Elektronický analogový otáčkoměr V2.0 STAVEBNICE Dostala se Vám do rukou elektronická stavebnice skládající se z desky plošného spoje a elektronických součástek. Při sestavování stavebnice je třeba dbát jistých zásad, aby se předešlo případným problémům. Potřebné nářadí Mikropáječka o příkonu 25-40W s malým hrotem a regulací teploty. Trubičková pájka Sn63Pb s tavidlem o síle 1mm nebo 1,5mm Kleště ploché a štípací stranové pro ohýbání a zkracování nožiček součástek. Multimetr pro oživení zapojení a kontrolu.
Zásady montáže součástek a pájení Součástce ohnout nožičky do správného tvaru a přizpůsobit rozteči děr. Zasunout součástku do desky a hrotem mikropájky připájet s přikládáním trubičkové pájky. Hrot musí ohřívat plošku a nožičku součástky zároveň, Pájka se rovnoměrně rozleje po celé plošce. Pájka na plošce musí být celistvě spojená s ploškou, nesmí tvořit separovanou kouli okolo nožičky součástky a nesmí být přepálená. Správně zapájená součástka má styčnou plochu s pájkou co největší a pájka s ploškou také. Rovnoměrně rozlitá pájka tvoří plynulý přechod z plochy plošky na vývod součástky. Zapájené součástce zkrátit nožičky těsně nad koncem pájky stranovýma štípačkami..
Posloupnost součástek při pájení Součástky je třeba pájet v pořadí od pasivních k aktivním a od nejmenších (nejnižších) po největší. 1. Rezistory 2. Diody Pozor na polaritu proužek značí katodu 3. Kondenzátory - keramické 4. Kondenzátory fóliové 5. Patice integrovaných obvodů Pozor na polohu zářez značí vrch integrovaného obvodu (u pinu 1)
6. Kondenzátory elektrolytické Pozor na polaritu 7. Tranzistory Pozor na rozmístění nožiček 8. Přívodní konektory 9. Mechanické díly Osazená deska všemi součástkami mimo integrovanách obvodů je připravena pro kontrolu správného zapájení a otestování důležitých míst na desce. Integrované obvody bývají nejdražší součástky na desce, proto osazené patice případně ulehčí případnou výměnu a zjednoduší měření při kontrole desky.
Základem je zkontrolovat jestli při pájení nedošlo k nechtěnému spojení některých sousedících cest a je vhodné také zkontrolovat před zapojením polaritu součástek (diody, elektrolytické kondenzátory, tranzistory, stabilizátory napětí apod.). Pro kontrolu základních funkčních částí a zjištění případných zkratů je vhodné desku nejprve připojit na zdroj jmenovitého napětí s proudovou pojistkou nastavenou na nominální proud. Stále bez ložených integrovaných obvodů. Připojet desku na zdroj napětí a zkontrolovat proudový odběr, který nesmí přesáhnout určitou mez danou normálním odběrem základních funkčních částí (například stabilizátory napětí, děliče napětí, vstupní obvody, indikační prvky apod.). Dále je třeba na místech, kde je stabilizováno napětí zkontrolovat hodnoty těchto napětí jestli jsou v požadovaných mezích (například na výstupech třisvorkových stabilizátorů, parametrických stabilizátorů, děličů napětí apod.). Pokud proud je ve správných mezích a napětí na napájecích místech pro integrované obvody v pořádku, tak se odpojí deska od zdroje(vypnutí zdroje stačí) a zasunou se integrované obvody do patic. Opět se připojí ke zdroji s proudovou pojistkou a změří se proudový odběr, který musí být stále v mezích určených pro daný typ zapojení. Nyní je zapojení připraveno pro provoz v normálním režimu a následuje případná kalibrace zařízení, která již bude uvedena u každé stavebnice jednotlivě. Páskové značení rezistorů a číslicové kondenzátorů Barva 1 proužek 2 proužek 3 Násobitel Tolerance proužek černá 0 0 0 1 hnědá 1 1 1 10 ±1% červená 2 2 2 100 ±2% oranžová 3 3 3 1k žlutá 4 4 4 10k zelená 5 5 5 100k ±0,5% modrá 6 6 6 1M ±0,25% fialová 7 7 7 10M ±0,10% šedá 8 8 8 ±0,05% bílá 9 9 9 zlatá 0,1 ±5% stříbrná 0,01 ±10% Kondenzátory jsou značené tříciferným číslem, První dvě číslice označují hodnotu a třetí je násobitel. Základní jednotka je pf (piko Farad) a hodnota na prvních dvou místech je násobena násobitelem 10 x uvedeným na třetím místě, Tedy například kondenzátor 104 má hodnotu 10 x 10 4 pf = 100nF. Kondenzátor 333 má hodnotu 33 x 10 3 pf = 33nF apod. Text je volným překladem assembly manualu Velleman.de. Uvedené ilustrace jsou převzaty z uvedeného manuálu http://www.velleman.de/downloads/0/illustrated/illustrated_assembly_manual_k8031.pdf
ÚVOD Elektronický analogový otáčkoměr V2.0 POPIS KONSTRUKCE První verze otáčkoměru nevyhovovala z důvodu nelinearity. Přímé napojení pasivního integračního přímo na výstup monostabilního klopného obvodu a tento integrační článek zatížit voltmetrem bylo sice nejjednodušší řešení, ale svými parametry pro někoho možná nevyhovující. Dodržet návrhová pravidla pro tento obvod se bohužel nedalo. Dalším kritickým místem byla vstupní část obvodu. Vstupní dělič s odpory a kondenzátory a kapacitní vazbou připojený tranzistor ve spínacím režimu bylo málo citlivé na impulsy z indukčního snímače. Tato vstupní část se spíše hodila pro kladivkové zapalování. Všechny tyto aspekty mě donutily k návrhu nové elektroniky. Základní princip zůstal stejný, ovšem jednotlivé části jsou přepracovány kvůli dosažení lepších parametrů. Nyní již pouze varianta pro napájení 12V kvůli použití operačního zesilovače. Teorie Bezkontaktní zapalování VAPE (SZ13,14,17) je samostatně fungující celek nepotřebující ke svému chodu baterii(obr. 1.). Jedno vinutí ve statoru je pro napájení vysokonapěťového spínače a vnější idukční snímač určuje úhel zážehu. Ke snímání polohy klikové je používán hřídele indukční snímač jehož přibližný průběh napětí je na obrázku 2. Napětí je derivací magnetického toku cívkou snímače. Tedy výstupky na rotoru při pohbu okolo snímače vyvolají změnu magnetického toku a na svorkách cívky se indukuje úměrné napětí. Průběh je tedy pevně dán tvarem výstupku ovšem napětí se s rostoucíma otáčkama zvyšuje. Odpor cívky snímače je v řádu stovek ohmů a jako zdroj napětí je snímač velmi měkký zdroj. Proto vstupy připojené k tomuto snímači ho nesmějí příliž zatěžovat. Obr.1. bezkontaktní zapalování VAPE Obr.2. průběh napětí na snímači S01
Zde uvedená elektronika je citlivá na úroveň vstupního napětí asi 1V. POPIS ZAPOJENÍ Elektronika snímá impulsy z indukčního čidla a převádí frekvenci vstupního signálu na napětí pro voltmetr s citlivostí kolem 2,5V. Při návrhu byly dány požadavky: rozsah otáčkoměru 0-12000ot/min napájecí napětí 12V citlivost na vstupní signál s amplitudou 1V výstup na voltmetr s odporem 200 Ohm a citlivostí 2,5V přesnost do 5% Obr. 3.elektrické schéma Přívodní napětí vozidla je připojeno přes diodu D2 na vstup stabilizátoru IC3 na jehož výstupu se proti svorce stabilizátoru GND objeví napětí 5V. Svorka GND stabilizátoru IC3 je připojená na Zenerovu diodu D1, která tvoří spolu s rezistorem R7 parametrický stabilizátor. Napětí VSS je proti globální svorce GND posunuto asi o 3,6V a tvoří virtuální zem monostabilního klopného obvodu a integračnímu článku. Tímto rozděleném vznikne několik úrovní napětí pro napájení celého ařízení. Monostavilní klopný obvod je napájen stabilizovaným napětím 5V připojený mezi +5V a VSS. Operační zesilovač je napájen nestabilizovaným napětím asi +10V a stabilizovaným napětím -3,6V (proti VSS) připojený mezi svorky GND a +12V. Vstupní obvod je tvořen Schmittovým klopným obvodem s tranzistory T1 a T2. Výstup Schmittova klopného obvodu je kapacitně spojen s tranzistorem T3 zapojeným jako spínač. Změna výstupního stavu z nízké úrovně do vysoké na výstupu Schmittova klopného obvodu
způsobí impulsní otevření tranzistoru T3 a dělič napětí R2, R4 spustí monostabilní klopný obvod(ic1). Doba impulsu na výstupu monostabilního klopného obvodu je dána kombinací rezistoru R5 a kondenzátoru C3. V tomto případě nastavena asi na 2,7ms. Tato hodnota zároveň určuje maximální možnou frekvenci vstupního signálu, aby nedošlo k překryvu doby impulsu a periody spouštění. TEoretická maximální vstupní frekvence je převrácená hodnota doby impulsu. Přepočet na počet otáček to činí asi 13600 ot/min. Výstup monostabilního obvodu integruje pasivní integrační článek R8,C4 navržen jako kompromis mezi dynamikou celého otáčkoměru a zvlnění výstupního napětí. Integrované napětí je připojeno na vstup operačního zesilovače IC2 zapojeného j ako neinvertující zesilovač se zesílením 1. Operační zesilovač slouží jako sledovač napětí a nezatěžuje integrační článek a zároveň budí voltmetr. Jako indikátor je použit 270 magnetoelektrický voltmetr zapojený na výstup operačního zesilovače přes trimr R6 určeného pro kalibraci. Rozpis součástek C 1,C 2, 10n 2x C 3 10n fóliový 1x C 4,C 7 10u/16V 2x C 5,C 6 100n 2x D 1 3V6 1x D 2 1N4007 1x D 3 18V 1x IC 1 NE555N 1x IC 2 OP07 1x IC 3 7805 1x R 1 15k 1x R 2 2K7 1x R 3 270k 1x R 4,R 11 100k 2x R 5 220k 1x R 6 trimr ležatý 1k 6,3mm 1x R 7,R 13 470R 2x R 8 4k7 1x R 10 18k 1x R 12 100R 1x T 1,T 2,T 3 BC547 3x Deska plošného spoje Celé zapojení je realizováno na jednostanné desce plošného spoje klasickými součástkami. Deska plošného spoje má rozměr jako původní a připevňuje se dvěma šrouby M3 na místo původní desky. Ovšem kvůli složitosti desky byly některé součástky umístěny na místo, že nyní brání přímému přišroubování desky ke kostře voltmetru, ale vyžadují distanční podložky o síle asi 2mm. Při tom se musí součástky (tranzistory) připájet s co nejkratšími nožičkami.
Obr. 4. návrh plošného spoje Obr. 5. osazovací plán
KALIBRACE Po osazení desky plošného spoje (obr. 4.) a připájení kablíků od voltmetru je nutné otáčkoměr zkalibrovat. Na správné nastavení je nutné mít zdroj napětí 12V, generátor periodického signálu, čítač (obr. 6.) nebo síťový transformátor s výstupním napětím od 1V do 12V (obr.7.). Obr. 6. kalibrace otáčkoměru Obr. 7. kalibrace pomocí transformátoru Zdroj 12V připojíme na svorky 15 a 31(Vin a GND) jako napájení otáčkoměru. Na vstup připojíme podle obr. 6.generátor s měřičem frekvence nebo podle obr.7. transformátor s výstupním napětím od 1V do 12V. Vhodné je například zvonkové trafo nebo střídavý adaptér do zásuvky. V tab.1. je uveden převod kmitočtu na výchylku voltmetru (otáčky). Pro transformátor je pevná frekvence 50Hz a podle příslušného řádku se nastaví otáčkoměr. frekvence [Hz] jednoválec [ot.min-1] dvouválec [ot.min-1] 50 (transformátor) 3000 1500 100 6000 3000 150 9000 4500 tab.1. kalibrace otáčkoměru Hodnoty v tab. 1. pro dvouválec platí pro zapojení na čidlo bezkontaktního zapalování, které dává 2 pulsy za otáčku. Kalibrace se provede nastavením příslušného kmitočtu z tab. 1. a doladěním trimrem R6, aby voltmetr ukazoval správnou hodnotu. Pak už jen zkontrolovat, jestli odpovídají další hodnoty.
Zapojení otáčkoměru na motocykl Pro dodatečnou montáž otáčkoměru je třeba do palubní desky přivézt napájení (svorka 15 a 31) a impulsy ze snímače(svorka I). U VN spínače VAPE je vhodné u konektoru na žlutém kabelu rozdvojit vodič a přivézt dále žlutý vodič do palubní desky. Otáčkoměr je opatřen nožovými konektory Faetón 5,5mm. Dříve běžně používané konektory na vozech Škoda, dnes jsou již běžné pouze rozměry 4,8mm a 6,3mm. Tedy nejvhodnější je sehnat originál konektory nebo v nouzi použít konektory 6,3mm. Obr. 8. zapojení otáčkoměru na motocyklu Doporučené zapojení vývodů na otáčkoměru je na obr. 9.
Obr. 9. Doporučené zapojení vývodů-spodní pohled ZÁVĚR Výsledek mě velmi potěšil. Zapojení funguje jako převodník napětí na frekvenci s poměrně velkou přesností(v rozsahu otáček 1000-8000 tj. frekvence 33-230Hz), která byla lepší než 2%. Původní stupnice otáčkoměru je však nelineární a ještě jsem ani neměřil samotný voltmetr jak je lineární, takže s původní stupnicí jsem se uvedeným zapojením dostal na přesnost lepší než 5% v rozsahu otáček 1000-6000 ot/min. Při nízkých otáčkách již ručka mírně kmitá kvůli nízké frekvenci a ve vysokých otáčkách se uplatňuje již zmíněná nelineární stupnice. Velká nevýhoda otáčkoměru Mera Lumel je plastový obal, který se většinou při rozpertlování obroučky rozštípne. Tato nevýhoda není u otáčkoměru PAL, ale mnou navržená deska pl. spoje nepůjde lehce připevnit. Časem se zde s největší pravděpodobností objeví i návod na úpravu PAL otáčkoměru(až se mi nějaký dostane do ruky). Přeji mnoho úspěchů při konstrukci otáčkoměru (ať už podle mého návrhu, nebo lepšího). Doporučené odkazy Předchozí verze otáčkoměru Fotografie Pohled na otáčkoměr s přišroubovanou deskou Oáčkoměr Osazená deska plošného spoje