【導讀】電化學氣體檢測元件需要恒定的偏置才能正常準確地運行,這可能會消耗大量功率。當器件處于空閑或休眠模式時,正常的 電源管理系統(tǒng)往往會試圖讓這些器件都保持關(guān)斷狀態(tài)。然而, 電化學傳感器需要數(shù)十分鐘甚至幾個小時才能穩(wěn)定下來。因 此,檢測元件及其偏置電路必須處于“始終接通”狀態(tài)。此 外,對于使用單節(jié)AA電池的消費電子應用,所需的偏置電壓通 常非常低。
摘要
本文將探討適合乙醇和一氧化碳(CO)等電化學氣體傳感器應用的運算放大器。還將討論此類應用所需的放大器性能,幫助便攜式設備以更低功耗準確測量乙醇和CO,并獲得更理想的結(jié)果。
簡介
電化學氣體檢測元件需要恒定的偏置才能正常準確地運行,這可能會消耗大量功率。當器件處于空閑或休眠模式時,正常的 電源管理系統(tǒng)往往會試圖讓這些器件都保持關(guān)斷狀態(tài)。然而, 電化學傳感器需要數(shù)十分鐘甚至幾個小時才能穩(wěn)定下來。因 此,檢測元件及其偏置電路必須處于“始終接通”狀態(tài)。此 外,對于使用單節(jié)AA電池的消費電子應用,所需的偏置電壓通 常非常低。
MAX40108是一款低功耗、高精度運算放大器(運放),工作電源電壓低至0.9 V,專為儀器儀表類應用而設計。此外,該器件具有軌到軌輸入和輸出特性,典型電源電流消耗僅25.5 μA,并且隨著 時間和溫度變化,其典型零漂移輸入失調(diào)電壓為1 μV。因此,非 常適合各種低功耗應用,例如乙醇和CO氣體傳感器等消費電子產(chǎn)品。
概述
圖1顯示了乙醇或CO等電化學傳感器的框圖。系統(tǒng)中采用了低壓 運算放大器,后者直接由1.5 VAA/AAA電池供電,為電化學傳感器提 供偏置電流,而系統(tǒng)的其余部分則處于休眠模式,以節(jié)省功耗。 第一個運放U1為電化學傳感器的參比電極供電。第二個運放U2配 置為跨導放大器,將傳感器的電流輸出轉(zhuǎn)換為電壓輸出,經(jīng)放大 后由微控制器進行數(shù)字化處理。電壓信號通過MAX44260(即U3) 放大,它是一款1.8 V、15 MHz、低失調(diào)、低功耗、軌到軌輸入/輸出 (I/O)運算放大器。ES代表電化學傳感器。
點擊此處可在線獲取該電化學傳感器的原理圖。
圖1. 使用MAX40108的電化學傳感器的框圖
乙醇傳感器評估
在乙醇傳感器評估中,使用的傳感器是圖2所示的SPEC 3SP_Ethanol_ 1000封裝110-202。
圖2. 乙醇傳感器SPEC 3SP_Ethanol_1000封裝110-202
此SPEC乙醇傳感器產(chǎn)生與捕獲的氣體量成比例的電流。它是一 個三電極器件:WE 、RE和CE。
WE:工作電極。WE偏置電壓為0.7 V,用于檢測氣體蒸氣。
RE:參比電極。此RE在電解質(zhì)中提供0.6 V偏置電壓的穩(wěn)定電化學 電位,不接觸氣體蒸氣。
CE:對電極(CE)。
當存在氣體時,CE導電。導電水平與氣體濃度成正比,這樣系 統(tǒng)就可以對氣體濃度進行電測量。
在該氣體傳感器評估中,氣體顆粒需要與SPEC傳感器物理接 觸。換句話說,乙醇傳感器基本上只測量傳感器本身所在位置 存在的氣體。因此,為了準確有效地檢測乙醇和CO等氣體,應 將傳感器放置在預計氣體濃度會擴散到的位置。在此實驗中, 將棉簽浸入乙醇溶液中,并將其放在SPEC傳感器的正前方。
圖3顯示捕獲到乙醇蒸氣,如藍色曲線所示。綠色曲線是包括微 控制器在內(nèi)整個系統(tǒng)的電流消耗,典型值為90 mA。然而,當VDD = 0.9 V 、TA = 25°C時,MAX40108本身的電流消耗僅為25.5 μA,如圖4 所示。
當處于空閑模式時,微控制器每10秒喚醒一次,進行乙醇蒸氣 監(jiān)測。當存在蒸氣時,微控制器開始測量蒸氣濃度,如藍色曲 線所示。紅線顯示AA電池電壓約為1.5 V,黃線為CE電壓。
為了觀察乙醇傳感器對蒸氣濃度的響應度,將棉簽移至離傳感 器更遠的位置。捕獲的結(jié)果如圖5所示。正如預期的那樣,蒸氣 濃度的幅度(藍色曲線)相應地減小了。
圖3. 乙醇傳感器的性能
圖4. 在各種電源電壓下和工作溫度范圍內(nèi)的電流消耗
圖5. 蒸氣遠離SPEC傳感器時乙醇傳感器的性能
CO傳感器評估
與乙醇不同,CO是一種潛在有毒氣體,汽油甚至無害蠟燭燃燒 不完全時都會產(chǎn)生一氧化碳。因此,當進行CO氣體實驗時,采 取適當?shù)耐L措施以確保健康和安全非常重要。在CO傳感器評 估中,我們使用蠟燭在遮住的廣口瓶中產(chǎn)生CO氣體,并使用相 同的傳感器SPEC 3SP_Ethanol_1000封裝110-202來捕獲CO氣體濃度。
圖6顯示捕獲到CO氣體,如藍色曲線所示。綠色曲線是包括微控 制器在內(nèi)整個系統(tǒng)的電流消耗,典型值為90 mA。
與乙醇評估一樣,當處于空閑模式時,微控制器每10秒喚醒一 次,進行CO氣體監(jiān)測。當檢測到該氣體時,微控制器開始測量其濃度,如藍色曲線所示。紅線顯示AA電池電壓約為1.5 V,黃線 為CE電壓。
圖6. MAX40108 CO傳感器的性能
結(jié)論
為使消費電子和工業(yè)應用能夠準確測量乙醇和CO氣體,需要一種 工作電源電壓低至0.9 V的低功耗、高精度運算放大器。MAX40108器 件專為有效捕獲和測量乙醇和CO等常見氣體而設計,電流消耗低至25.5 μA,尺寸僅為1.22 mm × 0.92 mm,采用8引腳WLP封裝。該 放大器具有關(guān)斷模式,可進一步節(jié)省功耗,對于可穿戴設備、 便攜式醫(yī)療系統(tǒng)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT) (例如壓力、流量、液位、 溫度和接近測量),這一特性優(yōu)勢至關(guān)重要。
(來源:ADI公司,作者:Tom Au-Yeung,產(chǎn)品應用工程師)
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