Bauanleitung Lambda-O-Meter

Transkript

1 Bauanleitung Lambda-O-Meter 1. Was man braucht - Bauteile (siehe BOM Bill Of Material) ( ( - Lötkolben mit Wasserschwämmchen - Lötzinn (am besten 0,5mm Lötdraht) - Entlötlitze (...man weiß ja nie...) - Zängchen (zum feinmotorischen Abzwicken von Bauteil-Beinchen) - Schalt-Draht (Kupferdraht geht auch, relativ dünn) - Poti 10k für Testzwecke Vorab: am Besten erst mal alles durchlesen und danach beginnen (v.a. diejenigen, die praktisch noch keine Erfahrung haben). Im Text werden gewisse Alternativen (z.b. Verdrahtungsphilosophie ) gegeben, die jeder für sich ausprobieren und entscheiden muss. Hängt auch davon ab, welches Werkzeug man zur Verfügung hat, wie geschickt man ist, etc. 2. Lötkolben instand setzen Oft sieht ein Lötkolben nicht mehr ganz taufrisch aus, deshalb, falls er schön schwarz an der Spitz ist: Spitze abschleifen und sofort verzinnen, muss gleichmäßig benetzt sein. Am besten Zinn drauf, dann feilen, das Zinn auf das frische Kupfer draufziehen Zwischendurch Spitze frisch verzinnen (vor dem Ablegen). Gute Anleitungen zum Löten (...auch für Erfahrene mal zur Auffrischung...): Platine zuschneiden So soll die Schaltung später aussehen: Eine Lochrasterplatine (20 Löcher breit und 18 Löcher hoch). Am besten mit einem Teppichbodenmesser eine Lochreihe kräftig von oben (Kupfer ist unten) anritzen und über einer scharfen Kante (Spanplatte) brechen. Dann die Seiten schleifen oder feilen. Zu den Bildern: die dicken blauen Linien sind die Verbindungen auf der Unterseite (Kupfer), die roten sind die (zwei) Verbindungen auf der Oberseite (dazu später mehr). Im zweiten Bild sind die Bauteile und ihre Bezeichnung ersichtlich. Diese Bilder sind der Leitfaden schlechthin für den Aufbau!

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3 Signal Masse +12V 4. Am Anfang war die Stromversorgung Als erstes den 7805 platzieren: Löcher abzählen, reinstecken (nicht bis Anschlag, etwas Höhe lassen, da er zum Schluss umgelegt wird)

4 Beinchen verlöten, noch nicht biegen! Kondensator C1 (100nF = 100 Nano-Farad) einstecken (Anschlag, kann auch blau sein...). Anlöten.

5 Zur Verlegetechnik der Verdrahtung auf Lochraster-Platinen: Eine Methode (die andere wird weiter unten vorgestellt) ist, die Beinchen als Verdrahtung zu nutzen! Dazugeht so vor: - Bauteile fixieren (ein Lötauge löten) - Beinchen in die gewünschte Richtung biegen, z.b. so:

6 - Weiterlöten (aufpassen, ob später noch was dazukommt! Löcher freilassen!) Weiter: C1 einstecken, Beinchen biegen 7805: Beinchen biegen verlöten, aufpassen bei mittlerem Beinchen 7805 kommt zum Schluss noch Widerstand R8 dazu! Lötauge freilassen! Lötkolben mal wieder verzinnen nicht vergessen... C2 (auch 100nF) einstecken, Beinchen zum Halten nach außen biegen. Linkes Beinchen (zu C1 hin) anöten. Jetzt rechtes Beinchen nach links biegen. Anlöten. Beinchen kürzen, linkes mit C1 verlöten (rechtes noch nicht!, kommt ja noch was dazu...)

7 Diode D1 einstecken (Polung beachten! Weißer Kringel hin zu C1!). Beinchen leicht biegen (zum Halten), anlöten (wieder nur ein Lötauge). Beinchen kürzen, ganz um biegen. Das Beinchen zu C1 fertig verlöten.

8 Stromversorgungskabel (+12V und Masse) einstecken, anlöten.

9 Das zweite Diodenbeinchen zu +12V biegen, beides verlöten.

10 Jetzt kommt der blanke Verbindungsdraht: An die zusammengelöteten Beinchen von C1 und C2 anlöten. Jetzt biegen und kürzen, dass er gerade bei Masse ankommt. An Masse verlöten. Die Stromversorgung ist jetzt im Großen und Ganzen fertig!

11 1. Test. Ja: jetzt. Hilfsdraht an den Ausgang des 7805 anlöten (links ist Eingang mit Diode verlötet, Mitte ist Masse, rechts ist Ausgang. 12V auf die Stromversorgungs-Kabel geben und den Ausgang messen (DC). Sollten jetzt ziemlich genau 5V sein (4.9V.. 5.1V). Perfekt. Die 5V bleiben konstant, egal was man einspeist (zulässig: 7V bis 35V). Erklärung der Schaltung bisher: Der 7805 ist ein Festspannungsregler (daher die 05 im Namen). Die Diode 1N4004 ist eine 1A-Diode und dient dem Verpolschutz. Test: 12V falsch herum anlegen! Ruhig trauen! Nichts passiert...! Die Kondensatoren am Eingang und Ausgang des 7805 dämpfen eventuell auftretende Schwingungen, wirken gegen HF-Einkopplung, Spannungsspitzen und weiteren Kram, um den wir uns hier nicht kümmern wollen. In der Regel sehen alle 7805-Schaltungen genau so aus wie diese hier! 5. Die erste LED leuchtet Jetzt die 18-polige IC Fassung einlöten. Aufpassen: Fassung hat an einem Ende eine Markierung, diese nach links (so, wie der IC später reinkommt). Die Pins werden wie folgt gezählt: links unten ist Pin 1, rechts unten Pin 9, rechts oben Pin 10 und links oben Pin 18 (quasi gegen den Uhrzeigersinn). Pin 3 mit dem 5V-Ausgang des 7805 verbinden. Pin 4 mit Masse verbinden. Diese Drahtverbindung fängt bei Pin 4 an, geht dann auf die Oberseite der Platine und 5 Löcher weiter wieder nach unten. Am besten so

12 verfahren: Draht von oben in die Löcher führen, etwas andrücken und dann von unten weiterführen und verlöten. Die Schaltung sieht nun von unten so aus: Test: 12V anschließen und von oben an der IC-Fassung an Pin 3 (+) und Pin 4 (-) Spannung messen: sollten die 5V sein. Jetzt den Elko C3 (ELektrolyt-KOndensator) einlöten. Vorsicht! Elkos sind gepolt, d.h. sie haben einen Plus-Pol und einen Minus-Pol. Im Schaltplan wird immer der Pluspol markiert, auf dem Bauteil (dummerweise) in der Regel der Minuspol (schwarzer Kringel rings um den Elko). Ab jetzt wird eine andere Verdrahtungs-Philosophie angewendet. Bisher wurden die Beinchen der Bauteile durch Umbiegen als Verdrahtung genutzt. Vorteil: geht oft schneller, Nachteil: die Bauteile sind im Falle eines Defekts kaum mehr wieder auszulöten. Deshalb eine andere Methode (...jeder kann am Ende für sich entscheiden, was ihm besser gefällt...). Für die Verbindung zu anderen Bauteilen wird jetzt ausschließlich ein Draht verwendet. - die Bauteile einstecken und anlöten - jetzt die überstehenden Beinchen auf der Lötseite komplett abzwicken. - den Draht verlegt man etappenweise : am ersten Pin des einen Bauteils anlöten, ein paar Löcher weiter wieder anlöten, gegebenenfalls um die Kurve biegen, wieder

13 anlöten, usw. Vorteil der Methode: die Bauteile können wieder relativ einfach entlötet werden. Sieht nun so aus: Hat alles noch nichts mit der ersten LED zu tun. Die kommt jetzt: LED-Zeile anlöten. Vorsicht: LED sind ebenfalls gepolt. Die Anode ( Pluspol ) ist in der Regel mit dem längeren der beiden Beinchen markiert. Anode oben, Kathode ( Minuspol ) zur IC-Fassung hin. Aber nur die LED ganz links anlöten, geht besser wieder raus, sollte man die Polung verwechselt haben... Optional kann man eine Buchsenleiste verwenden (wie auf den Photos). Die gibt es auch 90 abgewinkelt, dann stehen die LEDs nicht, sondern liegen (je nach dem, wie und wo die Anzeige später verbaut werden soll...). Anode mit +5V-Ausgang verbinden (Draht). R8 (330 Ohm, man schreibt: 330R...ok, kurz zum Zahlensystem der Elektronik:) Der Buchstabe wird als Komma-Punkt verwendet. Es gibt (bei Widerständen) drei Buchstaben: M für Megaohm, k für Kiloohm und R für Ohm. Beispiele:

14 1M2 = 1,2 Megaohm ( Ohm) 4k7 = 4,7 Kiloohm (4700 Ohm 330R = 330 Ohm 0R10 = 0,1 Ohm zurück zu R8: einlöten. Mit Masse auf der einen Seite und der Kathode der LED auf der anderen Seite verbinden. Für R8 bitte die Draht-Verbindungs-Methode nehmen (NICHT die Beinchen biegen), weil R8 die Helligkeit von LED1 bestimmt und später ggf. gewechselt wird! 12V anschließen: jetzt sollte die LED leuchten. Wenn nicht: Polung vertauscht! (Die halbe LED-Zeile hatte ich noch rumliegen...) 6. Der LM3914 Nun wird der LM3914 sukzessive aufgebaut und getestet. Zur IC-Fassung: auf der Rückseite der Platine Pin 4 (-) mit Pin 2 verbinden. Pin 2 ist die Masse des IC S. R1 (10R) einlöten. Jetzt liegt am Ref.-Adj. (Pin 8) des LM3914 über R1 Masse an. Dieser Pin gehört zur Referenzspannungs-Schaltung des LM3914, mit der

15 unabhängig von der Versorgungsspannung des IC s eine konstante Spannung erzeugt wird. Solche IC s, wie der LM3914, erzeugen sich in vielen Fällen eine eigene Referenzspannung, da der Zweck der gesamten Schaltung letztendlich ist, eine Spannung (bei uns: die Lambda-Spannung) zu messen. Und diese wird so gemessen, dass sie mit einer anderen (der Referenzspannung) prozentual verglichen wird. Zum Test der Referenzspannung: LM3914 einstecken (richtig herum! Markierung muss zum 7805 zeigen!), 12V anschließen und zwischen Pin 2 und Pin 7 ( Ref. Out ) Spannung messen. Sollten 1,25V sein. Die Referenzschaltung des LM3914 funktioniert so, dass Pin 7 Ref. Out immer 1,25V höher liegt als Pin 8 Ref. Adjust. Pin 8 liegt über R1 an Masse, also muss Pin 7 auf 1,25V liegen. Exkurs prozentuales Verlgleichen : Die Lambda-O-Meter Schaltung funktioniert im Kern wie folgt: Zu messen und über die LED S anzuzeigen ist die Lambda-Spannung von 0V bis 1V. Als Referenzspannung werden die 1,25V mit zwei Widerständen (R4 und R5) auf ziemlich genau 1V geteilt. Diese 1V werden an den Rhi (Referenz High) gelegt. Rlo (Referenz Low) wird an Masse gelegt. Über diese beiden Eingänge ist jetzt der Bereich 0V..1V definiert, mit dem der LM3914 die zu messende Spannung vergleicht. Letztere wird an den Eingang SIG (Signal) gelegt. Der LM3914 teilt den Bereich von 0V bis 1V) in 10 gleich große Spannungen auf (0,1V) und vergleicht diese 10er Reihe (0V 0.1V 0.2V V 1V) mit dem SIG-Eingang. Ist die SIG- Eingangs-Spannung im jeweiligen 0,1-Volt-Fenster, wird die entsprechende LED angesteuert (bei Balken-Anzeige alle LED s bis zu der entsprechenden). Jetzt R2 (33k) einlöten und verbinden (vorher sicherheitshalber den LM3914 wieder herausnehmen: mit einem kleinen Schraubendreher rechts und links abwechselnd vorsichtig (!) hebeln). Der skeptische Leser fragt sich, was ein Spannungsteiler mit 10R und 33k soll...? Diese Widerstände sind (zugegebenermaßen) in unserer Schaltung Dummy s. Sie sind deshalb da, damit man den Mess-Spannungsbereich verändern kann (für andere Anwendungen als den Lambda-O-Meter). Nimmt man ein Verhältnis von 10:1 (z.b. R1 = 33k und R2 = 3k3), kann man die Schaltung für die Anzeige im Bereich 0V..10V verwenden. Dann müsste allerdings der LM3914 mit mindestens 12V betrieben werden (bei uns 5V). Der mutige Nachbauer kann das gerne ausprobieren, in dem er den 7805 weglässt und eine Brücke zwischen ehemaligem Eingang und Ausgang des 7805 einlötet. Hier muss man aber aufpassen, dass der IC bei Balkenanzeige nicht zu heiß wird deshalb: RTDS (Read The Data Sheet). Zurück zu Lambda-O-Meter: R4 (1k) und R5 (10k) einlöten und verbinden. Die Schaltung sieht nun so aus:

16 Und von unten so:

17 Test der Schaltung: LM3915 einstecken, 12V anschließen. Zwischen Pin 2 (-) und Pin 6 (Rhi) messen: ziemlich genau 1V (bei mir waren es 1,045V das hängt aber von den Bauteiltoleranzen ab). 12V abklemmen und IC wieder herausnehmen. 7. Der Signal-Eingang Die beiden Dioden D2 und D3 (1N4148) einlöten. Wieder Polung beachten! R3 (1k) und R9 (100k) einlöten und entsprechend verbinden. Pin 5 des IC-Sockels mit den Dioden verbinden, ist wieder eine Drahtbrücke, die teils auf der Oberseite der Schaltung läuft. C4 (100nF = 100 Nano-Farad) einlöten und verbinden. Jetzt das Signal-Kabel (an das später das Lambda-Sonden-Signal angeschlossen wird) anlöten. Im Bild sieht man das gelbe Kabel. Außerdem sieht man im Bild, dass ich nicht zählen kann...die Kabel sind ein Loch zuweit oben, verglichen mit den CAD-Bilder ganz am Anfang...wichtig ist, dass es elektrisch stimmt (...rausreden rausreden...).

18 Von unten sieht die Schaltung ungefähr so aus: Jetzt wieder messen: Multimeter auf Ohm stellen (oft sind verschiedene Bereiche wählbar, dann den 2k -Bereich einstellen) und zwischen Signal-Kabel und Pin 5 der IC-Fassung ( SIG ) messen. Sollten ziemlich genau 1000 Ohm sein. Zur Funktion dieses Teils der Schaltung: Man könnte den Eingang Pin 5 SIG einfach so an das Lambda-Signal anschließen, wäre kein Unterschied in der rein elektrischen Funktion. Die Schaltung dient nur der EMV-Sicherheit (...ok, es ist nicht soooo tragisch, wenn der Lambda-O-Meter ausfällt, aber wir sind ja Pedanten... ;-) ). Vom Signal-Kabel her kommend: Zuerst kommt der Kondensator C4. Er schluckt im Falle einer elektrostatischen Aufladung (Winter, Wolle, reiben,... batz!) diese Ladung, die sonst ein kleines Fünkchen produziert. Dann ist er aber aufgeladen und muss wieder entladen werden. Das geschieht über R9 (und auch R3) nach Masse. Außerdem könnten über das Signal-Kabel unzulässig hohe Spannungen (z.b. 12V bei falschem Anschluss der Kabel ans Bordnetz, Relais erzeugen beim Abschalten Spannungsspitzen,...) hereinkommen. Im Falle einer positiven Überspannung fließt dann der Strom vom Signalkabel über R3 über Diode D2 nach +5V. Da der R3 1kOhm hat, fließt z.b. bei 12V nur ein Strom von ca. 7mA in die Schaltung. Das regelt der 7805 locker weg.

19 Bei einer negativen Überspannung fließt der Strom über R3 und Diode D2 nach Masse ab. 8. Die LED-Zeile Jetzt die restlichen LED s der Zeile verbinden. Wenn nun alle Anoden mit +5V verbunden sind, kann die Zeile getestet werden. Der Widerstand R6 (1k), der in kürzester Kürze an die Reihe kommt, ist ja noch nicht verbaut und kann für Testzwecke misbraucht werden. Diesen Widerstand mit einem Beinchen in Buchse 2 (Masse) des IC-Sockels stecken und das andere Beinchen in die jeweilige Buchse des Sockels für die einzelnen LED s (LED1 leuchtet ja schon über den 330R Widerstand, LED2 ist an Pin1, LED2 an Pin 18, LED an 17,...). Dann 12V anschließen. Sieht so aus: (Nicht wundern, dass die rote Zeile 6 LED s hat. Die hatte ich ebenfalls noch rumliegen...) Ok. Jetzt die Helligkeitssteuerung der LED-Zeile: Wie im Datenblatt des LM3914 zu lesen, kann der Strom, der durch die LED s fließt, eingestellt werden. Der Mechanismus dahinter (...den man nicht verstehen sondern nur wissen muss...) ist folgender:

20 An den Ref.Out -Ausgang (bei uns: die 1,25V) wird ein Widerstand angeschlossen, durch den ein Strom nach Masse fließt. Der LED-Strom ist ein Zehn-faches dieses Stromes von Ref.Out. Ist einfach so. In unserer Schaltung wird ein fester 1k-Widerstand mit dem 5k-Poti in Reihe geschaltet und an Ref.Out angeschlossen. Mit 1,25 Volt fließen bei 1k Gesamtwiderstand (Poti ganz nach links) 1,25mA, bei 6k Gesamt (Poti ganz rechts) ca. 0,2mA. Der zehnfache Strom (also 12,5mA maximal, 2mA minimal) fließt durch die LED s. Theoretisch! In unserer Schaltung muss bedacht werden, dass die Spannungsteiler R4-R5 (siehe oben) und R1-R2 parallel geschaltet sind. Dies hat Einfluss auf den Widerstandswert der Poti-Schaltung. Das könnte man natürlich sauber entkoppeln, würde aber die Schaltung viel aufwändiger machen. Zurück zum Löten: Poti R7 und Widerstand R6 einlöten und verbinden. Im eingelöteten Zustand sind zwischen Pin 2 (Masse) und Pin 6 (Ref.Out) zu messen: ca. 3,5 kohm (Poti ganz links) und 890 Ohm (Poti ganz rechts). Diese Werte entsprechen 3,5mA bzw. 14mA LED-Strom.

21 Zum ersten Test der Gesamtschaltung fehlt nur noch die Brücke von +5V zu Pin 9 (MODE) des LM3914: Wird Pin 9 mit +5V verbunden, arbeitet der LM3914 im Balken-Modus, lässt man Pin 9 offen, im Punkt-Modus. Im Bild unten ist ein Stiftstecker zu sehen, man kann die Brücke aber auch von unten löten. Den Stiftstecker kann man mit einem Jumper (z.b. aus dem PC) schließen und wieder öffnen (...komfortabler...). Für den ersten Test: Brücke schließen (Pin9 an +5V). Test: LM3914 einstecken, 12V anschließen. Es sollte jetzt nur die LED1 leuchten (wie bisher auch). Jetzt mit dem Signal-Eingangs-Kabel auf Pin7 (Ref.Out) gehen: ALLE LED s leuchten jetzt! (...sollten sie zumindest...). Sieht so aus: VORSICHT! Nicht zu lange leuchten lassen, der 7805 hat ja noch kein Kühlblech und könnte überhitzen! Verlustleistungs-Berechnung (Wärme): 10 LED s à 14mA = 140mA. Am 7805 fallen ca. 7V ab (von 12V auf 5V). Leistung ist U x I, also 7V x 140mA = ca. 1W! Das ist nicht wenig...!

22 Hier wird erstmal ein provisorisches Kühlblech gezeigt (das endgültige richtet sich nach dem späteren Gehäuse-Einbau): 3 x 4 cm Alublech, Wärmeleitpaste, Büroklammer. Nicht schön, aber sehr, sehr selten: Für den späteren Einbau sei angemerkt, dass die Wärme-Fahne des 7805 elektrisch mit Masse verbunden ist! Also etwas aufpassen, was mit dem Blech in berührung kommt! Für den ultimativen Gesamtsystem-Test ein Test-Poti anschließen (alles von 1k bis 33k ist ok, bei höheren Werten spielt der EMV-100k-Widerstand eine merkbare Rolle). Von der Unterseite der Schaltung Masse und +5V mit den äußeren Pins des Potis verbinden, den mittleren Poti-Pin an das Signal-Eingangs-Kabel. Am Signal kann man nun Spannungen von 0V bis 5V einstellen. Damit liefert der Poti im Winkelbereich von 0 bis ca. 45 die Lambda-Ersatz-Spannung von 0V bis 1V. Die restlichen 220 Drehwinkel liefern 1V bis 5V.

23 Das sieht dann ungefähr so aus: LM3914 einstecken, 12V anschließen und das Poti hin und her drehen. Wenn der Balken bzw. der Punkt hin und her läuft, ist alles paletti! Das Design der Schaltung ist auf Balken-Modus ausgelegt. Der Punkt-Modus sieht nicht so gut aus, weil die LED1 immer leuchtet. Weiterer Nachteil vom Punkt-Modus: geht die Signal-Eingangsspannung über 1V hinaus, sind alle LED s dunkel. Im Balken-Modus leuchten alle. Eine letzte Kontroll-Messung: Auf Balken-Anzeige schalten (Pin9 auf +5V), den Poti langsam soweit drehen, dass gerade die letzte LED angegangen ist und alle LED s leuchten. Jetzt Spannung zwischen Pin2 (Masse) und Pin5 (Signal) messen: sollten ziemlich genau 1V sein.

24 Jetzt fehlt nur noch das Gehäuse. Das kann sich jeder nach seinen Wünschen und Vorlieben gestalten. Der 7805 ist übrigens so platziert, dass er sich umlegen lässt und mit Blech in ein flaches Gehäuse passt, ungefähr so: Wer ein sehr kleines Gehäuse haben möchte, kommt wohl nicht umhin, die Schaltung platzoptimiert nochmal zu löten. Dabei kann der Poti durch einen normalen Widerstand ersetzt werden, der je nach gewünschter Helligkeit dimensioniert wird. Weitere Platzsparmaßnahmen: IC-Sockel weglassen, Bauteile auf der Oberseite UND der Unterseite platzieren, Jumper weglassen, gegebenenfalls sogar den gesamten 7805-Teil und auch den EMV-Teil auslagern (weiteres Gehäuse mit: D1, 7805, C1, C2, C3, D2, D3, R3, R9 und C4). Die Verbindung zwischen den Gehäusen ist dann: +5V, Signal und Masse. Viel Spaß und Erfolg beim Bauen!