Вопрос контроля содержания в воздухе угарного, углекислого газа и многих других летучих веществ, включая пары алкого­ля, весьма актуален. Часто это могло бы предотвратить не­счастные случаи в быту и на производстве. Для выявления различных вредных примесей служат многочисленные детек­торы газа.

                                                              Доработка детектора паров алкоголя

Принцип работы у всех датчи­ков газа одинаков. Конструктивно датчики содержат в своем составе газочувствительный элемент. При воздействии на него конкретных газов изменяется сопротивление датчика. Для повышения эффек­тивности работы датчика его подо­гревают при помощи нагреватель­ного элемента, расположенного внутри датчика газа. Изменение сопротивления датчика при коле­баниях концентрации газа являет­ся откликом датчика. В зависимо­сти от легирующих примесей в на­греваемом элементе (датчике) можно получить высокую чувстви­тельность к определенным газам. Первоначально нагревательный элемент представлял собой спи­раль, как в лампе накаливания. По­зднее вся конструкция стала тол­стопленочной. Это позволило до­биться не только уменьшения тру­дозатрат на изготовление датчи­ков, но и обеспечить идентичность (повторяемость) их параметров.

Датчики газа выпускаются мно­гими зарубежными фирмами, таки­ми, как японская фирма "FIS", не­мецкая "Sensoric", английская "City Technology". Например, японская фирма "Figaro Engineering Inc." бо­лее сорока лет выпускает такие датчики. При этом в месяц произ­водится более 1 млн. штук датчи­ков. Они предназначены для быто­вых детекторов утечки газа в домах, для контроля систем вентиляции по­мещений и кондиционеров. Около 15% используются для климат-контроля салонов автомобилей и нали­чия взрывоопасных газов в них. Эти датчики использую многие мировые лидеры автомобилестроения - "BMW", "General Motors" и другие.

Мы же обратим внимание на датчики паров алкоголя. Автор ста­тьи [1] писал,что при наличии у ра­диолюбителя датчика типа TGS- 2620 или TGS-822 японской фирмы "Figaro Engineering Inc." несложно изготовить простейший алкотестер для "бытовых" нужд. Мастерить всегда интересно и, если удалось его достать, то стоит попробовать.

К сожалению, некоторые аспек­ты построения схемы [1] имели принципиальные технические не­точности, что требовало устране­ния ошибок. Для удобства читате­лей схема [1, рис. 2] повторена на рис. 1 настоящей статьи.

Интересна история появления этих ошибок и их дублирования в технической литературе. Следует особо подчеркнуть, что ошибки в принципиальной схеме алкотестера появились в печатных изданиях и Интернет уже давно. С тех пор они многократно дублировались. В частности, просматривая в Интер­нет материалы фирм, реализую­щих датчики газа TGS фирмы "Figaro Engineering Inc.", можно встретить типичную схему подклю­чения датчика серий TGS8xx и TGS2xxх- рис. 2.

 Трудно было по­верить, чтобы ошибка пошла с сай­та производителя датчиков газа "FIGARO". Оказалось, что в мате­риалах [2] на ее сайте в схеме (Fig.14) ошибки не было (рис. 3). 

Одновременно на схеме показан и узел задержки включения тестера газа после подачи его питания (Fig.18). Как видим, основное отличие состо­ит в том, что работа компаратора должна блокироваться по неинвер- тирующему входу. Это при усло­вии, что в этих схемах идентично выполняется и подключение звукоизлучателя "Buzzer" к выходу ком­паратора через согласующий тран­зистор.

Рассмотрим схему на рис. 1. Датчик, как правило, подключает­ся непосредственно к компаратору напряжения. В схеме рис. 1 это микросхема К554СА3. Общеизве­стно, что по выводу 9 она имеет "открытый коллектор" выходного транзистора. Эмиттер этого тран­зистора (вывод 2) соединен с ми­нусом источника питания схемы. База транзистора VT1 соединена через резистор R8 только с выво­дом 9 (OK) DA1, поэтому в этой схе­ме смещение на транзистор не по­дается и не снимается с него. Так транзистор управляться не может. Чтобы "снимать" смещение, его первоначально надо подать. Для этого, например, надо соединить вывод 9 DA1 не только с R8, но и с резистором R6, как это и показано на рис. 4. Другой вывод резистора R6 соединяют с "плюсом" источни­ка питания схемы. Практически так и делают на практике в большин­стве схем, где используется микро­схема К554СА3.

Номинал резистора R6 не крити­чен. При макетировании схемы ис­пользовались резисторы 5,1...20 кОм, однако добавление в схему резис­тора R6 обеспечит возможность работоспособности микросхемы компаратора DA1, но не схемы алкотестера рис.1.

Реле времени на микросхеме DA2 предназначено для блокировки компаратора DA1, как отмечает ав­тор [1], на 1... 1,5 минуты. За это время датчик паров алкоголя GS1 после включения питания схемы должен быть подготовлен к работе (прогрет).

Действительно, после включе­ния питания схемы конденсатор С2 таймера DA2 разряжен и на выхо­де 6 DA2 устанавливается высокий потенциал,близкий к величине на­пряжения питания микросхемы. Это напряжение подается на ин­вертирующий вход (вывод 4) мик­росхемы DA1, блокируя работу алкотестера. Примечательно, что в схеме [1] время блокировки таймера на 1...1,5 мин неоправданно завыше­но. В схеме фирмы "FIGARO" при та­кой же емкости времязадающего кон­денсатора таймера (220 мкФ) номи­нал сопротивления резистора времязадающей цепи не 1,5 МОм, а 750 кОм. При этом снижаются тре­бования к качеству этого электро­литического конденсатора.

После окончания выдержки вре­мени состояние микросхемы DA2 изменяется на противоположное. На ее выходе появляется "нулевой" потенциал, но в схеме рис. 1 это приводит к сбою в работе алкотестера - независимо от выходного сигнала датчика GS1 мгновенно звучит сигнал превышения допус­тимой концентрации паров алкого­ля. Схема (рис. 1) требует коррек­тировки.

Для восстановления работоспо­собности схемы может быть много путей исправления ошибки. На рис. 4 показано, как можно блоки­ровать работу излучателя НА1 на время прогрева датчика GS1 за счет воздействия таймера DA2 не­посредственно на ключевой тран­зистор VT1.

Времязадающая це­почка R11, С2 подключается к неинвертирующему входу операцион­ного усилителя DA2 и в течение вы­держки времени таймера на выхо­де микросхемы (вывод 6) будет ну­левой потенциал. Смещение на базу транзистора VT1 на это вре­мя не подается и он находится в за­пертом состоянии. Диод VD2 - раз­вязывающий. Он исключает влия­ние микросхемы DA2 на работу транзистора VT1 после переключе­ния таймера. Тип диода не принци­пиален. Может быть использован диод, например, КД521 или КД522.

В статье [1] была дана ошибоч­ная трактовка назначения диода VD1, шунтирующего резистор R6: "Диод VD1 препятствует току утеч­ки оксидного конденсатора С2". Физически в процессе работы схе­мы диод VD1 заперт обратным сме­щением на нем и в работе не уча­ствует. При отключении питания схемы через этот диод очень быст­ро разряжается конденсатор С2, заряженный во время работы схе­мы. Это способствует тому, что каждый новый цикл работы схемы после включения ее питания начи­нается с одинаковой выдержки времени, используемой на прогрев датчика GS1.

Макетирование схем показало, что величину резистора R6 (рис. 1) и R11 (рис. 4) можно значительно умень­шить. Это будет способствовать снижению требований к качеству конденсатора С2. Емкость конден­сатора при этом, естественно, надо увеличить.

Особенности выходного каска­да микросхемы К554СА3 (по выво­ду 9 - "открытый коллектор") позво­ляют дополнительно упростить схе­му алкотестера - рис. 5. 

В ней вы­ход микросхемы DA2 (вывод 6) со­единен с базовым резистором R7 транзистора VT1 через развязыва­ющий резистор R6. При первичном включении питания на выводе 6 DA2 нулевой потенциал. Соответ­ственно, будет нулевой потенциал и на базе транзистора VT1. После отработки времени таймером DA2 потенциал его выхода станет еди­ничным, но поступит ли этот потен­циал на базу транзистора VT1, бу­дет зависеть от состояния выход­ного транзистора микросхемы ком­паратора DA1.

При повторении схемы алкоте­стера не следует забывать, что из­лучатель НА1 для схем должен со­держать встроенный генератор сигналов. На рис. 1 указан его тип КР1 -4332. Найти в продаже такой не удалось и при испытаниях схемы он заменялся аналогичным излучате­лем со встроенным генератором - КРХ-1205В. Напряжение его пита­ния равно 5 В, а КРХ-1212В- 12 В.

Просматривая справочные ма­териалы по датчикам "FIGARO" бро­сается в глаза тот факт, что нуме­рация выводов датчика TGS-2620 в [1] не соответствует данным фир­мы "FIGARO". На рис. 4 и рис. 5 на­стоящей статьи подключение дат­чика GS1 сделано в соответствии с фирменными справочными мате­риалами этого датчика. Внешний вид и габариты датчика TGS-2620 показаны на рис. 6 и рис. 7.

   

В заключение обозрения хочу обратить внимание читателей на необходимость установки величи­ны порога срабатывания схемы ал­котестера при настройке. В схеме [1] это не предусмотрено, но край­не необходимо. В схеме рис. 2 эту функцию выполняет подстроечное сопротивление RL. На схемах рис. 4 и рис. 5 подстроечное сопротивле­ние R5 задает потенциал инверти­рующего входа компаратора DA1. Это более безопасно для датчика GS1 по сравнению со схемой рис. 2, поскольку по ТУ допустимая мощ­ность рассеивания измерительно­го сопротивления датчика RS не более 15 мВт.

В отличие от схемы рис. 4 в схе­ме рис. 8 изменена полярность вы­ходного сигнала таймера задерж­ки включения. Для этого времязадающий конденсатор С2 соединен с неинвертирующим входом микро­схемы DA2.

При включении питания схемы конденсатор С2 начинает заря­жаться, а на выходе (вывод 6) мик­росхемы DA2 все это время сохра­няется единичный положительный потенциал. Через диод VD2 он по­дается на инвертирующий вход компаратора DA1. Независимо от выходного сигнала датчика газа GS1 в течение времени паузы пос­ле включения питания выходной транзистор микросхемы DA1 будет открыт. Это снимает смещение с базы транзистора VT1 и он будет в непроводящем состоянии.

После отработки паузы микро­схемой DA2 ее выходной сигнал станет нулевым, но диод VD2 бу­дет препятствовать его прохожде­нию на инвертирующий вход ком­паратора DA1.

Схема рис. 9 содержит мини­мальное количество деталей. Она построена всего на одной микро­схеме (DA1) типа К554СА1. При этом используется тот факт, что ее выходной транзистор работает в режиме с "открытым" коллектором по выводу 9. Смещение на транзи­стор VT1 подается через резисто­ры R5 и R6 только в том случае, если выходной транзистор микро­схемы открыт. Смещение с базы транзистора VT1 снимается и он запирается.

После окончания паузы конден­сатор С2 зарядится и потенциал инвертирующего входа компарато­ра DA1 будет определяться лишь значением номиналов резисторов R1...R3.

Если в качестве микросхемы DA1 узла задержки включения в работу алкотестера после подачи питания на схему предполагается использовать не специализирован­ную микросхему компаратора,  астандартный операционный усили­тель, то обязательно надо предус­матривать в схеме развязку его выхода. Практически в продаже нет операционных усилителей с "откры­тым" выходом. Такие ОУ даже не встречаются в справочных матери­алах по микросхемам или в сети Ин­тернет, хотя там можно встретить много интересного и поучительно­го, например, статью [3], почерпнуть некоторую информацию из других источников [4...5]. Некоторые новые схемы приведены и в [6].

В заключение, надо отметить, что возможно и нетрадиционное использование алкотестеров на ос­нове датчиков "Figaro". Если в схе­мах поменять местами инвертиру­ющий и неинвертирующий входы компаратора DA1, то при концент­рации в воздухе паров алкоголя менее установленной нормы будет звучать звуковой сигнал излучате­ля НА1, а при превышении концен­трации алкоголя своей нормы зву­ковой сигнал прекратится. Такой алкотестер будет забавной игруш­кой на дружеском застолье. Он сразу покажет, кто с нами набира­ет свои "градусы", а кто лишь ими­тирует это.

Для такой доработки алкотесте­ра достаточно при помощи сдвоен­ного переключателя SB1 менять местами в схеме входы компарато­ра DA1 - рис. 10.

 Получим два ре­жима работы алкотестера - стан­дартный и шуточный. Проградуировав шкалу подстроечного сопро­тивления алкотестера, можно дос­таточно точно по его шкале опре­делять превышение "нормы" и кон­статировать величину этого превы­шения. Это уже "грозное оружие" в руках наших жен! 

Литература

1. Андрей Кашкаров. Датчик паров алкоголя . Радиолюбитель. -2008. -№1 -С.7-9.

2. http://www.fiаarosensor.com/products/common(1104).рdf

3. Юрий Коваль. Датчики \ Мир автоматизации. -2006. -июнь. -С.18-23.

4. Полупроводниковый датчик паров алкоголя MQ-303A// Радиосхема. -2008.№6. -С.2-3.

5. G. Dioszegi. Детектор газов (СО и паров алкоголя) // Radiotechnika. -2005. - №11

6. Е.Л. Яковлев. Датчики газа и их применение // Радиоаматор. -2009.  -№7/8. -С.32-35.

Е.Л. Яковлев

г. Ужгород, Украина