Аннотация
В этой статье рассматриваются применения операционного усилителя для электрохимических датчиков этанола и оксида углерода (CO). В ней также обсуждаются характеристики, необходимые для обеспечения оптимальных результатов точного измерения этанола и CO при минимальном потреблении энергии портативными устройствами.
Введение
Для правильной и точной работы электрохимических датчиков необходимо постоянное смещение, что потенциально требует огромного количества энергии. Обычные системы управления питанием пытаются отключать все, что находится в режиме ожидания или сна. Однако для стабилизации электрохимических датчиков требуются десятки минут или даже часы. Следовательно, чувствительный элемент и схема его смещения должны постоянно находиться во включенном состоянии. Кроме того, требуемое напряжение смещения часто бывает довольно низким, чтобы напрямую подключать его к элементу питания 1 AA в потребительских приложениях.
MAX40108 – это маломощный, высокоточный операционный усилитель, работающий при напряжении питания всего 0.9 В, который был специально разработан для применения в контрольно-измерительных приборах. Кроме того, это устройство с rail-to-rail входами и выходом потребляет всего 25.5 мкА (типовое значение) и имеет типовой дрейф входного напряжения смещения 1 мкВ во времени и в диапазоне температур, что делает его идеальным усилителем для широкого спектра маломощных потребительских продуктов, таких как датчики этанола и газа CO.
Обзор
На Рисунке 1 показана структурная схема электрохимического датчика газа, такого как этанол или CO. Система состоит из низковольтного операционного усилителя, который работает непосредственно от батареи AA/AAA напряжением 1.5 В, обеспечивая ток смещения для электрохимического датчика, в то время как остальная часть системы находится в спящем режиме для экономии потребляемой энергии. Первый операционный усилитель (U1) питает электрод сравнения электрохимической ячейки. Второй операционный усилитель (U2) сконфигурирован как транскондуктивный усилитель, преобразующий выходной ток датчика в напряжение, которое после усиления оцифровывается микроконтроллером. Это реализовано с помощью микросхемы MAX44260 (U3) – малопотребляющего операционного усилителя с rail-to-rail входами и выходом, низким напряжением смещения, напряжением питания 1.8 В и произведением усиления на полосу пропускания 15 МГц. ES – это электрохимический датчик.
 |
|
| Рисунок 1. | Блок-схема электрохимического датчика с микросхемой MAX40108. |
Схема электрохимического датчика доступна онлайн на этой странице [1].
Исследование датчика этанола
В данном исследовании датчика этанола использовался датчик SPEC 3SP_Ethanol_1000 package 110-202, показанный на Рисунке 2.
 |
|
| Рисунок 2. | Датчик этанола 3SP_Ethanol_1000 package 110-202 компании SPEC. |
Этот датчик этанола генерирует ток, пропорциональный объему захваченного газа. Датчик имеет три электрода: WE, RE и CE.
- WE: Рабочий электрод. Он смещен на 0.7 В и используется для обнаружения паров газа.
- RE: Электрод сравнения. На нем поддерживается стабильный электрохимический потенциал 0.6 В в электролите, который не подвергается воздействию паров газа.
- CE: Противоэлектрод. Проводит ток, когда присутствует газ. Величина тока пропорциональна концентрации газа, и может быть затем электрически измерена системой.
При исследовании этого датчика частицы газа должны физически контактировать с датчиком SPEC. Другими словами, датчик этанола в основном измеряет только тот газ, который присутствует в точном месте расположения самого датчика. Поэтому для точного и эффективного обнаружения таких газов, как этанол и CO, размещайте датчики в тех местах, куда будет диффундировать газ. В этом эксперименте ватный тампон обмакнули в раствор этанола и поместили прямо перед датчиком SPEC.
 |
|
| Рисунок 3. | Характеристики датчика этанола. |
Рисунок 3 иллюстрирует момент улавливания паров этанола, показанный синей кривой. Зеленая кривая – это ток, потребляемый всей системой, включая микроконтроллер, типичное значение которого составляет 90 мА. Однако ток, потребляемый самим усилителем MAX40108, как видно из Рисунка 4, составляет всего 25.5 мкА при напряжении питания 0.9 В и температуре окружающей среды 25 °C.
 |
|
| Рисунок 4. | Потребляемый ток при различных напряжениях питания и в диапазоне рабочих температур. |
Микроконтроллер находится в режиме ожидания, просыпаясь каждые 10 секунд для контроля паров этанола. При наличии паров микроконтроллер начинает измерять их концентрацию, как показано на рисунке синей кривой. Красная линия показывает напряжение батареи АА, равное приблизительно 1.5 В, а желтая линия – напряжение на электроде CE.
Чтобы увидеть, как реагирует датчик этанола на концентрацию паров, ватный тампон отодвинули подальше от датчика. Зафиксированный результат показан на Рисунке 5. Как и ожидалось, амплитуда синей кривой концентрации паров соответственно уменьшилась.
 |
|
| Рисунок 5. | Характеристики датчика этанола при удалении источника паров от датчика SPEC. |
Исследование датчика CO
В отличие от этанола, CO является потенциально ядовитым газом, образующимся в результате неполного сгорания бензина или даже безвредной свечи. Поэтому важно обеспечить надлежащую вентиляцию, чтобы гарантировать здоровье и безопасность при проведении этого эксперимента с газом CO. Здесь при проверке датчика для получения газа CO использовалась свеча в прикрытой банке, а для измерения концентрации использовался тот же датчик SPEC 3SP_Ethanol_1000 Package 110-202.
Рисунок 6 иллюстрирует момент улавливания газа CO, показанный синей кривой. Зеленая кривая – это ток, потребляемый всей системой, включая микроконтроллер, типичное значение которого составляет 90 мА.
 |
|
| Рисунок 6. | Характеристики датчика CO c микросхемой MAX40108. |
Как и при измерении этанола, находясь в режиме ожидания, микроконтроллер просыпается каждые 10 секунд для контроля газа CO. При наличии газа микроконтроллер начинает измерять его концентрацию, как показано на рисунке синей кривой. Красная линия показывает напряжение батареи АА, равное приблизительно 1.5 В, а желтая линия – напряжение на электроде CE.
Заключение
Для точного измерения содержания этанола и CO в бытовых и промышленных приложениях необходим маломощный высокоточный операционный усилитель, работающий при напряжении питания вплоть до 0.9 В. Микросхема MAX40108, специально разработанная для эффективного улавливания и измерения концентрации таких распространенных газов, как этанол и CO, отличается не только низким током потребления 25.5 мкА, но и крошечными размерами 1.22 мм × 0.92 мм корпуса WLP с 8 шариковыми выводами. Усилитель имеет режим выключения для дополнительной экономии энергии, что крайне важно для носимых устройств, портативных медицинских систем и таких устройств промышленного интернета вещей (IIoT), как измерители давления, расхода, уровня, температуры и приближения.
Купить MAX32625 на РадиоЛоцман.Цены
