Elektronický analogový otáčkoměr V2.0

ÚVOD

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

    C1,C2 10n
    C3 10n fóliový
    C4,C7 10u
    C5,C6 100n
    D1 3V6
    D2 1N4007
    D3 18V
    IC1 NE555N
    IC2 OP07
    IC3 7805
    R1 15k
    R2 2K7
    R3 270k
    R4,R11 100k
    R5 220k
    R6 1k trimr 6,3mm ležatý
    R7,R13 470R
    R8 4k7
    R10 18k
    R12 100R
    T1,T2,T3 BC547

    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.

    Pokud někdo nezná klasické kroky při osazování desek plošných spojů, tak je stručně zopakuji:

    1. desku plošného spoje po leptání důkladně prohlédnout, zda nedošlo k přerušené cesty případně nedoleptání
    2. desku vyvrtáme vrtákem o průměru 0,8mm případně pro přívodní vodiče 1 nebo 1,2mm
    3. natřeme desku ochranným pájitelným lakem ze strany spojů
    4. nejprve zapájíme pasivní součástky (R,C) dále D a na konec Stabilizátor napětí a integrovaný obvod 555
    5. po připojení na zdroj nesmí zapojení odebírat větší proud než 30mA


    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 otáčkoměru 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 podel 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. 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. 7. zapojení otáčkoměru na motocyklu

    Doporučené zapojení vývodů na otáčkoměru je na obr. 8.


    Obr. 8. Doporučené zapojení vývodů-spodní pohled

    ZÁVĚR

    Výsledek mě velmi potěšil. Zapojení funguje jako převodník napětí na frekvenci s poměrně velkou přesností(v rozsahu otáek 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 nějvětší 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

    Fotografie

    Pohled na otáčkoměr s přišroubovanou deskou
    Oáčkoměr
    Osazená deska plošného spoje

    Jiří Blecha
    PDF soubor 195kB PDF dokumentr s celým návodem
    JPG 106kB Návrh desky plošného spoje
    V následujícím ShoutBoardu se můžete vyjádřit ke této konstrukci
    Zpátky Na předchozí stránku Na hlavní stránku Na hlavní stránku