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Praktische Elektronik Gassensoren in elektronischen Schaltungen Dipl.-Ing. ANDREAS KÖHLER Gase werden heute in der Technik und im Haushalt in großem Umfang genutzt. Neben der relativ einfachen Handhabung haben Gase aber auch ihre Tücken. Aus diesem Grund wurden von der Industrie sogenannte Gassensoren entwickelt, mit deren Hilfe man ein Vorhandensein dieser Medien signalisieren und anzeigen kann. Denken wir zum Beispiel an Propangas-Explosionen im Freizeitbereich (Wassersport, Camping), können solche Bauelemente durchaus Leben retten. ■ Arbeitsweise der Sensoren Zusammen mit Sauerstoff bilden viele Gase explosive Gemische. Bei unsachgemäßem Umgang besteht außerdem die Gefahr der Erstickung bzw. Vergiftung. Ganz grob können Gase in Gruppen nach Tabelle 1 eingeteilt werden. Die japanische Firma FIGARO Engineering Inc. ist eine der führenden Firmen auf dem Gebiet der Gassensoren. Ihre Halbleiter-Gassensoren sind überwiegend aus gesintertem Zinndioxid aufgebaut. Wird dieses Material stark erwärmt (etwa 400 °C), reagiert es empfindlich auf den Einfluß von verschiedenen Gasen. Solange eine saubere Sauerstoffatmosphäre (Luft ohne reduzierende Gase) vorliegt, lagern sich Sauerstoffmoleküle an den Korngrenzen des Zinndioxides an und binden eventuelle freie Elektronen. Die Leitfähigkeit zwischen den einzelnen Kristallen ist gering. Nach außen hin hat der Sensor einen großen Widerstand. Trifft ein reduzierendes Gas auf den Sensor, so wird dies ebenfalls an den Korngrenzen des Zinndioxides absorbiert. Jetzt sorgt das Gas für eine Reduktionsreaktion, die den Übergangswiderstand an den Kri- 380 • FA 4/95 stallen erheblich verringert. Die Folge ist eine Verringerung des Widerstandes vom Sensor. Je nach Temperatur und Aktivität des Sensormaterials ergeben sich unterschiedliche Empfindlichkeiten für verschiedene Gase. Die Widerstandsänderungen können je nach Sensor bis zu 1:50 liegen. In [1] ist eine Übersicht über die angebotenen Sensoren und ihre Gasempfindlichkeit aufgeführt. ■ Schaltungstechnik der Gassensoren Die Schaltungstechnik der Gassensoren erinnert stark an die Röhrenschaltungstechnik. Jeder Gassensor benötigt zunächst eine Heizspannung. Diese kann, je nach Typ, sehr verschieden sein. Genaue Angaben liefert das entsprechende Datenblatt. Je nach Bauelement sind Spannungen bis zu 100 V an den Sensoranschlüssen nötig. Auch die Heizleistung sollte bei vielen Typen nicht unterschätzt werden. Bild 1 zeigt die Schaltung eines Sensors für brennbare Gase mit dem TGS 109. Er reagiert insbesondere auf Kohlenmonoxid, Wasserstoff, Ethanol, Methan und Butan. Die notwendige hohe Spannung läßt sich zum Beispiel durch einen Transverter erzeugen. Bild 1: Gassensor für brennbare Gase Der Lastwiderstand für den Sensor sollte nicht kleiner als etwa 4 kΩ gewählt werden, um das Bauelement nicht zu zerstören. Mit dem Einstellregler kann die Ansprechempfindlichkeit eingestellt werden. Als Thyristor ist ein Exemplar mit möglichst kleinem Zündstrom zu verwenden. Er muß den Strom, den das Relais benötigt, sicher beherrschen können. Das Relais sollte für Wechselspannung geeignet sein. Steht keines für 110 V Wechselspannung zur Verfügung, kann eine Anpassung der Anzugsspannung des Relais über den Spannungsteiler mit Rx erfolgen. Der Nachteil dieser Lösung ist jedoch der Tabelle 1: Einteilung der Gase Gasart Beispiele Anwendung brennbare Propan, Butan Heizzwecke Gase Methan, Wasserstoff giftige Kohlenmonoxid Stadtgas Gase Ammoniak Schwefelwasserstoff organische Alkohol Lösungsmittel Gase Toluol höhere Leistungsbedarf. Im Muster fand ein altes 60-V-AC-Relais Verwendung. Die gewählte Variante der Stromversorgung garantiert einen weitestgehenden Schutz gegen galvanische Verbindungen mit dem Netz. Die Übersetzung 24 V zu 220 V ergibt recht genau 100 V am Ausgang. Der Strom, der geliefert werden muß, ist hauptsächlich vom Relais abhängig. Ein 4-VA-Trafo reicht in den meisten Fällen aus. Die 1-V-Heizwicklung muß zusätzlich aufgebracht werden. Wer einen Trafo gewählt hat, der nicht vergossen ist, wird diesen Vorteil zu schätzen wissen. Die etwa 20 bis 30 zusätzlichen Windungen lassen sich dann meist einfach „einfädeln“. Zu beachten ist bei dieser einfachen Schaltung, daß der Sensor nach dem Einschalten zunächst anspricht. Die Ursache liegt in einem „Initialisierungsvorgang“ des Sensormaterials. Er kann je nach Umgebungsbedingungen einige Minuten dauern. Vorausgesetzt, die Luft enthält keinen Gasanteil, der die Ansprechschwelle übersteigt, fällt das Relais nach einer gewissen Zeit von selbst ab. ■ Kleinere Spannungen Der Nachteil dieser Lösung ist, daß Spannungen verwendet werden, die heute in der Elektronik ungebräuchlich sind. Der Sensorhersteller hat dies erkannt. Er stellt auch Sensoren her, die mit wesentlich kleineren Spannungen arbeiten. Ein Beispiel hierfür ist der TGS 813. Dieser Sen-
Bild 2: Sensor für geringe Betriebsspannung sor spricht ebenfalls auf brennbare Gase an. Er braucht eine Heizspannung von nur 5 V. Die Toleranz wird mit ±0,2 V, die Betriebsspannung mit maximal 24 V vorgegeben. Jedoch reichen auch schon Werte von 5 V zum ordnungsgemäßen Betrieb aus. Damit können die Heiz- und Betriebsspannung aus einer gemeinsamen Quelle entnommen werden, was die Schaltung weiter vereinfacht. Bild 2 zeigt einen Stromlaufplan für diesen Sensor. Der Spannungsregler sorgt für die Einhaltung der Betriebsspannungsbedingungen. Eine LED mit entsprechendem Vorwiderstand zeigt die Betriebsbereitschaft des Sensors an. Die Signalspannung des TGS 813 fällt über einem einstellbaren Widerstand von etwa 16 kΩ ab. Mit dem Einstellregler ist es möglich, Bild 4: Kennlinie des Sensors TGS 812 die Ansprechempfindlichkeit einzustellen. Der Melder spricht an, wenn die Spannung am Arbeitswiderstand die Referenzspannung am invertierenden Eingang des Komparators überschreitet. Diese Referenzspannung wird mit einem Kondensator „stabilisiert“. Die Temperaturkompensation übernimmt ein Heißleiter. Der Transistor ist nur notwendig, wenn entsprechend leistungsstarke Verbraucher als Signalindikator eingeschaltet werden sollen. Auch bei diesem Sensor gibt es einen „Initialisierungsvorgang“ der je nach vorangegangener Lagerung bis zu fünf Minuten dauern kann. ■ Alkoholwarner Als letztes soll hier noch eine Schaltung zur Bestimmung des Alkoholgehaltes in der Atemluft vorgestellt werden. Leider wird jedoch kaum ein Amateur die Möglichkeit haben, ein solches Meßgerät ordnungsgemäß eichen zu können. Der Aufwand dafür ist einfach zu hoch. Außerdem setzt die Eichung ein hohes Maß an Wissen über physikalische und chemische Zusammenhänge voraus. Es bleibt also nur eine Schaltung, die es gestattet, die „Alkoholfahne“ mehrerer Partygäste mit einem „professionellen“ Gerät und diesem zu vergleichen. Bild 3 zeigt die Meßschaltung. Im Prinzip handelt es sich um eine einfache Brückenschaltung. Ein Meßgerät vergleicht die Differenzspannung zwischen zwei Spannungsteilern. In einem Spannungsteiler liegt der Alkoholsensor vom Typ 812. Er verändert seinen Widerstand in Abhängigkeit von der Alkoholkonzentration und sorgt damit für einen Ausschlag des Meßinstruments. Eine Besonderheit ist noch in der Stromversorgung zu finden. Um zu verhindern, daß das Anzeigeinstrument beim Initialisierungsvorgang des Sensors zu stark beansprucht wird, sorgt eine Verzögerungs- Bild 3: Stromlaufplan des Alkoholtesters Praktische Elektronik Tabelle 2: Typen von Gassensoren Typ Typisches Gas TGS 100 Luft (Verunreinigungen) TGS 109 Propan, Butan TGS 109 T natürliche Gase TGS 203 Kohlenmonoxid TGS 550 Schwefel, Mercaptan TGS 590 Ozon TGS 800 Benzindämpfe, Zigarettenrauch TGS 812 Alkohol,Kohlenmonoxid TGS 813 brennbare Gase TGS 815 Methan TGS 816 brennbare Gase TGS 821 Wasserstoff TGS 822 Alkohol, Toluol, Xylen TGS 823 Alkohol, Toluol, Xylen TGS 824 Ammoniak TGS 825 Wasserstoffsulfid TGS 830 Freon TGS 831 Freon TGS 832 Freon TGS 842 Methan, Propan, Butan TGS 880 ätherische Gase TGS 881 ätherische Gase TGS 882 ätherische Gase TGS 883 T ätherische Gase, Feuchte TGS 884 ätherische Gase schaltung für das langsame Ansteigen der Betriebsspannung. Diese Schaltungsmaßnahme schützt es, seine Verzögerung ist jedoch kürzer als die Initialisierungszeit. Zu beziehen sind die Sensoren unter anderem von der UNITRONIC GmbH, Postfach 350252, Düsseldorf 40444. Die Preise liegen bei etwa 25 bis 140 DM. Literatur [1] FIGARO Products Catalog Firmenschrift Figaro Engineering, Inc. April 1994 [2] Characteristics and Remarks of FIGARO Gas Sensor, Firmenschrift Figaro Engineering Inc. FA 4/95 • 381
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