3.1.5.1 Nguyên lý mạch giao tiếp với cảm biến điện hóa
Cũng như các cảm biến điện hóa khác, cảm biến SPEC 3SP_NO2 được thiết kế với với hai điện cực tiếp xúc với chất chất điện phân WE, CE, và một điện cực tham chiếu RE. Chân WE được nối với chân 1 và chân 10 trên cảm biến, chân RE nối với chân 5 và chân CE nối với chân 6.
Hình 3-6: Cảm biến SPEC 3SP_NO2
Để cảm biến hoạt động chính xác WE phải được giữ ở một mức điện thế không đổi đối với RE. Hiệu số điện thế giữa WE và RE được gọi là điện áp phân cực của cảm biến. Với phần lớn các cảm biến, điện áp phân cực là 0V (VRE=VWE). Tuy nhiên, một số cảm biến có thể yêu cầu độ chênh áp giữa RE và WE trong khoảng 300mV đến 1V. Giá trị này phải được cung cấp khi thiết kế mạch khuếch đại. Cần chú ý tới cực tính của dòng sinh ra bởi cảm biến, tùy vào loại cảm biến điện hóa, dòng sinh ra có thể dương hoặc âm. Với cảm biến SPEC giá trị điện áp phân cực được khuyến nghị là - 25mV.
Hình 3-7: Cảm biến điện hóa với 3 chân cơ bản
Mạch cảm biến điện hóa ba cực cơ bản bao gồm hai phần chính (Hình 3-8):
Mạch phân áp có phản hồi để duy trì chính xác độ chênh áp trên hai điện cực WE và RE
Bộ khuếch đại transimpedance (TIA) để chuyển đổi dòng điện từ cảm biến thành điện áp
Hình 3-8: Sơ đồ mạch cảm biến điện hóa đơn giản
3.1.5.2 Tính toán mạch phân áp
Mạch phân áp tạo thành một vòng lặp phản hồi với U1. Vòng lặp duy trì chính xác mức chênh điện thế tại RE, bằng cách điều chỉnh điện áp trên CE để duy trì sự cân bằng.
Điện áp để duy trì RE được đặt tại đầu vào không đảo của U1 là giá trị VREFERENCE được thể hiện trên Hình 3-8. Thông qua giá trị phản hồi, đầu ra của bộ khuếch đại U1 liên tục điều chỉnh điện thế tại CE để duy trì độ chênh áp chính xác tại RE.
Đảm bảo rằng dao động điện áp tại chân CE nằm trong phạm vi điều chỉnh của đầu ra U1. Tùy thuộc vào loại cảm biến, chênh lệch điện áp giữa CE và WE có thể dao động trong khoảng ±50mV đến ±1V. Độ chênh lệch điện áp giữa CE và WE nhỏ khi dòng ở cảm biến thấp và tăng khi dòng cảm biến tăng. Nếu điện áp VREFERENCE được đặt quá thấp, đầu ra của bộ khuếch đại có thể chạm ngưỡng trước khi dòng cảm biến đạt đến giá trị tối đa, giá trị chênh áp không được duy trì làm cho kết quả đọc về không chính xác hoặc cũng có thể làm hỏng cảm biến.
Tụ phản hổi đặt hằng số thời gian cho mạch phân áp phải là tụ có độ rò thấp giống như tụ poly. Giá trị phổ biến của loại tụ này là 100nF đến 1µF. Không sử dụng tụ gốm khi dòng dự tính thấp hơn 1nA, vì hiệu ứng áp điện của tụ gốm có thể sinh ra điện áp khi chịu ứng suất, không sử dụng tụ hóa vì nó có độ rò rỉ cao.
3.1.5.3 Tính toán mạch khuếch đại TIA
Hình 3-9: Mạch khuếch đại TIA
Mạch khuếch đại TIA là mạch chuyển đổi giá trị dòng điện thành điện áp, với mỗi giá trị dòng Ii sẽ cho một giá trị điện áp đầu ra tương ứng theo công thức
(3.1)
Với mạch cảm biến điện hóa, giá trị dòng của cảm biến được chuyển đổi thành giá trị điện áp đầu ra theo công thức sau
( ) (3.2)
Một mạch khuếch đại TIA đầy đủ bao gồm cả phần cấp nguồn và các tụ lọc nhiễu, tùy vào loại khuếch đại thuật toán mà nguồn cấp có thể là nguồn đối xứng hoặc nguồn đơn.
Hình 3-10: Mạch TIA với khối cấp nguồn
Với một mạch TIA cơ bản, chúng ta cần tính toán các giá trị của các linh kiện R1, C1 để có được giá trị đầu ra mong muốn. Các giá trị sử dụng để tính toán thông số của các linh kiện được liệt kê trong bảng sau.
Input Output Bandwidth Supply
IiMin IiMax VoMin VoMax fp Vcc Vee
0A 50mA 0V 5V 10kHz 15V -15V
Giá trị của các linh kiện được tính toán theo các công thức sau:
( ) (3.3)
( ) (3.4)
( ) (3.5)
Hình 3-11: So đồ nguyên lý mạch giao tiếp với cảm biến điện hóa