voltios.
R5 = 1 kΩR6 = trimmer 100 kΩR7 = 100 ΩR8 = 10 kΩ
C1, C2 = 470 µF 25 V,electrolíticos
C3, C4 = 100 nF, multicapaC5, C7 = 220 µF 25 V,
electrolíticosC6, C10 = 100 µF 25 V,
electrolíticosC8, C9 = 100 nF, cerámicos
D1 = diodo 1N4007DZ1 = zener 12 V 0,5 WDZ2 = zener 9,1 V 0,5 WU1 = regulador 7812U2 = LM;358
RS1 = puente diodos 2 AL2 = choque 100 µH
TF1 = transformador 220 V/15-0-15 V 0,6 A
TF2 = sensor transformador
Varios:- zócalo 4 + 4- regleta 2 polos (2 piezas)- regleta 3 polos- regleta 2 polos paso 10 mm- disipador para TO-220- circuito impreso
Lista de componentes display
R1 = 32 resistenciasde 10 kΩ
RA = 32 resistenciasde 1 kΩ
RB = 32 resistenciasde 820 Ω
C1 = 100 µF 16 V, electrolíticoCA = 8 condensadores
de 100 nF, multicapaCB = 8 condensadores
de 220 µF 16 V,electrolíticos
U1 a U8 = LM324
LD1 a LD27 = leds de color amarillo, de 5 mm
LD28 a LD32 = leds de color rojo,de 5 mm
Varios:- zócalo 7 + 7 (8 piezas)- conector strip 4 polos- circuito impreso
