Piirin komponentit - Development of electronics for a ceramic gas sensor

3 Elektroniikka

3.1 Piirin komponentit

Kaasulähettimen käyttöjännitteenä on käytetty yksipuolista +5 V standardijännitettä. Se on yleisin digitaalisten laitteiden käyttöjännite, ja on yleistymässä myös analogiapuolella. Matala käyttöjännite mahdollistaa myös suuren jänniteskaalan laitteen ulkopuolelta kytkettävälle sisääntulojännitteelle. Käyttöjännite muodostetaan valmiista +10 V-+25 V tasasuunnatusta jännitteestä reguloimalla. Regulaattorina (A201, liite 1) on käytetty National Semiconductorin LP2950AC:tä, jonka etuja ovat pieni häviövirta, pieni jännitehäviö sekä pieni lämpötilariippuvuus /20/. LP2950AC:n ulostulosta saadaan +5,00 V reguloitu ulostulojännite 100 mA ulostulovirtaan asti. Sen virtakestoisuus ja jännite ei ole riittävä suuren tehon tarvitsevalle lämmitysvastukselle, jonka tehonsyöttöön on käytetty toista regulaattoria (LM317). Lämmitysvastuksen suuri tehontarve asettaa alarajan (+10V) laitteelle syötettävälle tasajännitteelle, joka reguloidaan edelleen piirin käyttö- ja lämmitysjännitteeksi. Lämmitysjännite on reguloitu anturin lämmityksen pitämiseksi stabiilina.

Operaatiovahvistimina on käytetty National Semiconductors operaatiovahvistimia LMC662C, LM358 ja LM324, joista kaksi ensimmäistä on kaksikko- ja viimeinen nelikko-operaatiovahvistin. Ne on valittu hyvien ominaisuuksiensa takia, joita ovat pieni lämpötilariippuvuus ja toiminta yksipuolisella +5 V käyttöjännitteellä. Käytetyt kaksikko-operaatiovahvistimet poikkeavat toisistaan ulostulon jännitealueen ja

sisääntulonapojen yhteismuotoisen jännitealueen osalta. LMC662C:n ulostulojännite nousee lähes käyttöjännitteeseen asti (Vout=Vdd*0-22 V), kun LM358:n ulostulojännite jää 1.5 V käyttöjännitteen alapuolelle (Vout=Vdd-1.5 V). Toisaalta LMC662C:n sisääntulojännitteen yhteismuotoinen jännitealue on 1 V pienempi kuin LM358:n, jääden arvoon VDD-2.5 V /20/. Käytetty nelikko-operaatiovahvistin on LM358:n nelikkoversio.

Vastuksina on käytetty metallikalvovastuksia (±1%, 0.25 W). Vastuksien arvot on suunnitellussa kytkennässä valittu siten, että niiden häviöteho on pieni ja että ne kuuluvat ŒC-luokkaan E96. Vastusten lämpötilariippuvuuden kerroin on alle 1 MÍ2 vastuksilla 100E-6/°C ja tätä suuremmilla vastuksilla 200E-6/°C /21/. Säädettävinä vastuksina on käytetty monikierrostrimmereitä, jotta halutun vastusarvon asettaminen tarkasti olisi helpompaa.

Kondensaattoreina on käytetty yleisesti polykarbonaattikondensaattoreita niiden stabiilisuuden ja pienen lämpötilariippuvuuden vuoksi. Polaarisina kondensaattoreina on käytetty tantaalikondensaattoreita elektrolyyttikondensaattoreita pienemmän koon ja laajemman lämpötila-alueen vuoksi.

3.2 СО-ANTURIN JOHTAVUUDEN MITTAUS

Anturin johtavuuden mittausasteessa muutetaan tinadioksidin johtavuuden muutoksella mittauspiirin ulostulojännitteen DC-tasoa. Mittausasteessa suoritetaan myös koko piirin kalibrointi, mikä on tarpeellinen piirissä SnC^-paksukalvojen valmistustekniikan aiheuttaman tinadioksidin johtavuuspoikkeamien vuoksi. Lisäksi anturin pitkänajan epästabiilisuus vaatii piirin kalibroimista anturin johtavuuden muuttuessa tinadioksidin vanhetessa.

3.2.1 Johtavuusmittauksen toimintaperiaate

Hiilimonoksidianturin johtavuus muuttuu hiilimonoksidin pitoisuuden muuttuessa anturia ympäröivässä ilmassa. Anturin toimintalämpötilassa tinadioksidi on resistiivinen, mutta kuten anturin testauksessa tuli ilmi, on anturin johtavuus jänniteriippuva (kappale 2.1.2). Tämän vuoksi anturin johtavuuden mittaus tulee suorittaa joko vakiojännitteellä

tai vakiovirralla. Vakiojännitteellä mitataan virran muutosta johtavuuden muuttuessa, vakiovirralla vastaavasti jännitteenmuutosta. Vakiovirtamittauksessa vakiovirta olisi tässä tapauksessa pieni, koska käyttöjännite on matala ja anturi suuri-impedanssinen.

Erittäin pienen virran pitäminen vakiona suurella lämpötila-alueella on vaikeaa.

Vakiojännitteen käyttö anturin johtavuuden mittauksessa on siis nähty paremmaksi vaihtoehdoksi.

Mittauksen vakiojännite muodostetaan jännitelähteessä, jonka jännite on riippumaton anturin johtavuudesta eli sen läpi kulkevasta virrasta. Anturin yli kytketyn vakiojännitteen aikaansaama virta muutetaan virta/jännite-muuntimella jännitteeksi, joka on sovitettu linearisointiasteen sisääntuloon sopivaksi.

3.2.2 Johtavuusmittauksen piiri

Johtavuusmittauksen piiri rakentuu ainoastaan yhden operaatiovahvistimen ympärille.

Operaatiovahvistinta on haluttu käyttää vakiojännitelähteenä ja samalla vaikuttaa operaatiovahvistimen ulostulojännitteeseen tässä vakiojännitteessä olevalla anturilla.

Ratkaisuna on jouduttu päätymään ei-invertoivaan vahvistinkytkentään, jonka vahvistuskertoimeen anturin johtavuudella vaikutetaan. Ulostulojännite on jännitteenjaossa muodostetun vakiojännitteen tulo ei-invertoivan vahvistinkytkennän vahvistuskertoimen kanssa. Kytkennän huonona puolena on anturin johtavuuden kasvaessa kasvava ulostulojännite. Tällöin anturin johtavuuden mittaavasta vakiojännitteestä on täytynyt tehdä riittävän pieni, ettei operaatiovahvistimen ulostulojännite ohjaudu pois lineaariselta alueelta vahvistuskertoimen ollessa suurimmillaan. Lisäksi ulostulojännitteen minimin ja maksimin erotus on haluttu pitää suurena. Pieni vakiojännite merkitsee anturin pienempää mittausvirtaa, mikä on herkempi häiriöille.

Mittauspiirin vakiojännite muodostetaan operaatiovahvistimen AI sisääntulonavoissa (kuva 3.2.2.1 tai liite 1). Sen ei-invertoivaan sisääntulonapaan muodostetaan halutun vakiojännitteen suuruinen referenssijännite jännitteenjaossa käyttöjännitteestä VDD vastuksilla R3 ja R4. Sama jännite, mutta erotettuna operaatiovahvistimen offsetjännitteellä, on myös operaatiovahvistimen invertoivassa navassa. Offsetjännite käytetyllä operaatiovahvistimella (LMC662C) on erittäin pieni (max 6 mV), jolloin lämpötilan muutoksen aiheuttama offsetin muutoskin on pieni (1.3 p.V/°C). Tämä pieni

jännitteenmuutos ei vaikuta mittaukseen. Al:n invertoivan navan jännite on riippumaton tinadioksidin läpi kulkevasta virrasta, koska operaatiovahvistimen takaisinkytkentä pitää jännitteen vakiona. Anturin vakiojännitteeksi on valittu 2.5 V, mikä on puolet käyttöjännitteestä V¡)q. Se saadaan vastuksien R3 ja R4 jännitteenjaosta asettamalla niiden arvot yhtä suuriksi. Niiden kummankin arvoksi on valittu 100 Ш häviövirran pitämiseksi pienenä. Jännitteenjaon vastusten läpi kulkevan virran suhde operaatiovahvistimen bias virtaan on tällöin 1E7, joten operaatiovahvistin ei häiritse jännitteenjakoa.

A1 LMC662

Kuva 3.2.2.1. Johtavuuden mittaamiseen käytetty piiri. Rg on anturin johtavuutta kuvaava resistanssi.

Operaatiovahvistin AI toimii vakiojännitelähteen lisäksi myös virta/jännite- muuntimena, jossa anturin johtavuuden muutoksen aiheuttama virran muutos muutetaan jännitteeksi. Anturin (kuvassa 3.2.2.1 vastus Rs) virta kulkee myös

operaatiovahvistimen AI takaisinkytkentä vastuksena toimivan trimmerin RV1 kautta aiheuttaen siinä ohmin lain mukaisen jännitehäviön. Tällöin Al:n ulostulossa nähdään sen invertoivan navan jännitteen ja kytkennän vahvistuskertoimen tulo käyttöjännitteen VDD funktiona kaavan 3.2.2.1 mukaisesti. Vahvistimen sisääntulonapojen välinen offsetjännite on niin pieni, ettei sitä oteta kaavassa huomioon.

R VI ) R4

* * y

Rs + R2 J R3 + R4 DD (3.2.2.1)

Takaisinkytkentävastuksena on käytetty trimmeriä RVl, jotta laitteen vahvistus voidaan säätää laitetta kalibroitaessa. Kalibrointi täytyy tehdä signaalille ennen linearisointias tetta, jotta kaikilta antureilta saatavat signaalit näyttäisivät linearisointiasteelle samanlaisilta samoilla СО-pitoisuuksilla. Trimmerillä RVl asetetaan Al:n ulostulojännite siten, että anturin johtavuuden ollessa suurimmillaan (Pco=100 ppm) mittausasteen ulostulojännite VCT saavuttaa maksimiarvonsa. Suuri jännite mahdollistaa paremman signaali/kohina-suhteen laitteen ulostulossa.

Johtavuus tinadioksidilla vaihtelee valitussa toimintalämpötilassa (300°C) välillä 11.21E-6 -19.22E-6 S CO-osapaineen alueella 0-100 ppm. Johtavuuden arvoista saadaan vahvistukseen vaikuttavan vastuksen resistanssin Rs arvot kaavan 3.2.2.2 mukaisesti.

SnC^-kalvon resistiivisyyden vaihteluväliksi saadaan 52.0-89.2 Ш, jolloin anturin läpäisevän virran suuruus vaihtelee 2.5 V vakiojännitteellä välillä 28.0-48.1 mA.

(3.2.2.2)

Sallimalla operaatiovahvistimen ulostulojännitteen VCT maksimiarvoksi 4.5 V voidaan kaavasta 3.2.2.1 laskea takaisinkytkennän trimmerin RVl arvo johtavuuden ollessa suurimmillaan (Rs=52 Ш). Piirin muiden vastusten arvot ovat R2=l Ш, R3=100 Ш ja R4=100 Ш. RVl arvoksi saadaan 42.4 Ш, joten kytkentään valitaan 100 Ш trimmeri.

Johtavuuden ollessa pienimmillään (R§=89.2 ki2) saadaan operaatiovahvistimen ulostulojännitteen arvoksi 3.7 V (RV 1=54.1 kfi). Jännite-ero ulostulossa johtavuuden kasvaessa pienimmästä arvosta suurimpaan on siis 13.7-4.51 V= 0.82 V.

Kytkentään on lisätty Al:n takaisinkytkentään kondensaattori Cl, joka muodostaa takaisinkytkentävastuksen RVl kanssa alipäästösuodattimen. Sillä suodatetaan mittaussignaalin suuri taajuiset häiriöpiikit pois. Suodatuksen alarajataajuus on riippuvainen trimmerin RVl arvosta (asetetusta vahvistuksesta), mutta

tyypillisimmillään -3 dB:n rajataajuus on valituilla komponenttien arvoilla noin 2 kHz.

Tämä taajuus voidaan laskea kaavasta 3.2.2.3, missä kerroin k on trimmenn RV1 painokerroin.

f,= 1

2 * П * k * RV1 * Cl;0 < k < 1 (3.2.2.3)

Kalibrointia varten on kytkentään jouduttu lisäämään myös offsetsäätö. Offsetin säädöllä asetetaan laitteen ulostulosignaalin taso vastaamaan hiilimonoksidin osapaineen nollatasoa. Offsetsäätö muodostuu trimmeristä RV2 sekä vastuksista Rl ja R2. RV2:lla säädetään jännitettä VRy2 nollan ja viiden voltin välillä. Vastuksilla Rl sekä R2 suoritetaan jännitteenjako VRV2:n sopivaksi skaalaamiseksi offsetjännitteeksi V0ff (kaava 3.2.2.4). Skaalauksella muutetaan trimmerillä suoritettava säätö halutulle jännitealueelle, jolloin offsetin tarkka asetus voidaan tehdä helpommin.

**Voff=VRV2*^**

(3.2.2.4)

Offsetjännitteen vaihtelualueeksi AVoff on asetettu 50 mV. Tämä arvo on sijoitettu kaavaan 3.2.2.4, josta on saatu vaadittu vastusten Rl ja R2 suhde. Vastus R2 valitaan pieneksi, jolloin sen vaikutus johtavuuden mittaukseen on myös pieni (kaava 3.2.2.1).

50 mV offsetjännitteellä on vastusten R2 ja Rl suhde 0.01 (Vrv2=Vd£)=5 V).

Valitsemalla R2:n arvoksi 1 Ш saadaan Rl:n arvoksi 100 Ш.

Varsinainen laitteen kalibrointi tapahtuu asettamalla ensin laitteen ulostulosignaali nollatasoon hiilimonoksidin osapaineen ollessa 0 ppm. Tämän jälkeen nostetaan hiilimonoksidin osapaine halutulle tarkalle tasolle (esimerkiksi 70 ppm) ja säädetään vahvistuksen (gain) avulla ulostulosignaali vastaamaan tätä tasoa. Koska ulostulo on lineaarinen, kalibroituu piiri koko mittausalueellaan näiden kahden mittauspisteen avulla.

Johtavuusmittauksen stabiilisuus on riippuvainen käyttöjännitteen ja anturin johtavuuden stabiilisuudesta. Itse operaatiovahvistimen epästabiilisuus on niin pieni, ettei sillä ole merkitystä.

3.3 MITTAUSSIGNAALIN LINEARISOINTI

Anturin johtavuuden mittaavalta asteelta saatava signaali on epälineaarinen, mikä on seurausta anturin johtavuuden eksponentiaalisesta riippuvuudesta kaasun osapaineeseen (kaava 1.3.1.2, kuva 2.1.4.1). Matemaattisesti tarkastellen mittausasteelta signaali on kaavan 3.3.1 mukainen, missä VCT on mittausasteen ulostulojännite ja Px hiilimonoksidin osapaine. Tekijä Vq kuvaa tässä jännitesignaalia hiilimonoksidin 0 ppm osapaineella.

Kaavaa on yksinkertaistettu käyttämällä eksponenttilausekkeen tilalla pelkästään eksponenttia b ja osapaineen vakiokertoimena kerrointa a. Kertoimet a ja b ovat anturikohtaisia, sillä ne ovat riippuvaisia puolijohdemateriaalin koostumuksesta. Myös ympäristön kosteus ja lämpötila vaikuttavat näihin kertoimiin. Hiilimonoksidianturin tapauksessa b:n arvo on aina alle yksi. Tinadioksidipastan koostumusta muuttamalla b:n arvo voitaisiin asettaa lähes yhdeksi, jolloin ominaiskäyrä saataisiin jo anturin valmistusvaiheessa lähes lineaariseksi. Tällöin anturin herkkyys hiilimonoksidille jää kuitenkin pieneksi.

V<j = v0 + a*Pco (3.3.1)

Johtavuuden mittauksesta saatavan DC-jännitesignaalin linearisoimiseksi on olemassa useampi vaihtoehto. Yksi keino anturin ominaiskäyrän linearisoimiseksi on käyttää mikroprosessoria, jonka muistiin talletetaan mittaussignaalin lineaariseksi muuttava taulukko. Taulukon arvoihin viitataan A/D-muunnetuilla mittaussignaalin arvoilla ja taulukosta luettu arvo muunnetaan D/A-muuntimella analogiasignaaliksi. Tämä on kallis, mutta kieltämättä hyvä ja tarkka keino epälineaarisen DC-signaalin linearisoimiseksi.

Analogiapiirein linearisointi voidaan tehdä esimerkiksi käyttämällä logaritmi- ja eksponentiaalivahvistimia kuvassa 3.3.1 esitetyn kaavion mukaisesti. Offsetsäädöllä

eliminoidaan ensin Vq, minkä jälkeen signaali vahvistetaan logaritmisen vahvistuksen omaavalla vahvistimella. Tämän jälkeen kerroin a saadaan eliminoitua offsetsäädöllä ja eksponentti b lineaarisella vahvistimella asettamalla sen vahvistukseksi l/b.

Vahvistamalla jäljelle jäänyt signaali eksponentiaalivahvistimella, saadaan piirin ulostulosta suoraan hiilimonoksidin osapaineeseen Pco verrannollinen signaali.

Vou, « Pco <

Vi cc V0 + a *P^ot

1 ^/

offsetsäätö V2 cc a *Pco

\^j/ loe, vahvistin V3 ^CC ln( a * Pm) =■ ln( a ) + b * 1

\^J/ offsetsäätö V4 ^CC b*ln(PC0)

N^k Iin, vahvistin

Vi cc In (Pco)

у stop, vahvistin

V6 CC exp(ln(PC0))

Kuva 3.3.1. Hiilimonoksidianturilta saatavan signaalin linearisointi käyttämällä logaritmi- ja eksponentiaalivahvistimia. Vm (m=l .. 6) kuvaa edelliseltä asteelta saatavaa jännitettä.

Hankaluutena logaritmi- ja eksponentiaalivahvistimissa on niiden suuri lämpötilariippuvuus. Suurille lämpötilavaihteluille immuuni vahvistinpiiri tarvitsee lämpötilakompensoinnin, mikä nostaa piirin hinnan korkeaksi.

Diplomityössä linearisoinnissa on päädytty paloittain tehtyyn linearisointiin. Se on periaatteeltaan mahdollinen toteuttaa tavallisilla operaatiovahvistimilla käyttämällä hyväksi operaatiovahvistimien ulostulojännitteen rajoittumista käyttöjännitettä kapeammalle jännitealueelle.

3.3.1 Linearisointiasteen toimintaperiaate

Linearisointi mittausasteen DC-signaalille perustuu operaatiovahvistimien ulostulojen rajalliseen lineaariseen toiminta-alueeseen. Asettelemalla kunkin operaatiovahvistimen offsetjännite ja vahvistus sopivaksi, saadaan operaatiovahvistimien ulostulot ohjattua sisääntulojännitteellä (hiilimonoksidin osapaineella) joko lineaariselle tai epälineaariselle alueelle. Operaatiovahvistimen ulostulojännitteen ollessa epälineaarisella alueella ei ulostulojännite reagoi sisääntulojännitteen vaihteluihin, vaan pysyy vakiona maksimi- tai minimijännitteessään. Kuvassa 3.3.1.1 on havainnollistettu linearisoinnin periaatetta. V¡ kuvaa johtavuuden mittausasteelta saatavaa jännitettä ja VpV5 viiden eri operaatiovahvistimen ulostulojännitettä linearisointiasteessa (vasemmanpuoleinen kuva). Linearisointiasteen ensimmäisen operaatiovahvistimen ulostulojännite Vj on aina lineaarisella alueella. Seuraavan operaatiovahvistimen ulostulojännite (V2) siirtyy lineaariselle alueelle hiilimonoksidin osapaineen ylittäessä pisteen B. Tämä jännite summataan jännitteeseen Vj operaatiovahvistimien jälkeen kytketyllä summausvahvistimella. Loput linearisointiasteen operaatiovahvistimista kytkeytyvät lineaariselle alueelle vastaavasti niille asetelluissa pisteissä (C, D ja E), jolloin ne summautuvat edellisten lineaariselle alueelle siirtyneiden jännitteiden kanssa linearisointiasteen ulostulojännitteeksi V0 (yhtenäinen viiva oikeanpuoleisessa kuvassa).

Kuva З.З.1.1. Paloittain suoritetun linearisoinnin periaate. Summaamalla epälineaarinen signaali Vj sopivasti itseensä, saadaan linearisointiasteelta ulos tietyn virheprosentin sisällä oleva lineaarinen signaali V0.

Valittu linearisointiperiaate soveltuu hyvin juuri tässä diplomityössä esitellyn tinadioksidianturin signaalin linearisointiin, koska anturin johtavuuden muutos muodostaa mittausasteen ulosmloon tasaisen logaritmisesti kasvavan signaalin. Alarajan linearisointilohkojen määrälle asettaa haluttu linearisoinnin tarkkuus ja anturilla mitattava kaasun osapaineen alue. Ylärajan määrää haluttu valmiin kaasulähettimen hinta ja koko. Suunnitellussa kytkennässä linearisointilohkojen määräksi on valittu 4 lohkoa, jolloin linearisoinnin tavoitteena on ollut päästä ±1% F.S. (virhe huippuarvosta) tarkkuuteen täysin lineaarisesta ulostulosta.

3.3.2 Linearisointipiiri

Kuvassa 3.3.2.1 on esitetty linearisointiasteen muodostava kytkentä. Se muodostuu neljästä samanlaisesta linearisointilohkosta, joiden vahvistus ja offsetjännitteet poikkeavat toisistaan. Linearisointiasteeseen kuuluu myös näiden lohkojen signaalien summain, jonka ulostulojännite Vout liikkuu välillä 0-1 V vastaten 0-100 ppm hiilimonoksidin osapainetta.

Llnearlsointilohko I C2

A2 / A

A1 / 8

Linearisointilohko II Linearisolntilohko Linearisointilohko IV

Kuva З.З.2.1. Linearisointiasteen muodostava piiri. Linearisoitu signaali muodostuu neljästä palasesta, joille jokaiselle on linearisointiasteessa oma lohkonsa.

Jokainen linearisointilohko muodostuu kuvassa 3.3.2.1 lohkon I mukaisesta operaatiovahvistinkytkennästä, joista jokaista seuraa summaimen painokertoimena toimiva vastus (R13-R16). Linearisointilohkojen todelliset ulostulojännitteet Vn (n=l, 2, 3, 4) ovat päinvastaiset kuin kuvassa 3.3.1.1, johon ne linearisoinnin periaatteen yksinkertaistamiseksi piirrettiin ylösalaisin. Sisääntulojännitteen V, kasvaessa pienenee kunkin lohkon ulostulojännite kaavojen 3.3.2.2-3.3.2.5 mukaisesti niiden siirryttyä maksimijännitteestään lineaariselle alueelle. Lineaariselle alueelle siirtyminen tapahtuu ulostulojännitteen Vn laskiessa operaatiovahvistimelle ominaisen jännitteen alapuolelle.

Käytetyllä operaatiovahvistimella kyseinen jännitearvo on VDD-1.5 V=3.5 V, jota suurempaa arvoa minkään linearisointilohkon ulostulojännite ei saavuta.

Syöttämällä vakiojännite ei-invertoivassa vahvistinkytkennässä ei-invertoivaan napaan, on vahvistimen ulostulojännite kaavan 3.2.2.1 mukainen. Muuttamalla vastukset kuvan 3.3.2.1 vastuksiksi ja kytkemällä samassa kuvassa jännite V¡ nollapotentiaaliin, saadaan kuvan 3.3.2.1 ensimmäisen linearisointilohkon ulostulojännitteeksi kaavan 3.3.2.1 jännite Vj'.

(3.3.2.1)

Kytkemällä V¿ pois maapotentiaalista johtavuuden mittausasteelta saatavaan jännitteeseen, muuttuu vastuksen R6 yli olevan jännitteen suunta V¡:n kasvaessa suuremmaksi kuin ei-invertoivan navan referenssijännite Vrl. Tällöin virta R6:n läpi muuttaa suuntaa, joten myös virta R5:n läpi muuttaa suuntaa, joten jännite vahvistimen ulostulossa laskee näiden vastusten määräämässä suhteessa jännitteen V¡ kasvaessa.

Jännitteen Vj lopullinen muoto on siten kaavan 3.3.2.2 mukaisesti:

(3.3.2.2)

Muiden linearisointilohkojen ulostulojännitteet (V2, V3 ja V4) saadaan kaavoista 3.3.2.3, 3.3.2.4 ja 3.3.2.5, missä kaavan 3.3.2.2 vastusten paikalle on vaihdettu kyseisten lohkojen vastukset. Vastusten numerointi vastaa laitteen kytkentäkaaviota (liite 1).

1 1 V R24*R7 R7 * .

R7 RS) R24 + R23 uu RS 1 (3.3.2.3)

R26 * R9 » R26 + R25 ^VDD“

R9 RIO

*y.

(3.3.2.4)

,R28*R11 RU

R28 + R27 DD R12 1 (3.3.2.5)

Johtavuuden mittausasteen ulostulojännitteen VCT arvossa täytyy ottaa huomioon myös linearisointiasteen operaatiovahvistimien rajalliset yhteismuotoiset sisääntulojännitteet.

Linearisointiastee seen valitulla operaatiovahvistimella (LM324) yhteismuotoisen sisääntulojännitteen maksimiarvo on VDD-1.5 V=3.5 V. Suurimmillaan 4.5 V:iin nouseva mittausasteen ulostulo Va ei ole linearisointiasteen operaatiovahvistimille liian suuri, koska jännite skaalataan linearisointilohkoille sopivaksi jännitteeksi V¡ vastuksilla R29 ja R30.

Linearisointilohkojen ulostuloj ännitteiden V1-V4 summaamiseksi on käytetty invertoivaa summainta, jolloin kasvava CO-osapaine näkyy summaimen ulostulossa kasvavana jännitteenä Vout. Summaimen ulostulojännite on kaavan 3.3.2.6 mukainen, missä vastukset R13-R16 määräävät kukin linearisointilohkonsa jännitteen painokertoimen.

Vout=Vrs + f VB-V2 , Уга-Уз , Vrs-V4 UR

V R13 R14 R15 R16 ¹⁷ (3.3.2.6)

missä jännite Vre :

Vrs = Rl 8

R18 + R19 ^VDD (3.3.2.7)

Summaimen vastuksilla R17, R18 ja R19 skaalataan linearisointilohkojen jännitteiden summa alueelle 0-1 V. Summaimen operaatiovahvistimena on käytetty johtavuuden mittausasteen operaatiovahvistimen A 1/A toista puolikasta A 1/B (LMC662). Vastus R20 ja kondensaattori C2 on mukana kytkennässä vahvistimen pitämiseksi stabiilina eri suuruisilla kapasitiivisilla kuormilla /20/. Riski värähtelyyn joutumisesta on kytkennässä suuri, johtuen summaimen pienestä vahvistuskertoimesta.

Vout / V 1.00 T 0.90 0.80 0.70 0.60 0.50 0.40 0.30 --0.20

--0.10^-- P(CO) / ppm

Kuva 3.3.2.2. Kaasulähettimen linearisoitu ulostulojännite hiilimonoksidianturille.

Katkoviivalla piirretty suora kuvaa täysin lineaarista vastetta, johon linearisoitua ulostulojännitettä on verrattu.

Linearisointiasteen operaatiovahvistimien vahvistusten ja rajajännitteiden (Vrl-Vr4) sekä summaimen painokertoimien ja skaalauksen laskemisen helpottamiseksi muodostettiin

linearisointiasteesta simulointimalli Microsoft Excel taulukkolaskentaohjelman avulla (liite 2). Taulukkoon annettiin lähtöarvoina mitatut anturin johtavuuden arvot hiilimonoksidin eri osapaineissa alueella 0-100 ppm. Simuloinnin vasteena saatiin linearisointiasteen summaimen ulostulojännite edellä esitettyjen koko piirin siirtofunktioiden avulla. Linearisointia muokattiin muuttamalla siirtofunktioiden vastusten arvoja. Saatujen simulointitulosten perusteella piirsi ohjelma summaimen ulostulojännitettä kuvaavan vasteen (kuva 3.3.2.2).

Simuloinnin välituloksina saatiin myös jokaisen neljän linearisointilohkon ulostulojännite ennen summainta. Nämä jännitteet on piirretty kuvaan 3.3.2.3, josta nähdään eri lohkojen siirtyminen lineaariselle alueelle. Lohkon П ulostulo siirtyy lineaariselle alueelle noin 14 ppm, lohkon 1П ulostulo 41 ppm ja lohkon IV ulostulo 77 ppm CO-osapaineella.

3.00 -s

2.00

1.00^-■

P(CO) / ppm

Kuva 3.3.2.3. Linearisointilohkojen ulostulojännitteet Vn ennen summausta. Lohkon I jännite Vj on aina lineaarisella alueella. Muiden lohkojen ulostulojännitteet siirtyvät lineaariselle alueelle CO-osapaineen ylittäessä lohkolle asetetun arvon.

Tärkeimmän jännitteen kytkennässä muodostaa linearisointilohko I, jonka jännite on aina lineaarisella alueella. Muut jännitteet summataan siihen epälineaarisuuden korjaamiseksi. Simulointi aloitettiin asettamalla lohkon I jännite koko CO- mittausalueella lineaariseksi ja säätämällä summaimen vahvistus ja offset tälle jännitteelle sopivaksi. Tähän jännitteeseen lisättiin muiden lohkojen jännitteet indeksinsä (n) mukaisessa järjestyksessä, ja säädettiin vastaavasti niiden referenssijännitteet ja

vahvistukset simuloinnin perusteella. Operaatiovahvistinten ulostulon toiminta kahdella alueella, lineaarisella alueella ja äärijännitteessään, on simuloimissa toteutettu lyhyellä if-then rakenteella. Jännitteen ollessa lineaarisella alueella, on jännite Vn suoraan ideaalisen jännitteen Vn* suuruinen. Ideaalisen jännitteen ylittäessä 3.5 V tai alittaessa 0 V jännitteet, saa jännite Vn tämän äärijännitteen arvon. Yksikään linearisointilohko ei saavuta piirissä nollajännitettä, mutta simuloinnin aikana nollajännitteen määrittelystä oli hyötyä asetettaessa lohkon vahvistus liian suureksi. Simulointitaulukon (liite 2) pystysarakkeissa L, N, P ja R käytetty ehtolauseke on muotoa:

if V„*<Vdd-1.5 V then

ifVn*>0V then Vn=Vn*

else Vn=0 V else Vn=VDD-1.5 V

Simuloinnin jännitteistä voitiin päätellä ulostulojännitteiden Vn rajajännitteen ja vahvistuksen muutoksen tarve vertaamalla summaimen ulostulojännitettä samaan kuvaan piirrettyyn täysin lineaariseen vasteeseen. Vahvistuksen säädöllä asetettiin kunkin linearisointilohkon ulostulojännitteen muutos suoran jännitteenmuutosta vastaavaksi alueella, jossa jännite Vn on lineaarisella alueella ja seuraavan lohkon jännite Vn+1 ääriarvossaan 3.5 V. Rajajännitteiden (Vrl-Vr4) säädöllä lohkon ulostulojännitteen arvot asetettiin yhtä suuriksi suoraa vastaavien jännitearvojen kanssa, eli säädettiin lohkon offsetjännite.

virhe / % F.S.

1.00 T

P(CO) / ppm

-1.00

Kuva 3.3.2.4, Linearisoidun ulostulon linearisointivirhe prosentteina huippuarvosta.

Simulointitulokseen vaikuttavien vastusten arvoja muutettiin siten, että summaimen ulostulojännite muodostui mahdollisimman lineaariseksi koko mittausalueella.

Lineaarisuus ilmaistiin lasketussa taulukossa virheprosenttina täysin lineaarisesta vasteesta, virheprosentin keskiarvona, sekä myös graafisena vasteena ulostuloasteelta saatavasta signaalista (kuva 3.3.2.4). Neljä linearisointilohkoa riitti linearisoimaan CO- osapainealueen 0-100 ppm virherajojen ±1% F.S. sisälle.

3.4 AUTOMAATTINEN LÄMMITYKSENOHJAUS

Hiilimonoksidianturin lämmitys tapahtuu substraatin alapuolelle silkkipainetulla platinavastuksella. Siihen syötetään tarvittava teho anturin korkean toimintalämpötilan aikaansaamiseksi. Lämmitys toimii katalyyttinä anturin pinnalla tapahtuvissa reaktioissa (kappale 1.3.3). Korkeammassa lämpötilassa myös puolijohteen elektronien energia on suurempi, jolloin reaktionopeuden kasvun lisäksi paranee myös anturin johtavuus (kuva 2.1.2.1).

Pelkän vakiojännitteen syöttö lämmitysvastuksen lämmittämiseksi ei riitä, koska vakiojännitteellä ympäristön lämpötilan muuttuessa, muuttuu myös anturin lämpötila ja siten sen johtavuus. Ympäristön lämpötilan kasvaessa pysyy lämpövirtaus anturista likimain samana, jolloin anturin lämpötila kasvaa. Tällöin lämmitysvastuksen resistanssi kasvaa pienentäen vakiojännitteellä lämmitysvastuksen läpi kulkevaa virtaa. Pienempi virta lämmittää lämmitysvastusta puolestaan vähemmän, mikä taas kompensoi ulkoisen lämpötilan kasvua. Pienenevän virran aiheuttama lämpötilan muutos on siis oikean suuntainen, mutta ei riittävä kumotakseen ulkoisen lämpötilanmuutoksen ja pitämään anturin vakiolämpötilassa. Anturin lämpötilaa kontrolloiva piiri on siten kaasulähettimessä välttämätön.

Lämmitysvastukselle syötettävän tehon suuruudesta johtuen (kappale 2.2.4) syntyy tehon lineaarisella ohjauksella ongelmia tehoa syöttävän komponentin kanssa.

Lämmitysvastuksen virta kulkee myös tehoa ohjaavan komponentin kautta, jonka yli jäävä jännite yhdessä lämmitysvastukselle menevän virran IRT kanssa muodostaa

komponentin häviötehon (kaava 3.4.1). Suurta virtaa ohjaavan bipolaaritransistorin ongelmana on kollektorin ja emitterin välinen jännite VçE. Lineaarisella ohjauksella ja suurella virralla kasvaa transistorin häviöteho suureksi, koska VçE:n täytyy olla riittävän suuri transistorin pysymiseksi lineaarisella alueella. VçE:n ollessa liian pieni ajautuu

transistori kyllästystilaan, eikä transistori enää reagoi kannalle syötettävän virran muutoksiin.

p = vœ*irt (3.4.1)

Häviötehon minimoimiseksi on lämmitysvastuksen tehonohjaus toteutettu pulssimuotoisena käyttämällä pulssileveysmodulaatiota. Tällöin lämmitystä ohjataan transistorilla vain kahdella jännitetasolla: jännite alhaalla, jolloin lämmitystehon suuruus on nolla, ja jännite ylhäällä, lämmitysteho kytkettynä. Anturin lämpötila määräytyy tällöin sille syötetystä keskimääräisestä tehosta. Pulssileveysmodulaatiossa transistorin pienempi tehonkulutus perustuu siihen, että transistoria käytetään pelkästään kytkimenä.

Kytkimen ollessa kiinni ohjataan transistori saturaatioon ja kytkimen ollessa auki ei transistori johda lainkaan. Valitsemalla transistori, jolla on rakenteensa ansiosta pieni kollektorin ja emitterin välinen saturaatiojännite Vpp^f, saadaan myös transistorin häviöteho pieneksi. Pulssitetun tehonsyötön häviötehon keskimääräinen arvo voidaan laskea kaavasta 3.4.2, missä ttot on yhden pulssin jakson pituus ja t0ff jakson alhaallaoloaika.

p - Ilot__ tpff * у * t__

rav - . vŒsat ART

Ltot (3.4.2)

Tehon syöttö

Komparaattori hystereesillä Lammi ty sv astu s

Kuva 3.4.1. Kaavio automaattisesta lämmityksenohjauksesta.

Kuvassa 3.4.1 on esitetty kaavio automaattisesta lämmityksenohjauksesta, jolla anturin lämpötila pidetään vakiolämpötilassa. Kaavio muodostuu neljästä osasta:

lämmitysvastus, lämpötilan mittaus, Schmitt-trigger (komparaattori hystereesillä) ja tehonsyöttöä rajoittava kytkin.

3.4.1 Toimintaperiaate

Perusideana lämmitysvastuksen tehonsyötön pulssileveysmodulaatiossa on säätää siirretyn tehon suuruutta jännitepulssin leveydellä. Anturin lämpötilan noustessa lämmitysvastukselle siirrettävää keskimääräistä tehoa pienennetään anturin lämpötilan nousun pysäyttämiseksi ja lämmitysvastuksen lämpötilan laskiessa keskimääräistä tehoa vastaavasti suurennetaan. Keskimääräisen tehon kasvattaminen tapahtuu kasvattamalla ylhäällä olevan jännitepulssin leveyttä (ton), tehon pienentäminen vastaavasti kaventamalla ylhäällä olevan pulssin leveyttä (kaava 3.4.2 ja kuva 3.4.1.1). Alhaalla olevan pulssin leveys (t0ff) on vakio riippumatta lämpötilasta.

Kuva З.4.1.1. Pulssileveysmodulaation periaate anturin lämmityksen ohjauksessa.

Anturin lämpötilan T kasvaessa kavennetaan ajassa t etenevän pulssin ylhäällä ("1") olevaa leveyttä, jolloin lämmitysvastukselle siirrettävä teho pienenee.

Lämpötilan mittauslohkossa mitataan anturin toimintalämpötila platinavastuksen resistanssin muutoksen muodossa. Termistorin käyttöä ei ole pidetty parhaana vaihtoehtona anturin lämpötilan mittaukseen, koska tällöin anturin lämmitykseen käytettävästä tehosta osa johtuisi termistorin jalkoja pitkin pois anturista. Jo pelkästään anturin neljän johtimen kautta on arvioitu tapahtuvan noin 1/3-osa kokonaislämpövirtauksesta /18/. Termistorin käyttäminen ilman lämpötilan mittaamiseen ja sen avulla anturin lämpötilamuutoksen kompensointi on myös huono vaihtoehto, koska anturin lämpötilaan vaikuttaa myös ympäröivän ilmavirran

In document Development of electronics for a ceramic gas sensor (sivua 47-0)