Radioelektronik Audio-HiFi-Video 2/2000

U¿ywanie gazu jest

wygodne, a sam gaz jest

paliwem wzglêdnie

tanim. Jednak u¿ywanie

gazu mo¿e byæ

niebezpieczne. Oprócz

dbania o dobry stan

techniczny instalacji

warto zaopatrzyæ siê

w wykrywacz gazu

sygnalizuj¹cy ewentualne

wycieki. Nie trzeba chyba

nikogo przekonywaæ, jak

wa¿nym elementem

bezpieczeñstwa

jest takie urz¹dzenie.

K

orzystanie z urz¹-

dzeñ zasilanych ga-

zem jest dzisiaj po-

wszechne: kuchnie,

podgrzewacze wody

a nawet grzejniki czy

piece c.o. bywaj¹

urz¹dzeniami gazo-

wymi. Gaz np. z butli dociera nawet tam, gdzie

nie ma stosownych instalacji (np. na wieœ) oraz

przydaje siê na weekendach i urlopach; ostat-

nio staje siê nawet alternatyw¹ dla benzyny

w samochodach, ³odziach motorowych itp.

Opis urz¹dzenia

Urz¹dzenie wykrywa niebezpieczne stê¿enia

metanu, propanu oraz mieszanki propan-bu-

tan, przeznaczonej do urz¹dzeñ gazowych:

kuchni, ³azienek, gara¿y, piwnic, domów letni-

skowych, przyczep kempingowych, samocho-

dów itp. Proponowany model, dziêki wykorzy-

staniu nowoczesnego czujnika pó³przewodni-

kowego typu TGS812/813 odznacza siê dobry-

mi parametrami u¿ytkowymi: du¿¹ czu³oœci¹,

krótkim czasem odpowiedzi oraz d³ugim, prze-

ciêtnie ponad 3-letnim okresem eksploatacji.

Urz¹dzenie jest zmontowane na dwóch p³yt-

kach drukowanych: mniejszej, z czujnikiem

gazu oraz drugiej, bazowej, na której umie-

szczono wszystkie pozosta³e elementy elektro-

niczne. Ca³oœæ jest zamkniêta w plastykowej

obudowie typu KM35BN, której elementy bocz-

ne wykonane s¹ z metalowej siatki zapew-

niaj¹cej swobodn¹ cyrkulacjê powietrza we-

wn¹trz urz¹dzenia. Uk³ad pobiera niewiele

pr¹du (ok. 250 mA), a dziêki mo¿liwoœci zasi-

lania napiêciem niestabilizowanym 9

÷

16 V nie

sprawia ¿adnych k³opotów z zasilaniem. Mo¿-

na u¿yæ zarówno zwyk³ego zasilacza ”wtycz-

kowego”, jak i akumulatora samochodowego.

Zaleca siê stosowanie atestowanego zasilacza

firmy ”Tatarek”o symbolu ZN 9V.

DOMOWY

WYKRYWACZ GAZU

Czujnik TGS812/813

Zastosowany w urz¹dzeniu czujnik TGS812/813

jest nowoczesnym elementem pó³przewodniko-

wym, specjalnie projektowanym do zastoso-

wañ w alarmowych urz¹dzeniach wykrywaj¹-

cych obecnoœæ nastêpuj¹cych gazów: TGS812

_ propan, butan, tlenek wêgla (CO); TGS813 _

metan, propan, butan. Wykrywa obecnoϾ ga-

zu o stê¿eniu 500

÷

10 000 ppm. Sk³ada siê

z aktywnej struktury pó³przewodnikowej umie-

szczonej na pod³o¿u ceramicznym, przykrytej

porowat¹ warstw¹ ochronn¹. Poniewa¿ struk-

tura aktywna pracuje w podwy¿szonej tempe-

raturze, czujnik ma specjalny podgrzewacz

umieszczony w pod³o¿u. Ca³oœæ jest umie-

szczona

w

6-koñcówkowej obudowie (rys. 1) z wyprowa-

dzeniami obwodu podgrzewacza (koñc. 2, 5)

oraz obwodu roboczego (koñc. 1, 4). Dzia³anie

czujnika mo¿na badaæ w podstawowym uk³a-

dzie przedstawionym na rys. 2. Obwód podgrze-

wacza jest przy³¹czony bezpoœrednio do napiê-

cia zasilaj¹cego, które dla zapewnienia w³aœci-

wej temperatury powinno wynosiæ 5 V

±

4%.

W obwodzie roboczym, w którym znajduje siê

rezystor obci¹¿aj¹cy R, odk³ada siê napiêcie

wyjœciowe odpowiadaj¹ce stê¿eniu gazu. Cha-

rakterystykê czujnika TGS812 dla podstawo-

wych gazów przedstawiono na rys. 3 (zwraca-

my uwagê, ¿e wielkoœci¹ zmienn¹ jest tu stosu-

nek rezystancji roboczej czujnika umieszczone-

go w gazie do rezystancji czujnika w powie-

trzu). Przedstawione charakterystyki obowi¹-

zuj¹ w temperaturze 23

÷

27

o

C, i wilgotnoœci

45

÷

55%, w powietrzu bez obecnoœci innych

gazów ni¿ tam podane. Czujnik prawid³owo

pracuje w zakresie temperarur zewnêtrznych od

_10

o

C do +40

o

C.

Uwagi

q

Czujnik TGS812/813 wymaga co najmniej 48-

godzinnego wstêpnego nagrzania (por. Monta¿

uk³adu); przed up³ywem tego czasu jego cha-

rakterystyka mo¿e byæ niestabilna.

q

Je¿eli czujnik bezpoœrednio przed w³¹cze-

niem znajdowa³ siê przez d³ugi czas w atmosfe-

rze o wysokiej wilgotnoœci, jego charakterysty-

ka ustabilizuje siê po pewnym czasie od w³¹-

czenia.

q

Czujnik nie mo¿e byæ poddawany dzia³aniu

innych gazów ni¿ podane w wykazie, albo dy-

mów w stê¿eniu wiêkszym, ni¿ wystêpuj¹ nor-

malnie w powietrzu, gdy¿ mo¿e to spowodowaæ

trwa³¹ zmianê charakterystyki czujnika i zmon-

towane urz¹dzenie trzeba bêdzie ponownie

kalibrowaæ. Podobny efekt mo¿e tak¿e wyst¹-

piæ przy wielokrotnym przekroczeniu górnej

wartoœci stê¿eñ (10 000 ppm) tych gazów, które

czujnik normalnie wykrywa. Oznacza to, ¿e na-

le¿y unikaæ bezpoœredniego kierowania na czuj-

nik np. dymu papierosowego, oparów chemi-

kaliów, jak równie¿ normalnie wykrywanych ga-

zów. W szczególnoœci przy prowadzeniu ekspe-

rymentów, np. z u¿yciem zapalniczki, nie wolno

kierowaæ na czujnik strumienia gazu z odle-

g³oœci mniejszej ni¿ ok. 10 cm, gdy¿ nie miesza

H

Z PRAKTYKI

Rys. 1. Czujnik TGS812/813

a _ od strony koñcówek,

b _ od strony aktywnej powierzchni

Rys. 2. Czujnik gazu. Wewnêtrzna konstrukcja

i uk³ad pomiarowy

Rys. 3. Charakterystyki czujnika gazu

R

p

/R

g

1,0

0,1

0,01

100 1000 10000

Izobutan

Metan

R

g

_ rezystancja w gazie

R

p

_ rezystancja w powietrzu

"

#

Radioelektronik Audio-HiFi-Video 2/2000

siê on wówczas z powietrzem i jego stê¿enie

w czujniku po kilku sekundach zbli¿a siê do

100%.

q

Czujnik podczas pracy utrzymuje temperatu-

rê o ok. 30

o

wy¿sz¹ ni¿ otoczenie.

Dzia³anie uk³adu

Napiêcie zasilaj¹ce do³¹czane jest do punk-

tów +Ucc oraz GND (rys. 4). Kondensator filtru-

j¹cy C1 usuwa ewentualn¹ sk³adow¹ wolno-

zmienn¹ (50 Hz) z przebiegu zasilaj¹cego. Po

stabilizacji w uk³adzie scalonym US1 (

µ

A7805)

oraz filtracji przez kondensator C2, otrzymuje-

my napiêcie 5 V, wykorzystane do zasilania

obwodu grzejnego czujnika S oraz mostka po-

miarowego z³o¿onego z rezystorów R2

÷

R4

oraz obwodu roboczego czujnika. Do Ÿród³a

napiêcia 5 V do³¹czono te¿ diodê D1 (LED), sy-

gnalizuj¹c¹ obecnoœæ napiêcia zasilaj¹cego.

Napiêcie w punkcie X ma wartoœæ zale¿n¹ od

stê¿enia gazu w bezpoœrednim otoczeniu czuj-

nika i jest ono stale porównywane z napiêciem

odniesienia (pobieranym z punktu Y) przez

wzmacniacz operacyjny US2A (1/2 LM358),

pracuj¹cy z otwart¹ pêtl¹ ujemnego sprzê¿enia

zwrotnego (tj. jako komparator). Wzmacniacz

objêty jest jednak pêtl¹ dodatniego sprzê¿enia

(histerezy) z elementami R5 i D2, co stabilizu-

je jego pracê i zmniejsza prawdopodobieñstwo

powodowania na wyjœciu przypadkowych prze-

³¹czeñ, pochodz¹cych od wzmocnionej sk³ado-

wej zmiennej oraz ew. szumów w sygnale

z czujnika, kiedy napiêcie ró¿nicowe na wejœciu

komparatora jest w pobli¿u 0 V. W warunkach

normalnych, tj. w czystym powietrzu napiêcie

w punkcie X jest wiêksze ni¿ w Y i wyjœcie kom-

paratora jest w stanie niskim (0 V). Napiêcie 0

V jest tak¿e wymuszane na wejœciu zeruj¹cym

RST uk³adu US3 (NE555), przez co nie gene-

ruje on ¿adnego przebiegu, a w konsekwencji

nie pracuj¹ uk³ady ”alarmowe”: przetwornik

”piezo” oraz dioda D3. Z chwil¹ pojawienia siê

w otoczeniu czujnika gazu w stê¿eniu alarmo-

wym, rezystancja jego obwodu roboczego ma-

leje, co prowadzi do spadku napiêcia w pkt. X.

Wejœcie komparatora ”widzi” teraz pewne napiê-

cie dodatnie, wiêc na wyjœciu pojawia siê stan

wysoki (tj. napiêcie prawie równe Ucc; wzmac-

niacz LM358 nie osi¹ga na wyjœciu pe³nego

dodatniego napiêcia zasilaj¹cego). Skoro na

wejœciu RST uk³adu scalonego US3 panuje

stan wysoki _ uk³ad ten rozpoczyna pracê jako

multiwibrator astabilny. Przebieg wyjœciowy po-

bierany z koñcówki 3 uk³adu scalonego NE555

zostaje doprowadzony do przetwornika piezo

oraz dodatkowo do inwertera z tranzystorami

T1

÷

T3, z którego sygna³ o odwróconej fazie

jest doprowadzany do drugiego wyprowadzenia

przetwornika. W ten sposób (przypominaj¹cy

nieco akustyczne wzmacniacze mocy w uk³a-

dzie mostkowym) osi¹gniêto najbardziej efek-

tywne wykorzystanie ograniczonego napiêcia

zasilaj¹cego do wysterowania przetwornika.

Przebieg z wyjœcia inwertera (emitery T1 i T2),

powoduje tak¿e zaœwiecenie siê diody D3 sy-

gnalizuj¹cej stan alarmowy. Pozostaj¹cy w uk³a-

dzie LM358 drugi wzmacniacz operacyjny

(US2B) zosta³ wykorzystany do osi¹gniêcia

w przetworniku piezo sygna³u o modulowanej

czêstotliwoœci, gdy¿ sygna³ taki znacznie lepiej

nadaje siê do celów ”alarmowych”. Jak wynika

z zasady dzia³ania multiwibratora NE555 (US2)

czêstotliwoœæ jego pracy okreœlaj¹ nie tylko

wartoœci do³¹czonych do niego elementów RC

(R11, R12, C5) lecz równie¿ napiêcie na wejœciu

CU (wypr. 5). Ten ostatni fakt, o którym czêsto

siê zapomina (wejœcie CU jest w typowych apli-

kacjach nie wykorzystane, ew. jest zwarte do

któregoœ potencja³u zasilaj¹cego przez kon-

densator), umo¿liwia proste zrealizowanie mo-

dulacji czêstotliwoœci. W tym celu wzmacniacz

US2B pracuje jako generator astabilny, który wy-

twarza prostok¹tny przebieg wolnozmienny (ok.

0,35 Hz), zamieniany nastêpnie przez rezystor

R10 oraz wewnêtrzny dzielnik rezystorowy

w uk³adzie 555 i kondensator C6, na przebieg

trójk¹tny o odpowiednio dobranych napiêciach.

Poniewa¿ zarówno uk³ad 555 jak i inwerter ste-

ruj¹cy przetwornikiem, pobieraj¹ w chwilach

prze³¹czania znaczny pr¹d (rzêdu setek mA),

zastosowano elementy C4 i C7, eliminuj¹ce

ostre szpilki, które pojawi³y siê w przebiegu za-

silaj¹cym.

Monta¿ i kalibracja uk³adu

Na rys. 5 przedstawiono p³ytkê drukowan¹

urz¹dzenia, a na rys. 6 schemat monta¿owy _

rozmieszczenie elementów.

Przed rozpoczêciem kalibracji rezystory R3

i R4 zast¹piæ potencjometrem P1 _ 10 k

Ω

.

Informacje zawarte w tej czêœci artyku³u bêd¹

u¿yteczne przede wszystkim w przypadku ko-

niecznoœci ponownej kalibracji zwi¹zanej z trwa-

³¹ zmian¹ charakterystyki czujnika. Kalibracja

uk³adu polega na w³aœciwym ustawieniu na-

piêcia odniesienia w mostku pomiarowym

(w punkcie Y). Napiêcie to zostanie dobrane tak,

by zadzia³anie alarmu nastêpowa³o, przy re-

zystancji czujnika równej 60% rezystancji w czy-

stym powietrzu, co w skrajnych warunkach za-

pewnia czu³oœæ 500 ppm. W pierwszej kolejno-

œci nale¿y zmierzyæ napiêcie w punkcie X (por.

schematy ideowy i monta¿owy), wzglêdem ma-

sy przy czujniku umieszczonym w czystym po-

wietrzu: Ux powinno wynosiæ od 1,00 do 4,50 V.

Nastêpnie z tablicy odczytujemy wartoœæ wyma-

ganego napiêcia w punkcie Y (Uy). Teraz w³¹-

czamy miernik miêdzy pkt. Y a masê i za pomo-

c¹ potencjometru P1 ustawiamy w³aœciw¹ war-

toœæ Uy. Po tym zabiegu czujnik mo¿na uznaæ

za wykalibrowany. Jednak zakoñczenie na tym

kalibracji ma istotn¹ wadê: po d³u¿szym czasie

mo¿e zmieniæ siê próg prze³¹czania (odstroiæ

siê), co wynika z niestabilnoœci d³ugookresowej

potencjometrów monta¿owych, zw³aszcza eks-

ploatowanych w trudnych warunkach (np.

w znacznej wilgotnoœci). Dlatego zaleca siê po

wykalibrowaniu potencjometrem P1 wykonaæ

nastêpny krok: zabezpieczyæ lakierem ustawie-

nie potencjometru, wylutowaæ go i zmierzyæ

omomierzem rezystancjê miêdzy jednym z koñ-

ców a œlizgaczem oraz drugim z koñców a œlizga-

czem. Obie wartoœci nale¿y zaokr¹gliæ do 0,1 k

Ω

i takie w³aœnie albo najbli¿sze w szeregu 1% dwa

rezystory nale¿y zastosowaæ zamiast potencjo-

metru (wlutowaæ je w miejsce rezystorów R3

i R4). Nale¿y albo zastosowaæ rezystory 1%

lub lepsze albo wybieraæ je (omomierzem) z ty-

powych wartoœci w szeregu 5%. Tak wykalibro-

wany uk³ad mo¿na ostatecznie zmontowaæ

w obudowie.

Zale¿noœæ miêdzy napiêciami w punktach X i Y
uk³adu

µ

A 7805

US1

R2

2,8 k

R3

R6

R8

US2B

US3

R5

US2A

LM 358

C1

S

TGS

812

Rys. 4. Schemat uk³adu

+

Ostrze¿enie. Wiêkszoœæ popularnych na rynku

zasilaczy wtyczkowych dostarcza napiêæ znacz-

nie przekraczaj¹cych wartoœæ znamionow¹,

podawan¹ przez producenta, zw³aszcza jeœli

pracuj¹ z niewielkim obci¹¿eniem lub w ogóle

bez obci¹¿enia. Typowe s¹ przypadki zasilaczy,

które przy parametrach np. 9 V/300 mA do-

starczaj¹ bez obci¹¿enia 22 V, a przy 2/3 zna-

mionowego obci¹¿enia _ 16

÷

17 V. Tymcza-

sem nasz uk³ad nie mo¿e byæ zasilany napiê-

ciem wy¿szym ni¿ 16 V, gdy¿ grozi to uszkodze-

niem uk³adu NE555. Dlatego przed do³¹czeniem

zasilania nale¿y upewniæ siê (u¿ywaj¹c wolto-

mierza), jakie jest napiêcie i w razie potrzeby za-

stosowaæ zasilacz o odpowiednio ni¿szej war-

toœci znamionowej napiêcia. Uwaga ta pozosta-

je aktualna przy ew. zasilaniu urz¹dzenia z in-

stalacji samochodowej (sprawdziæ napiêcie

przy w³¹czonym silniku, najlepiej przy podwy¿-

szonych obrotach i przy wy³¹czonych wszystkich

odbiornikach pr¹du i ew. skorygowaæ ustawie-

nie regulatora napiêcia).

W uk³adzie z do³¹czonym zasilaniem powinna

siê zaœwieciæ dioda D1 oraz mo¿e siê ew. œwie-

ciæ dioda D3 (zale¿y to od przypadkowego

ustawienia potencjometru P1). W³¹czony uk³ad

nale¿y pozostawiæ na przynajmniej 48 godzin

w czystym powietrzu w celu wstêpnego wy-

grzania czujnika. Po tym czasie mo¿na przyst¹-

piæ do kalibracji.

Instalacja urz¹dzenia

Instalacja urz¹dzenia wymaga wziêcia pod

uwagê dwóch zasad:

q

nale¿y je montowaæ w pozycji pionowej, tj. ta-

kiej, by czujnik gazu by³ skierowany wlotem

w dó³;

q

jeœli urz¹dzenie ma wykrywaæ metan nale¿y

je instalowaæ ok. 30 cm od sufitu pomieszcze-

nia; jeœli propan, propan-butan, lub tlenek wê-

gla _ ok. 30 cm od pod³ogi.

H

Z PRAKTYKI

H

OD i DO CZY

TELNIKÓW

Radioelektronik Audio-HiFi-Video 2/2000

Rys. 5. P³ytka drukowana czujnika

Rys. 6. Rozmieszczenie elementów na pytce

Opracowano przy wspó³pracy z firm¹

Nord Elektronik 76-270 Ustka

ul. Kopernika 22

Tel./fax [phone]

UK£AD GRAETZA CZY UK£AD POLLAKA?

Z

byt ma³o wiemy o osi¹gniêciach technicznych naszych wy-

bitnych rodaków. Dlatego zawsze chêtnie o tym piszemy.

Nasz Czytelnik, pan Mariusz Lorek z Lêborka, nades³a³ ko-

piê interesuj¹cej notatki, któr¹ znalaz³ w nrze 12 ”Wiadomo-

œci elektrotechnicznych” z 1954 roku. W notatce jest cyto-

wana informacja prof. Skowroñskiego opublikowana wczeœniej w

”Problemach”:

”Powszechnie obecnie stosowany mostkowy uk³ad czterech prostow-

ników stykowych wynaleziony i opatentowany zosta³ po raz pierwszy

przez Karola Pollaka, doktora honorowego Politechniki Warszawskiej.

Nies³uszne jest przeto nazywanie tego uk³adu uk³adem Graetza. K. Po-

llak uzyska³ w dniu 14.I.1896 r. patent niemiecki (DRP 96564) na prostow-

nik elektroniczny aluminiowy, przy czym w opisie tego patentu podano

tak¿e schemat prostowania dwupo³ówkowego w uk³adzie czterech pro-

stowników. Opis ten zamieszczony by³ w Elektronische Zeitung, nr 25

z roku 1897, z uwag¹ redakcji, ¿e profesor Graetz pracuje nad prostow-

nikami o podobnej zasadzie dzia³ania. Jednak¿e opublikowanie rozwi¹-

zania prof. Graetza nast¹pi³o dopiero w pó³tora roku po uzyskaniu pa-

tentu dr Pollaka.”

Tak wiêc uk³ad Graetza powinien w zasadzie nazywaæ siê uk³adem Po-

llaka. Karol Pollak (1859-1928), wybitny polski elektrotechnik, przez

wiele lat pracowa³ za granic¹, a po I wojnie œwiatowej wróci³ do kraju i osie-

dli³ siê w Bia³ej, gdzie za³o¿y³ fabrykê akumulatorów. By³ autorem kilku-

dziesiêciu wynalazków, g³ównie dotycz¹cych akumulatorów i prostow-

ników.

(M.L)

n

$