Egyszerű hobbiáramkörök

FET teszter

Amikor a telefontechnikában a megbízhatatlan mechanikus jelfogók kiváltására valami másféle kapcsolót keresgéltek, és eközben a tranzisztort felfedezték, nem sejtették, hogy a fejlődésben mekkora lavinát indítanak el. Eddig mindenhol, ahol csak az elektronikában erősíteni, kapcsolni stb. kellett, ott a jól bevált és időközben egyre tökéletesebb elektroncsöveket használták. Csakhogy az elektroncsöveknek többek között két nagy hátrányuk is van: esetenként nem kis teljesítményű fűtést igényelnek, és a működésükhöz magas tápfeszültség szükséges. Ezzel szemben viszont teljesítmény nélkül vezérelhetők. Ez utóbbit egyelőre jól jegyezzük meg.

1-es ábra, klikkeljen ide!

Az első tranzisztorok germániumból majd később szilíciumból készültek. Ezek úgynevezett bipoláris tranzisztorok voltak, mivel a tranzisztorhatás kifejtésében az elektronvezetés és az elektronhiány, azaz a lyukvezetés egyformán előfordul. A tranzisztorok sok, mindenki által ismert előnyeik mellett, az elektroncsövekkel szemben, teljesítménnyel vezérelhetők. Emiatt számos területen az elektroncsöveket nem lehetett tranzisztorokkal kiváltani, mígnem újabb felfedezés révén megjelentek a FET-ek.
Ezek a félvezetők úgynevezett unipoláris tranzisztorok mivel bennük működés közben vagy csak elektronvezetés vagy csak lyukvezetés alakulhat ki. Ebbe a csoportba tartozik az összes térvezérlésű tranzisztor. A záróréteges térvezérlésű tranzisztorokat, a JFET-eket n-csatornás és p-csatornás változatban készítik. Felépítésüket és rajzjeleiket az 1. ábrán láthatjuk.
A JFET-eknek is, hasonlóan a bipoláris tranzisztorokhoz, három kivezetésük van, az S SOURCE (Forrás), a D DRAIN (Nyelő) és a G GATE (Kapu). Ezek nagyjából összevethetők a bipoláris tranzisztorok kivezetéseivel, az emitterrel az S, a kollektorral a D és a bázissal a G, csakhogy a működésük merőben más.
A JFET-ek lényege, hogy egy aktív csatornához (ez az S és a D között húzódik és lehet n, vagy p, eszerint n-csatornás vagy p-csatornás a JFET), két ellenkező p vagy n vezető zónát hoznak létre, amiket összekötve alakul ki a G elektróda. Rákapcsolt feszültség hatására például az n-csatornás JFET-ben az S-től a D felé elektronáramlás indul. Az elektronáram nagyságát a rákapcsolt feszültség és a kristály pályaellenállása határozza meg. Az n vezető csatornának mindkettő p zónával szemben pozitív feszültsége van, emiatt két záróréteg alakul ki. A zárórétegek annál szélesebbek, minél nagyobb a záró irányba ható feszültség, azaz minél negatívabb az S és a G közé kapcsolt feszültség.

2-es ábra, klikkeljen ide

3-as ábra, klikkeljen ide

Az elektronok számára áramlási útként egyedül a csatorna létezik, és ennek a csatornának az ellenállása a zárórétegekkel, azaz a tértöltési zónákkal változtatható, vezérelhető. Az egész folyamatot képzeljük el úgy, hogy az 1. ábrán a két p réteg területe a közöttük levő n-csatorna rovására fokozatosan növekedne. Ez a növekedés a csatorna mentén nem egyenletes, a záróréteg a D közelében jobban nő. A vezérlés teljesítmény nélkül megy végbe, a JFET-ek tehát ebben a vonatkozásban az elektroncsövekéhez hasonló képességgel rendelkeznek.
Sokan állítják, hogy valójában a térvezérlésű tranzisztorok az elektroncsöveket kiváltották. Igazuk is van meg nem is. A térvezérlésű tranzisztorok másik nagy csoportjának az elnevezése a felépítésükkel magyarázható. A MOS FET, METAL OXID SEMICONDUCTOR, (Fém-oxid félvezető) aktív része a p vezető kristályból, az úgynevezett szubsztrátból, és két n vezető szigetből áll (2). A kristályt szilíciumdioxid fedőréteggel borítják, rajta két ablakkal az S és a D elektródák számára. A szilíciumdioxid fémoxid réteg kiváló szigetelő, az átütési szilárdsága is nagy. Erre a fémoxid rétegre a G elektróda számára egy vékony alumínium réteget gőzölögtetnek. Magát a kristályt, azaz a szubsztrátot rendszerint a tokon belül az S-sel összekötik de előfordul, hogy külön kivezetik. A MOS FET-ben az S-hez képest pozitív G feszültség hatására az S és a D között n-típusú "vezető híd" keletkezik. A híd vezetőképessége tehát a gate feszültséggel szabályozható, és így a drain-áram vezérelhető. A vezérlés most is teljesítmény nélkül megy végbe.

4-es ábra, a nagyobb képhez KLIKKELJEN IDE!

A FET-eket nem lehet egyszerűen a bipoláris tranzisztorokhoz megfelelő Ohm-méréssel ellenőrizni. Mint erről az EM 1998/10. számában szó volt, ez az ellenállás-méréses módszer a tranzisztoroknál csak a durvább hibákat mutatja ki, a zárlatokat és a szakadást. A gyakorlatban mégis elegendő, mivel a tranzisztor ritkán hibásodik meg szakadás vagy teljes zárlat nélkül. A FET-eknél tehát az említett módszer nem jöhet számításba. Ha viszont az előzőeket kellő mértékben átgondoltuk, világossá válhatott, hogy egy egyszerű áramkörrel a FET-ek is a bipoláris tranzisztorokhoz hasonlóan a durvább hibákra tesztelhetők. Egy JFET vagy egy MOS FET vonatkozásában a durva hiba egyértelműen csak a szakadás és a rövidzárlat lehet. Sőt a térvezérlésű tranzisztorok a bipoláris tranzisztoroknál nagyságrendekkel nagyobb bemeneti impedanciák miatt sokkal kényesebbek, gondoljunk például a MOS FET-ek statikus feszültségekre való érzékenységére. Pontosabban a FET-ekre rendszerint egy áramköri hiba következtében biztos halál vár, ami szakadás vagy rövidzárlat formájában jelentkezik.
Amatőr gyakorlatban leginkább, sőt szinte kizárólag az n-csatornás JFET-eket használják. Leggyakoribb típusok:
BF245A, BF245B, BF245C,
BF246A, BF246B, BF246C,
BF256A, BF256B, BF256C,
E300, E310, J300, J310, 2N3819 stb.

5-ös ábra, kattintson ide!

Az n-csatornás JFET-ek jellegzetes karakterisztikája a drain-áram a negatív gate-feszültség függvényében. Egy ilyen nemlineáris görbét, a BF256C karakterisztikáját láthatjuk a 3. ábrán. A görbéből jól látható, hogy ha a JFET G kivezetését az S-hez kötjük, vagyis a gate-feszültség nulla, akkor a drain-áram maximális. Továbbá ahogy növeljük a negatív gate-feszültséget, a drain-áram úgy csökken, a nemlineáris görbének megfelelően.
Ezek után térjünk át a tesztelő áramkörre. A teljes kapcsolást, ami csak néhány alkatrészből áll, a 4. ábrán láthatjuk. A kivezetéseivel helyesen az áramkörhöz csatlakozó n-csatornás JFET tesztelése a következőképpen megy végbe. Amikor a mérendő példányt a készülékhez kapcsoljuk, az mindig legyen feszültségmentes. Ezt az N jelű nyomógomb alaphelyzetben nem biztosítja. A K kapcsoló most "Töltés", a P potenciométer 0 V-os állásban van. Kapcsoljuk be a készüléket. A piros LED fényesen világít. Ez a jelzés azt jelenti, hogy a látszólag hibátlan JFET drain-árama a körülményekhez képest maximális, mivel a G és az S elektródája a K kapcsoló "Töltés" állásában összezáródik és a gate-feszültség nulla. Ha a piros LED nem világít, akkor próbaképpen nyomjuk meg az N gombot. Ha a LED ekkor sem világít, akkor a vizsgált JFET példány hibás. Ellenkező esetben, amikor a LED normálisan világít, folytathatjuk a tesztelést.

6-os ábra, klikkeljen ide!

A P potenciométerrel állítsunk be -1 V-os gate-feszültséget, miközben a K kapcsoló változatlanul a "Töltés" állásban marad. Váltsuk most át ezt a kapcsolót "Teszt" állásba, és nyomjuk meg az N gombot: a LED ismét fényesen világít, a JFET rendben van. A K kapcsolót ezután ismét állítsuk "Töltés" állásba, és a P potenciométerrel emeljük a gate-feszültséget -2V-osra. Váltsuk a K kapcsolót "Teszt" állásba és nyomjuk meg az N gombot: a LED ismét világít. Folytassuk a P potenciométerre lépésenként a már ismert módon a gate-feszültség emelését, amíg egyszer csak a -5 V-os környéken a LED az N gomb benyomásakor nem világít. Ez teljes mértékben rendjén való, mert ha a 3. ábra görbéjére nézünk, ott ebben a tartományban a drain-áram majdnem nulla. Ebből is kiderül, hogy a tesztelés során nem csinálunk mást, mint a JFET-nek ezt a görbéjét követjük. Ha az R ellenállás és a piros LED közé egy milliamper-mérőt kötünk, akkor nagyjából azokat az áramértékeket mérhetjük a hozzájuk tartozó gate-feszültségeknél, mint amit a 3. ábra mutat.
Felmerül a kérdés, hogy a p-csatornás JFET-eket és a MOS FET-eket lehet-e hasonlóan, esetleg ezzel az áramkörrel tesztelni. Az n-, és a p-csatornás JFET-eknél lényegesen a polaritás különbözik. A p-csatornás JFET-ek teszteléséhez az áramkör összes polaritás függő alkatrészét, ezek a diódák és a LED-ek, meg kell fordítani a tápfeszültséget adó 9 V-os teleppel együtt. Ezután a tesztelés menete lényegében megegyezik az n-csatornás JFET-eknél alkalmazottal. Természetesen az eredmények típusonként és példányonként minden esetben eltérhetnek egymástól.
A MOS FET-eknél egy kissé bonyolultabb a helyzet. Példaképpen nézzük a BS170 drain-áram görbéjét az 5. ábrán. Ahhoz, hogy ezt némiképpen követni lehessen, az eredeti áramkört a 6. ábra szerint át kell alakítani. Jobban mondva inkább érdemes egy újabb áramkört összeállítani.
Lényeges különbség, hogy a K kapcsoló alaphelyzetben üresben áll, a P potenciométerrel pedig pozitív gate-feszültséget állítunk. A tesztelés menete tulajdonképpen itt is abból áll, hogy a 6. ábra áramkörével az 5. ábra görbéjét követjük nagyjából.
Ez az áramgörbe természetesen csak a BS170-esnél igaz, más típusoknál másféle görbe alakul ki. A MOS FET vizsgálatánál ügyeljünk a statikus feszültségekre!

FAGYÁSVÉDELEM

7-es ábra, klikkeljen ide!

Közeleg a tél, ami elsősorban hideget jelent. Rendszerint mindig ott fagy meg valami, ahol a legnagyobb kárral jár. Nem véletlen, hogy a fagynak kitett vízvezetékeket ilyenkor még időben vízteleníteni kell. A fagyás ellen ez egy hatékony megoldás, de egyben kizárja a víz használatát. A mai energiaárak mellett általában nem fűtjük túl a házat, sőt ahol lehet, ott takarékossági okból a lehetőség ellenére sem fűtünk. Emiatt azután egy kemény téli fagyos éjszaka nem várt következményekkel jár.
Képzeletben körbejárva házunk táját, könnyen feltérképezhető, hogy csupán egy-két gyenge pont van, ahol a fagyás lehetősége nagy valószínűséggel fennáll. Ezeket a lehetőségeket megszüntetve viszont alaposan megrövidítjük kényelmünket, esetleg már a komfort is odalesz. Pedig csak néhány kisebb helyi, sőt csak időlegesen működtetett elektromos fűtéssel ezek a veszélyek elmúlnának.
A probléma elektronikus megoldása kézenfekvő. Ehhez a megfelelő érzékelő is adott, az NTC. Az NTC nem más, mint egy különleges ellenállás, ami a hidegebb hőmérsékleteken növeli, melegben csökkenti az ellenállását. Az ami a célunknak megfelel az az 1 vagy 1,2-1,3 kiloohmos típus, egyik jellegzetes példánya a 7. ábrán látható. Ez a parányi érzékelő, megfelelő szigeteléssel ellátva, bármilyen folyadékba behelyezhető, akár nagyobb távolságokban is külön az elektronikától. Egyetlen feltétel, hogy a csatlakozó vezeték ellenállása túl nagy ne legyen.
A fagyveszélyt jelző vagy a megakadályozó fűtést vezérlő elektronika teljes kapcsolását a 8. ábra tartalmazza. A nem túl bonyolult áramkör négy részből áll: az érzékelő NTC-t is tartalmazó ellenállás hídból, a hídra kapcsolt komparátorból, a komparátorral vezérelt kapcsoló tranzisztorból a jelfogóval és a hálózati tápegységből. Az ellenállás híd egyik ágát a 100 kiloohmos ellenállás és az NTC alkotja, a másikat a 10 kiloohmos ellenállás és az 1 kiloohmos, P-jelű trimmerpotenciométer. A hídhoz a TLC271-es műveleti erősítő IC-vel egy komparátor csatlakozik.

8-as ábra, klikkeljen ide

Normál esetben a híd a P potenciométerrel az NTC hőfokfüggő ellenállásához mérten úgy van kiegyenlítve, hogy az IC kimenetén a feszültség nulla. Ekkor a komparátor kimenethez kapcsolt npn, BC547B tranzisztor zárva van, a jelfogó bontott állapotban várakozik. Amint a hőmérséklet az NTC környezetében csökken, és ennek következtében az ellenállása megnövekszik, a híd kiegyenlített állapota megszűnik, és a feszültség az IC nem invertáló bemenetén megnő. Hatására a komparátor kimenet a pozitív tápfeszültségre ugrik, és a BC547B tranzisztor nyitó feszültséget kap, a jelfogó meghúz, érintkezőivel a fűtést bekapcsolja. A fűtés hatására a hőmérséklet az NTC környezetében emelkedik és ez az ellenállásának csökkenésével jár. Amint az ellenállása eléri a híd korábban beállított egyensúlyának megfelelő nagyságot és az IC nem invertáló bemenetén a feszültség ennek megfelelően csökken, a komparátor alaphelyzetébe billen, kimenetén a feszültség ismét nulla lesz. A tranzisztor lezár, a jelfogó bont, a fűtés kikapcsol. Csakhogy ez az állapot nem pontosan a bekapcsolási hőmérsékleten következik be. A komparátor visszacsatolása következtében bizonyos hiszterézis miatt a kikapcsolás valamivel magasabb hőmérsékleten történik. Ez a hiszterézis okozta kis különbség tulajdonképpen a rendszer előnyére válik oly módon, hogy a fagytól védett környezetet a fűtés a megszabott határértéktől némileg jobban felmelegíti.

9-es ábra, klikkeljen ide

Kisebb átalakítással ugyanez ez az áramkör például ventilátoros hűtés automatikus bekapcsolására is alkalmas. Az NTC-nek ekkor azt a hőmérsékletfüggő ellenállás tartományát használjuk ki, ami a fagyveszélyt elhárító kapcsolásban a jelfogó elengedett állapotához volt beállítható. Az átalakított áramkör kapcsolási rajzát a 9. ábra mutatja.
A mostani tranzisztor az eredeti komplementer párja, BC557B, és a hídban a magasabb hőmérséklet értékek beállítása miatt két ellenállás megváltozott. A P1-es trimmer-potenciométerrel az eredeti 1 kiloohmos NTC-vel a hűtés bekapcsolását előidéző hőmérsékletet körülbelül maximálisan 100 fok környékéig lehet emelni.

BAROMÉTER

10-es ábra

Az időjárásról azt mondják, hogy többnyire szeszélyes és kiszámíthatatlan. Ennek ellenére nap mint nap figyeljük az előrejelzéseket, mivel a programok sokszor az elkövetkezendő napok időjárásától függnek. Amíg a hosszabb távú jóslatok az esetek többségében helyesnek bizonyulnak, addig a helyi gyors időjárás-változások továbbra is kiszámíthatatlanok. Alakulhat bárhogyan egy kontinensnyi méretű meteorológiai térkép, amit a műholdas figyelés következtében nagy biztonsággal előre is jeleznek, ha minket ott helyben a változások gyorsan és kellemetlenül érintenek.
Ismert jelenség, hogy az időjárás alakulása szoros összefüggésben van a légnyomással. Amikor a légnyomás hirtelen csökken, akkor valószínűleg viharra számíthatunk. Ha ez a csökkenés viszonylag lassan következik be, akkor kevésbé viharos, de tartósabb változás következik. Amikor a légnyomás emelkedik, akkor az időjárás is jobbra fordul. A légnyomásmérőket, más néven barométereket emiatt az időjárás előrejelzésére használják. Előnyük a nagyobb kiterjedésű intézményes meteorológiai előrejelzésekkel szemben, hogy az időjárás-változásokat a helyi légnyomás alakulása szerint jelzik. Jó példa erre a nyári, viszonylag kis kiterjedésű, de hevességük miatt veszélyes viharok előrejelzése, amik helyét a hivatalos meteorológia képtelen előre pontosan meghatározni.

Ha most valaki úgy határozott, hogy egy barométer valóban jó ha van a háznál, akkor nem kell mást tennie, mint bemegy a legközelebbi szaküzletbe és vásárol egyet. A vállalkozóbbak viszont eltűnődnek azon, hogy miképpen lehetne egy olyan, lehetőleg elektronikus szerkezetet készíteni, ami a légnyomás mérésével az időjárás alakulását mutatja. Az első legnagyobb probléma az, hogy a levegő nyomásának nagyságát hogyan lehet mérhető villamos mennyiséggé alakítani. Ez az átalakítás házilag nem megoldható, viszont a félvezető chip gyártás ma már mindenre kiterjedő fejlődése olyan érzékelőket is eredményezett, mint a 10. ábrán látható KP100A1 típusú, Mini-DIP-IC nyomásérzékelő.
Ez a chip szenzor egy olyan szilícium lapocskával lefedett vákuumkamrát tartalmaz, ahol a szilícium lapba egy ellenálláshidat integráltak. A híd egyes ellenállásainak nagysága, a szilícium lap levegő nyomásának következtében beálló deformációja miatt változik. Ez a KP100A1 szenzor esetében áramkörben 1000 hPa (Hektopascal) nyomásváltozás esetén maximálisan 10-20 mV-ot jelent. A légnyomás mértékegysége az új SI rendszerben a Pascal. Egy Hektopascal egy Millibarral egyenlő. Ez a változás nagyon kicsi, mindössze 0,01 mV/hPa, azaz tíz mikrovolt hektopascalonként. Emellé még két másik probléma is társul, a hőmérsékletkompenzáció és az offset-feszültségek.

12-es ábra

A KP100A1 nyomásérzékelő chippel működő elektronikus barométer kapcsolási rajza a 11. ábrán látható. A nyomásra érzékeny ellenálláshíd meghajtása a chip 4-es és 6-os kivezetésénél történik. A TLC272-es, két műveleti erősítőt tartalmazó IC első fele egy olyan differenciál erősítőt alkot, aminek nem invertáló bemenetéhez egy LM336-os precíziós, hőkompenzált Zéner-dióda chip csatlakozik. Az LM336-os Zéner-feszültsége 2,5 Volt. Mivel a TLC272-es IC első műveleti erősítője pontosan kettőt erősít, ezért a kimenetén, azaz a chip 1-es kivezetésén a feszültség 5 Volt lesz. Ez az 5 Volt megy a KP100A1 légnyomás szenzor mérő ellenálláshídját meghajtó BC547B tranzisztor bázisára, a tranzisztor kollektoránál a feszültség körülbelül 4,5 voltos lesz. Ez a feszültség pozitívabb a telepfeszültség negatív oldalánál. A BC547B tranzisztor kollektoránál és egyben a KP100A1 szenzor 6-os kivezetésénél így egy úgynevezett "virtuális föld" alakul ki, ami ha nulla volt, akkor hozzá képest a telepfeszültség negatív oldala mínusz 4,5 voltos, a pozitív oldala pedig plusz 4,5 voltos potenciálon van.

13-as ábra

A TLC272-es IC második műveleti erősítője 450-szeres erősítést ad. Az IC táplálása az előzőek szerint kialakított virtuális föld segítségével szimmetrikus, így a kimenetéhez csatlakozó forgótekercses műszer középnullás beállításban dolgozhat. Erre a középnullás beállításra a nyomás normális értéktől csökkenő és növekvő irányban való eltérésének jelzése miatt van szükség.
A KP100A1 szenzorba épített nyomásérzéken ellenállás mérőhíd kimenete, azaz a chip 2-es és 3-as kivezetése a TLC272-es IC második műveleti erősítője alkotta mérőerősítő bemenetéhez csatlakozik. A P1-es trimmerpotenciométer a hozzáadott hőmérséklet kompenzációs feszültség nagyságát szabályozza, a P2-es trimmerpotenciométer állása a mérési tartományt határozza meg, a P3-assal pedig az úgynevezett skála tényező szabályozható, azaz a mV/hPa nagysága. Az 50 vagy 100 mikroamper érzékenységű forgótekercses alapműszerhez a 12. ábrán látható skálát kell megrajzolni. Az elektronikus barométer áramkörét azonban hozzáigazíthatjuk egy 200 mV kitérésű digitális műszerhez is.
Az áramkör összeállítása után kezdődhet a hitelesítés. Ez a művelet kissé komplikált, de érdekes és bizonyos mértékben hasonlít a középiskolai fizikai kísérlethez. A hitelesítéshez, illetve a barométer beállításához a 13. ábrán látható egyszerű szerkezetet kell elkészíteni. Hozzá egy jól záródó, menetes fémtetővel ellátott, körülbelül 1-1,5 literes üvegre és az akváriumokhoz használt, félig merev műanyagcsőből körülbelül 1,5-2 méteres darabra lesz szükség.

14-es ábra

A 13. ábrán látható légnyomás hitelesítő készülék elkészítésénél a csöveket az üveg fém fedeléhez kétkomponensű ragasztóval, légmenetesen záródva illesszük. Ha itt a szigetelés ereszt, akkor a hitelesítés nem lesz pontos, illetve nem végezhető el. A P1-es potenciométert állítsuk középállásba, a P3-ast pedig nulla ohmos állásba. Kapcsoljuk a 9 V-os telepet az áramkörhöz. Most a C1-es elektrolitikus kondenzátoron 5 V-os, a C2-esen pedig 2,5 V-os feszültséget kell mérni. A P3-ast állítsuk lassan felfelé és közben a P2-vel korrigáljunk úgy, hogy a mutató a skála közepére beállva maradjon. Ezt a műveletet addig folytassuk, amíg a P3-as trimmerpotenciométer végállásba nem ér.
 A P1-essel a hőmérséklet kompenzációt a készülék melegítésével lehet beállítani. Egy hajszárítóval melegítsük a készüléket, azonban 50 foknál jobban ne. Ezután csatlakoztassuk a hitelesítő készüléket a szenzorhoz. A csőben levő vízoszlop hossza meghatározza a szenzorra jutó légnyomást. A műszer skálája 990-től 1040 hPa-ra, azaz összesen 50 hPa-ra van berajzolva. Ez az 50 hPa pontosan 50 cm hosszú, illetve 50 cm magas vízoszlopnak felel meg. A P3-as trimmerpotenciométerrel, pontosabban a skála tényezővel azt kell beállítani, hogy a műszer például 10 hPa-nyi nyomásváltozásra a skálán tényleg 10 hPa változást mutasson. Ehhez a csőben levő vízoszlop magasságát fokozatosan emelni, majd csökkenteni kell és a műszer skáláját a P3-as trimmerpotenciométerrel hozzáigazítani.
Miután mindennel készen vagyunk, akkor vagy telefonon érdeklődjük meg, vagy a rádióból hallgassuk meg az aznapi pontos légnyomásértéket, és azt a P2-es trimmerpotenciométerrel a skálán állítsuk be. Ami azt illeti, a hitelesítés és a különböző beállítgatás jó elfoglaltságot jelent. De ha egy mechanikus légnyomásmérőt veszünk, a hitelesítéseket annál sem ússzuk meg. Egy mechanikus barométer tulajdonképpen egy zárt "doboz"-ból áll, aminek egyik oldala egy membrán, amihez feszül a légnyomás. A membránt a skála mutatójával egy mechanikus, csapágyazott szerkezet köti össze. Egyfelől ennek a szerkezetnek hibái, másfelől a tengerszint feletti magasság beállítása, és a hőmérséklet kompenzáció fogyatékosságai mind, mind a mechanikus barométerek pontosságát rontják.
Ezek a hibák az elektronikus légnyomásmérőknél részben kiesnek, azonban itt is vannak különféle kompenzációk amik viszont más jellegű hibák forrásai lehetnek. A megoldás a 14. ábrán látható SIEMENS HS20 típusú légnyomás érzékelő. Ez a szenzor egy piezo-kristályt tartalmaz, amit egy minden vonatkozásban kompenzált mérőerősítő követ, mindez egy tokba beépítve. A HS20-as szenzor elvileg alkalmas 200 és 2000 hPa tartományban légnyomás mérésére, nekünk a 950-től 1050 hPa-ig terjedő tartomány az érdekes. A HS20 kimenetén a légnyomásnak megfelelő feszültség jelenik meg, a légnyomás és a kimeneti feszültség között az összefüggés lineáris. Az egyes légnyomásokhoz tartozó feszültségeket a táblázat tartalmazza.

15-ös ábra, klikkeljen ide

Ha a táblázatban szereplő értékeket egy pontos lineáris koordináta-rendszerbe rajzoljuk, ahol a vízszintes skálán a légnyomás, a függőlegesen pedig a feszültség adatok vannak, akkor eredményül egy egyenest kapunk, amiről a közbeeső nyomásértékekhez tartozó szenzor-feszültségek leolvashatók.
Amennyit eddig a HS20-as szenzorról megtudtunk már elegendő ahhoz, hogy felismerjük lehetőségét, milyen egyszerűen lehet vele hiteles barométert házilag is építeni. Ennek a lehetőségnek egyik megoldása a 15. ábrán látható.
Az érzékelő szenzor az előzőek szerint a levegő nyomásával egyenesen arányos feszültséget szolgáltat, amit már nem kell az adódó hibák miatt kompenzálni. Ezt egy erősítő követi, ami tulajdonképpen ezt a nyomással arányos feszültséget a LED kijelzőt meghajtó IC vezérlőfeszültség tartományába illeszti. Végül van egy tíz LED-es kijelző és egy három LED-es ablakdiszkriminátor, ami az úgynevezett időjárás-tendenciát jelzi.
A BOSCH HS20 szenzorral működő elektronikus barométer kapcsolási rajza a 16. ábrán látható. Az áramkör felépítése pontosan követi a blokkvázlatot. A kapcsolástechnika ismertetése helyett inkább a részletes hitelesítésre térek ki. Első lépésben a potenciométerek szerepét kell tisztázni. A P1-gyel a CA3130-as műveleti erősítő offset-feszültségének kompenzálását lehet állítani. A P2-es a műveleti erősítő erősítésének meghatározására, következésképpen a barométer hitelesítésére szolgál. A P3-as a tengerszint feletti magasság, közvetve az első LED bekapcsolási küszöb-feszültségének állítását végzi. A P4-essel az időjárás tendencia diszkriminátor "ablakának" helyzete állítható. Az ablak szélessége körülbelül 100 mV, ami nagyjából 5 hPa-nak felel meg. Az előzőekből levonható következtetés, hogy a P1 és a P2 normál trimmerpotenciométer, ezeket csak egyszer kell beállítani. A P3-as erősebb felépítésű legyen, mivel ezt a barométer helyétől függően esetleg többször is állítani kell. A P4-es tengelyes potenciométer, mert a tendenciát mindig az éppen meglévő helyzethez igazítjuk. Ennek az áramkörnek a hitelesítése az átlagosnál sokkal egyszerűbb.
Első lépés a CA3130-as IC offset-feszültségének beállítása. A HS20-as szenzor most nincs az áramkörhöz kapcsolva, és a CA3130-as IC 2-es és 3-as kivezetéseit, azaz a bemeneteit ideiglenesen zárjuk egymáshoz. A P2-est forgassuk középállásba, a CA3130-as IC 6-os kivezetése és a közös test vezeték, azaz a telepfeszültség negatív oldala közé kapcsoljunk egy 200 mV végkitérésű egyenfeszültség-mérőt. Ezután a P1-essel állítsunk be a műszeren nulla voltot. A P1-esen ezután nem kell többet állítani.

Vegyük le a rövidzárt és a HS20-as szenzor helyére tegyünk egy 10 kiloohmos potenciométert úgy, hogy a csúszóérintkezője a szenzor 2-es kivezetése helyén legyen. Ez a potenciométer modellezi a szenzor különböző nyomásoknál leadott feszültségét. Mivel ezt a feszültséget pontosan ismerni kell, ezért kapcsoljunk egy digitális műszert a közös test pont és a potenciométer csúszóérintkezője közé. A 10 kiloohmos potenciométerrel hol 2,125, hol 2,400 voltot kell beállítgatni. A P2-es és a P3-as potenciométerekkel pedig elérni azt, hogy egyszer a D1 (960 hPa), másszor a D10 (1050 hPa) LED villanjon fel. Ezt a kalibrációt többször is meg kell ismételni, mivel a két trimmerpotenciométer egymásra hatással van.
Következik a tengerszint feletti magasság beállítása. Ismert, hogy a barométer által értékelt légnyomás függ attól is, hogy a hely, ahol mérjük a tengerszinthez képest milyen magasan van. Ezt a korrekciót a P3-as potenciométerrel kell beállítani, a P1-et és a P2-őt már ne állítsuk el. A lakóhelyünk tengerszint feletti magasságát erre alkalmas térképekről vagy a meteorológiai jelentésekből lehet megtudni. A hitelesítéssel eddig tehát eljutottunk addig, hogy a barométer az abszolút levegőnyomást mutatja. Ez azonban még nem elég, mert a tengerszint feletti magasságra átszámított levegőnyomás-értéket is mutatnia kell. A szenzor helyén levő potenciométerrel tehát olyan feszültséget kell modellezni, ami már ezt a csökkentő korrekciós tényezőt is tartalmazza.
A korlátozás általában 1hPa/8m. Ha például a hely a tengerszint felett 250 méterre fekszik (10 mV/25 m), akkor ez 100 mV-ot jelent, pontosabban ekkora feszültséget kell kivonni a referenciákból. Ekkor tehát a 10kiloohmos potenciométerrel egyszer 2,025, másszor 2,300 voltot kell beállítani, és a D1-es és a D10-es LED-ek felvillanásait a P3-as potenciométerrel ezekhez a feszültségekhez kell igazítani. Az elektronikus barométer beállításával ezzel végeztünk, a potenciométer helyére visszakapcsolhatjuk a HS20-as szenzort.

További érdekes cikkeinkről se maradsz le, ha követed az Ezermester Facebook oldalát, vagy előfizetsz a nyomtatott lapra, ahol folyamatosan újdonságokkal jelentkezünk!

Mocsáry Gábor

Címkék: áramkör

Szólj hozzá a cikkhez!

Be kell jelentkezned, hogy hozzászólhass a cikkekhez!
Ezermester, Facebook, vagy Google fiókkal is bejelentkezhetsz.

A villámvédelem szükségességéről

Sok gyerek és felnőtt is fél a villámoktól, az azokat kísérő fény- és hangjelenségektől. Ebben az az emberiség története során kialakult, velünk született félelem tükröződik, hogy ettől a kissé...


Harmónia a kertben

Végre itt a jó idő, a kertem buján zölddel, a gólyák is visszaköltöztek, és maholnap a fecskék is megérkeznek. A minap, elnézve a „gólyáimat”, hogyan tatarozzák, csinosítják tavalyi fészküket,...