Bauanleitung Lambda-O-Meter

Bauanleitung Lambda-O-Meter
1.
Was man braucht
- Bauteile (siehe BOM – Bill Of Material)
(www.drblessing.de/mercedes/gallery/lambda/BOM_Lambda.pdf)
(www.drblessing.de/mercedes/gallery/lambda/BOM_Lambda_1.xls)
- 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...):
http://www.elexs.de/loet1.htm
http://www.elprak.ch/component/option,com_docman/Itemid,15/task,cat_view/gid,31/
3.
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!
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)
Beinchen verlöten, noch nicht biegen!
Kondensator C1 (100nF = 100 Nano-Farad) einstecken (Anschlag, kann auch blau
sein...). Anlöten.
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:
- 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...)
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.
Stromversorgungskabel (+12V und Masse) einstecken, anlöten.
Das zweite Diodenbeinchen zu +12V biegen, beides verlöten.
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!
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
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
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:
1M2 = 1,2 Megaohm (1200000 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
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 - ... -0.9V – 1V) mit dem SIG-Eingang. Ist die SIGEingangs-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:
Und von unten so:
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 ...).
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.
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:
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.
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...!
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.
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.
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!