Články / Merače a testery

Tlakomer na báze snímača MPX4115AP

---

Uvedená konštrukcia tlakomera, vyvstala z potreby merať podtlak v sacom potrubí benzínového motora. Po dlhom prehľadávaní internetu, som sa rozhodol pre vlastnú konštrukciu nakoľko vo väčšine konštrukcií je snímač pripojený priamo ku mikrokontroléru ,bez úpravy signálu. Signál je tam spracovávaný programom ,čo vyžaduje príliš veľa pamäti a výkonu procesora. Výpočty mnohokrát vyžadujú násobenie, delenie desatinných čísiel a to ešte v plávajúcej rádovej čiarke. Mnoho konštrukcií je nevhodne obvodovo riešená ,preto nepresná a degraduje presnosť inak celkom kvalitného snímača MPX4115AP.

Uvedený tlakomer upravuje signál zo snímača tak, aby výsledok A/D prevodu, obsahoval hodnotu tlaku priamo v kPa, (prípadne mBar). Výhodou je rozšírený teplotný rozsah obvodu ako aj nesymetrické napájanie (7-25V max.) ktoré je dané max. napájacím napätím OZ IC1. Ochranu proti prepätiu alebo prepólovaniu obvod nerieši.



Technické parametre:
Rozsah tlaku: 15 - 115 kPa (relatívne proti vákuu)
Presnosť: asi 2% v celom rozsahu meraného tlaku (pri teplote 0 - 80 °C)
Napájanie DC : cca 7 - 25V
Odber prúdu: max. 20mA
Výstup: Určený pre priame pripojenie k A/D prevodníku. 8-bitový A/D prevod vracia tlak priamo v kPa ,12 bit A/D prevod vracia hodnotu v mbar. (v závislosti od nastavenia Deliaceho pomeru rezistorov R5,R10,R13) Odozva na zmenu tlaku: asi 1mSec.

Popis zapojenia:

Samotné zapojenie je veľmi jednoduché, obsahuje iba 3 integrované obvody. Analógový výstup snímača MPX4115AP je pripojený priamo na neinvertujúci vstup, operačného zosilňovača IC2B. Blokovaný kondenzátorom C8.Rezistor R7 realizuje predpísanú záťaž výstupu snímača. Z výstupu IC2B je zavedená záporná spätná väzba rezistorom R6 a R9 na invertujúci vstup IC2B,zosilnenie signálu je 1,1 a udáva ho pomer odporov R6/R9. Dolný koniec R9 nie je pripojený na kostru ale na záporný zdroj napätia -5V.Realizuje sa tak kladný posun výstupného signálu presne o +0.50V.Signál je ďalej privedený na výstupný delič napätia R5,R10 a R13.Deliaci pomer tohto deliča sa odvíja od toho, k akému zariadeniu sa tlakomer pripojí, viz. Tabuľka 1. Hodnoty odporu sú neobvyklé a je treba ich poskladať z viacerých hodnôt ale pri SMD súčiastkach to nie je problém.

Pre zariadenie	deliaci pomer	R5+R10	R13	U MPX4115AP	U IC2B (7)	Uout
8bit A/D prevodník	2,56	1k56	1k	4,1 (100kPa)	5,01V	1,958V
12bit A/D prevodnik	1,025	25ohm	1k	4,1 (100kPa)	5,01V	4,8878V
DMM 2V-rozsah	5,01	4010ohm	1k	4,1 (100kPa)	5,01V	1V

Druhá polovica IC2 je použitá ako zdroj presného napájacieho napätia 5,10V pre snímač tlaku. Referenčné napätie je získavané presnou referenčnou diódou LM336.Výstupné napätie z vývodu 1 IC2A je privedené na regulačný vstup IC3 cez odporový delič R8,R11 ,doplnený o sériovo zapojené diódy D2 a D3. Tieto diódy sú použité ako teplotná kompenzácia obvodu. Rezistorom R8 sa natavuje výstupné napätie na 5,10V a je potreba ho zložiť z 2 vybraných kusov. Integrovaný obvod IC1 tvorí spínaný zdroj presného záporného napätia -5,0V ktoré je potrebné pre správnu funkciu OZ a pre jednosmerný posun meraného signálu. Integrovaný obvod MC34063AD je v doporučenom zapojení podľa katalógového listu. Kondenzátory C2,C3 filtrujú vstupné napätie. R1 je snímací rezistor obmedzenia prúdu.V obvode sa neuplatní, nakoľko odber zo zdroja je len niekoľko miliampér. Ponechaný je len kvôli prípadnému skratu, Max. prúd je obmedzený na asi 300 mA. Rezistory R2 a R3 tvoria delič spätnej väzby a na pomere ich odporu závisí výstupné napätie. R2 je opäť zložený z 2 hodnôt, ktoré treba vybrať pri nastavovaní obvodu. Kondenzátor C1 určuje frekvenciu oscilátora (asi 100Khz). D1 je veľmi rýchla spínacia dióda, najlepšie schottky. Kondenzátory C4 - C6 tvoria výstupný filter napätia. L2,C7 tvoria dodatočný filter. Všetky kondenzátory sú tantalové, viac kusov paralelne je radených kvôli zníženiu ESR. Operačný zosilňovač NJM2904 som použil kvôli väčšiemu teplotnému rozsahu (-40 - +85°C), nahradiť ho možno LM2904 , prípadne LM358 zo zníženým teplotným rozsahom (0 - 80°C).Konštrukciu som zvolil SMD kvôli väčšej pevnosti voči vibráciám a menším rozmerom. Samozrejme je možné zvoliť osadenie klasickými súčiastkami alebo iné úpravy, to už ponechám na čitateľovi tohto príspevku.

Osadenie a nastavenie:

Na plošný spoj osadíme všetky súčiastky, okrem snímača tlaku MPX4115AP a tlmivky L2 .Pravý koniec L2 alebo vývod 4 IC2 pripojíme na svorku GND. Namiesto určené pre snímač MPX4115AP ,pripojíme viacotáčkový trimer 10k tak aby bol bežec trimra pripojený na vývod 5 IC2B (viz. Obr.2). Pripojíme napájacie napätie napr.12V.Úpravou veľkosti odporu rezistora R8 nastavíme na vývode 1 IC2A napätie 5.10V. Od presnosti týchto nastavení závisí výsledná presnosť celého tlakomera ,preto treba použiť čo najpresnejší merací prístroj. Trimrom nastavíme 4.10V na vývode 5 IC2B. Na vývode 7 IC2B musí byť napätie 4.51V, inak upravíme veľkosť R6 prípadne R9.( Uout = Uin x 1.1 = 4.10 x 1.1 = 4.51) Teraz nastavíme zdroj záporného napätia. Úpravou hodnoty R2,nastavíme na kondenzátore C6 napätie -5.0V .Odstraníme provizórny zemný prepoj a osadíme tlmivku L2.Po pripojení napájania, skontrolujeme 4.1V na trimri. Ak je všetko v poriadku, na vývode 7 IC2B teraz musí byť napätie 5.01V.Pokiaľ je použitý výstupný delič 1/2.56 ,čo je môj prípad, je na výstupe napätie 1,957V . To zodpovedá hodnote 100 pre 8bit A/D prevodník s referenciou 5V.V schéme sú vyznačené farebne hodnoty pre tlak 20,50 a100Kpa.Doporučujem postupne nastaviť tieto hodnoty trimrom na vstupe a kontrolovať výstup. Ak je všetko v poriadku, je nastavenie dokončené a môžeme osadiť snímač tlaku.

Záver

Počas písania tohto článku ma napadlo niekoľko ďalších variant použitia tohto prístroja. Keby sa tento tlakomer zapuzdril spolu s niektorým digitálnym modulom voltmetra, bol by to šikovný príručný tlakomer pre automechanikov. Pripojením tohto modulu k PC by bolo možné vykresliť priamo krivky tlaku/podtlaku, či už pri atmosférických meraniach alebo na rôznych Strojoch .Ja tento modul používam v spojení s ECU motora, na meranie okamžitého tlaku v sacom potrubí, ako MAP senzor.

DOWNLOAD: Schéma a DPS v Eagle 5.7

Zoznam súčiastok:
R1 - 1R
R2 - 3k9,47k (viz.text)
R3 - 1k2
R4 - 2k2
R5 - 560R
R6 - 10k
R7 - 51k (56k)
R8 - 3k3, 1k
R9 - 100K
R10,R13 - 10k
R11 - 470R
R12 - 0R
C1,C8 - 470p (SMD 0805)
C2,C3 - 22uF/25V (tantal SMD velkosť D)
C4,C5,C6,C7,C10 - 100uF/16V (tantal SMD velkosť D)
C9 - 10n (SMD 0805)
C11 - 1n (SMD 0805)
D1 - SS12
D2,D3 - BAV99 (SOT23)
IC1 - MC34063AD (SO8)
IC3 - LM2904 (SO8)
IC3 - LM336
L1 - 220uH (TL.SMT75)
L2 - 1uH (SMD1210)
PS1 - MPX4115AP