Otáčkoměr s A/D převodníkem (1635)

NR-104 DIGITÁLNÍ OTÁČKOMĚR
Informace o otáčkách motoru je jedna z nejdůležitějších informací, umožňující jeho plynulou a
ekonomickou činnost . Většina automobilů starších není tímto zařízením vybavena a řidič může
zjistit pouze sluchem přibližný počet otáček, což není dostatečné hlavně v případech, kdy máme
zapnuto autorádio. Otáčkoměr ocení také začínající řidiči pro usnadnění řazení rychlostních stupňů.
Popisované zařízení je univerzální konstrukce, určeno hlavně pro vestavění do automobilů
s benzínovým motorem (dvou nebo čtyř taktním) s minus pólem na kostře a tradičním přerušovačem
zapalování. Díky využití impulsů z přerušovače automobilu odpadá jakákoliv mechanická
konstrukce. Odečet údajů je možný pomocí dvoumístného zobrazovače LED. Obvod v základní
verzi (pro použití v automobilu) má rozsah měření od 100 do 7000 ot/min. s rozlišením 100ot/min.,
jenž pokrývá činnost všech spalovacích motorů. Díky použití známého převodníku A/D ICL7107 je
montáž a oživení přístroje velmi jednoduchá.. Otáčkoměr se vyznačuje také malými rozměry,
dovolující jeho umístění v estetické skříňce typu KM35BN, jenž je součástí stavebnice. Jeho zapojení
v automobilu je velmi jednoduché a rychlé. Přístroj najde použití také při měření otáček vrtaček,
soustruhů a jiných točivých strojů až do 20000 otáček/minutu. Pro tento účel je součástí stavebnice
třetí zobrazovač a změna spočívá ve výměně dvou součástek. Je třeba však zhotovit mechanický
snímač otáček (např. optoelektrický), přeměňující otáčky stroje na elektrické impulsy. Zařízení nabízí
i možnost automatické regulace jasu zobrazovače při změně vnějšího osvětlení. Tato dodatková
funkce vyžaduje osazení tranzistoru, fotorezistoru a dvou rezistorů na základní desce. Tyto součástky
nejsou součástí stavebnice. Otáčkoměr je napájen z elektrické instalace automobilu nebo ve
stacionárním použití z libovolného napáječe 8…15V.
Popis činnosti: myšlenka měření otáček klikové hřídele motoru je založena na faktu, že jejich
velikost je úměrná kmitočtu impulsů, řídící zapalovací cívku. Je třeba mít na paměti, že činitel
proporciálnosti bývá různý v závislosti na druhu motoru (dvou nebo čtyř taktních), počtu válců a
jiných součástí zapalovací soustavy. Na dvě otáčky hřídele, což je úplný cyklus činnosti válce čtyř
taktního nebo dva cykly dvou taktního motoru, mohou připadnout dva, tři či více výstupních impulsů
přerušovače. Je možné si domyslet, že tato informace je nezbytná při konstrukci otáčkoměru ale na
samotné měření nemá žádný vliv. Úkolem našeho obvodu je pouze měření kmitočtu impulsů ze
zapalovací cívky. Funkci obvodu znázorňuje blokové schéma na obr.1. Vstupní průběh je přiveden
na spouštěcí obvod , jenž při každé náběžné hraně impulsu spustí monostabilní multivibrátor,
generující impuls s určitou šířkou a dobou trvání. Na jeho výstupu dostaneme signál důkladně
zsynchronizovaný se vstupním kmitočtem. Abychom dostali informaci o kmitočtu, stačí pak změřit
jeho stejnosměrnou složku, jenž je přímo úměrná vstupnímu kmitočtu. V našem zařízení oddělujeme
tuto složku aktivním dolnopropustným filtrem s kmitočtem několika Hz. Stejnosměrné napětí je pak
vedeno do převodníku ICL7107, bezprostředně řídící zobrazovač. První číslice zobrazuje celé
stovky: odečet „1“ znamená 100ot./min, odečet „70“ znamená 7000 ot./min atd. Všeobecně každý
údaj na displeji musíme násobit 100. Schéma zapojení otáčkoměru je na obr.2. Vstupní impulsy,
formované v obvodu s tranzistorem T1, jsou vedeny do spouštěcího kondenzátoru C6. Každá
náběžná hrana z kolektoru T1 vyvolá krátký impuls proudu do báze T2. V té době se vybíjí C7 a
začíná generování impulsu na výstupu komparátoru US4A. Dioda D4 umožňuje vybití spouštěcího
kondenzátoru C6 při sestupné hraně impulsu na kolektoru T1.
Generování impulsu na výstupe US4A trvá, pokud napětí na záporném vstupu komparátoru
nespadne pod hodnotu poloviny nabíjejícího napětí pro C7, což je charakterizováno časem asi
0,69xC6x (R5+P1). Tato hodnota udává i maximální kmitočet, který se dá změřit naším zařízením.
Signál z multivibrátoru US4A je veden do stupně s tranzistorem T3, jehož úkolem je „konverze“ do
logických hodnot: OV (stav L), a +5V (stav H). Aktivní dolnopropustný filtr je zkonstruován
s pomocí operačního zesilovače US4B. Vzhledem na velkou hodnotu rezistorů R11-R13 (680k), je
použit zesilovač se vstupními tranzistory J-FET TL082. Na výstupu US4B je stejnosměrné napětí
s hodnotou 0…5V dle vstupního kmitočtu, jenž po omezení děličem R14,R15 jde na vstup
převodníku ICL7107.
Jelikož pro správnou funkci obvodů US3 a US4 je potřeba symetrické napájení, musí být toto
vytvářeno v převodníku DC/DC (US2, D1-D2, C4-C5). Signál z vnitřního oscilátoru ICL7107,
proudově zesílený přes šest paralelně spojených invertorů obvodu CD4049 (US2), je transformován
na stejnosměrné napětí v diodovém násobiči. Pro nejnižší ztráty napětí v násobiči byly zvoleny
Shottkyho diody. Zobrazovací pole je tvořeno třemi displeji, řízenými bezprostředně z výstupu
ICL7107 (v automobilovém provedení zobrazovač DISP101 nepracuje). Obvod automatické
regulace jasu displeje se skládá z tranzistoru T101, rezistorů R102 - R103 a fotoodporu R101. Napětí
na odporovém děliči závisí na intenzitě osvětlení a ovládá přes tranzistor T101 proud zobrazovače.
V základní verzi sestavy se nenacházejí součástky pro automatické řízení jasu a svorky X a Y na
desce tištěných spojů musíme propojit kouskem vodiče. Popis činnosti obvodu pro univerzální
použití (rozsah do 20000 ot./min) je stejný jak výše uvedený, rozdíl je pouze při montáži a oživení.
Nastavení parametrů obvodu. Před přistoupením k samotné montáži, musíme zjistit počet impulsů
z přerušovače na dvě celé obrátky klikové hřídele našeho motoru.. Tuto informaci lze dostat od
mechanika nebo zjistit z tabulky 1., avšak bez záruky. Po vyhledání údaje podle druhého sloupce
tabulky 2. odečteme hodnotu kondenzátoru C7 a rezistoru R6, jenž budeme osazovat v otáčkoměru.
Ve stavebnici se nacházejí dvě exemplární součástky C7 (470n a 220nF) a jedna hodnota R6 (15k),
určené pro nejpoužívanější motory čtyřtaktní: 2- válcový a 4- válcový. U netypických motorů je třeba
si opatřit součástky C7 a event. C6 jiných hodnot.
Montáž obvodu: Zařízení sestavujeme na dvou deskách tištěných spojů, řídíce se montážním
schématem (obr.3) a popisem na deskách. Méně zkušeným elektronikám připomínáme dodržování
orientace polarizovaných součástek jako diody, displeje, LED, tranzistory, integrované obvody a
elektrolytické kondenzátory. Pozornost věnujeme také osazení obvodu US2 (4049), jenž bude
umístěn pod obvodem ICL7107 bez patice. Směr vletování ostatních součástek (rezistorů,
nepolarizovaných kondenzátorů) bude libovolný. Pamatujeme také na součástky C7 a R6, jejichž
hodnotu vybereme před samotnou montáží. Jestliže chceme oživit obvod automatické regulace jasu,
osazujeme také součástky pod označením R101-R103 a tranzistor T101 (nevyžaduje chladič, stačí
jej přišroubovat k desce). V opačném případě uděláme propojku mezi body „X“ a „Y“ na desce
zobrazovačů (dle montážního schématu). Po osazení obou desek tištěných spojů tyto vzájemně
mechanicky propojíme sletováním. Pro stabilizátor US1 je třeba zhotovit chladič o ploše několik cm2
z hliníkového plechu.
Nastavení obvodu (metoda 1): jestliže máme k dispozici generátor pravoúhlého kmitočtu s
digitálním odečtem, oživení je velice jednoduché. Stačí nastavit zařízení na pravoúhlý kmitočet dle
čtvrté kolonky tabulky 2 (testovací kmitočet) a tento připojit na vstup otáčkoměru. Potenciometrem
P1 pak nastavíme na zobrazovači údaj „ 70 “. Důležité je, aby signál z generátoru měl hodnoty
v nízkém logickém stavu 0V a ve stavu vysokém nejméně 5V.
Nastavení obvodu (metoda 2): jestliže nedisponujeme generátorem, oživení je následující.
Využijeme pro tento účel síťového kmitočtu 50Hz, který máme vždy k dispozici. Potřebujeme pro
tento účel libovolný síťový transformátor., dodávající napětí s hodnotou od 5V do 20V, jehož
výstupní vinutí připojíme do bodů „ – “ a „ IMPULS “ otáčkoměru. Potenciometrem P1 nastavíme
na zobrazovači hodnotu dle pátého sloupce tabulky 2 (testovací odečet). Tato metoda však není tak
přesná , jak metoda č.1.
= 2 impulsy přerušovače
Nastavení obvodu (metoda 3): otáčkoměr můžeme nastavit v jiném automobilu, které je již
vybaveno továrním otáčkoměrem. Vyžaduje to však jeho zapojení na zapalovací cívku a napájení a
nastavení identických údajů na obou zobrazovačích při vysokých otáčkách motoru. Takovýto způsob
nastavení má smysl jen v případě, kdy elektrická instalace zapalování je shodná se „vzorovým“
automobilem.
Ostalace zařízení: Instalace zařízení je následující:
mínusový pól obvodu spojíme s kostrou automobilu
- plusový pól obvodu spojíme s plusem elektické instalace za spouštěcí skříňkou
- bod „ IMPULS” spojíme s vústupem přerušovače
Je třeba se ještě před montáží zkontrolovat, jestli se nachází v obvodu napájení pojistka, v opačném
případě ji dodatečně namontujeme (pro samotný otáčkoměr stačí 1A), abychom zamezili případým
následkům zkratu při nastavování obvodu. Pojistku umístíme do některého z volných míst pojistkové
skříňky. V žádném případě nesmí být pojistka v bezprostřední blízkosti otáčkoměru v kabině
automobilu. Správně nainstalovaný otáčkoměr musí být v činnosti jen v době zapnutého klíčku
zapalování.
Montáž a oživení univerzální verze otáčkoměru: Obvod v této verzi sestavujeme tím samým
způsobem jako verzi automobilovou s tím rozdílem, že hodnota C7 bude 150nF, R6-15k, a R15-68k.
V této verzi je možno také použít obvod automatické regulace jasu (T101, R101-R103), v opačném
případě pamatovat na propojku mezi body „X“ a „Y“ desky zobrazovačů. Nastavení se provádí
přibližně stejným způsobem jak metoda 1 (s použitím generátoru). Do vstupu „IMPULS“ přivedeme
signál s kmitočtem 330Hz a potenciometrem P1 nastavíme údaj „198“ (19800 ot./min). V zařízení,
ve kterém chceme měřit otáčky, musíme umístit obvod, přeměňující tyto na elektrické impulsy.
Nejjednodušším řešením bude optoelektronický obvod dle obrázku 4. Otáčející se součástku stroje
polepíme kouskem papírové pásky, jenž bude mít polovinu své délky začerněnou. Fotorezistor pak
odstíníme tak, aby na něj nepadalo jiné světlo než odražený paprsek žárovky od černobílé pásky.
Potenciometr slouží k regulaci citlivosti obvodu. Napětí +5V odebíráme z obvodu plus pólu
kondenzátoru C2.
2-taktní motor
1-válcový
2-válcový
3-válcový
4-taktní motor
2-válcový
3-válcový
4-válcový
5-válcový
6-válcový
přepočet: 2 otáčky klik.hřídele =
= 2 impulsy přerušovače
= 3 impulsy přerušovače
= 4 impulsy přerušovače
= 5 impulsů přerušovače
= 6 impulsů přerušovače
Tabulka 1. Počet impulsů na dvě otáčky klikového hřídele
přepočet: 2 ot. klik.hřídele =
C7
R6
test. kmitočet
test. odečet
.
470nF*
15k*
116,7Hz
30
= 3 impulsy přerušovače
330nF
15k*
175,0Hz
20
= 4 impulsy přerušovače
220nF*
233,3Hz
15
= 5 impulsů přerušovače
220nF*
15k*
12k
12k
291,2Hz
12
= 6 impulsů přerušovače
150nF
15k*
350,0Hz
10