Analogtipp Operationsverstärker für elektrochemische Sensoren

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In diesem Analogtipp erörtere ich die Anwendungen eines Operationsverstärkers für Gas-Sensoren am Beispiel Ethanol und Kohlenmonoxid. Was ist notwendig, um optimale Ergebnisse für die genaue Messung von Ethanol und Kohlenmonoxid bei minimalem Stromverbrauch für tragbare Geräte zu erzielen?

Elektrochemische Gassensoren benötigen eine konstante Vorspannung, um korrekt und genau zu arbeiten, was einen enormen Stromverbrauch zur Folge haben kann. Normale Power-Managementsysteme versuchen, alles abzuschalten, wenn sich das System im Leerlauf oder Ruhezustand befindet.

Jedoch benötigen elektrochemische Sensoren dutzende von Minuten oder sogar Stunden, um sich zu stabilisieren. Daher müssen das Sensorelement und der zugehörige Vorspannungsschaltkreis ständig eingeschaltet sein. Allerdings ist die erforderliche Vorspannung für den Anschluss an eine 1-AA-Batteriezelle für Endverbraucheranwendungen oft recht niedrig.

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Der MAX40108 ist ein stromsparender Operationsverstärker mit hoher Präzision, der mit einer Versorgungsspannung von 0,9 V arbeitet und speziell für Anwendungen in der Messtechnik entwickelt wurde. Der Baustein hat Rail-to-Rail-Eingänge und -Ausgänge und benötigt einen Versorgungsstrom von 25,5 µA. Er besitzt eine Offset-Eingangsspannung von 1 µV und driftet so gut wie nicht.

Bild 1 zeigt das Blockdiagramm eines elektrochemischen Sensors, beispielsweise für Ethanol oder CO. Das System besteht aus einem Niederspannungs-Operationsverstärker, der direkt mit einer 1,5-V-AA/AAA-Batterie betrieben wird und den elektrochemischen Sensor mit einer Vorspannung versorgt, während der Rest des Systems im Schlafmodus ist, um Strom zu sparen. Der erste Operationsverstärker, U1, versorgt die Referenzelektrode der elektrochemischen Zelle.

Der zweite Operationsverstärker, U2, ist als Transkonduktanz-Verstärker konfiguriert und wandelt den Stromausgang des Sensors in einen Spannungsausgang um, der nach der Verstärkung von einem Mikrocontroller digitalisiert wird. Dies wird unterstützt durch den Operationsverstärker U3 (MAX44260). ES ist der elektrochemische Sensor.

Für die Auswertung der Ethanol-Konzentration wurde das in Bild 2 gezeigte Gehäuse SPEC 3SP_Ethanol_1000 110-202 verwendet.

Dieser Ethanol-Sensor erzeugt einen Strom, der proportional zum Volumen des erfassten Gases ist. Er hat drei Elektroden: WE, RE und CE. WE ist die Arbeitselektrode und auf 0,7 V vorgespannt. Sie dient zur Messung des Gasdampfes.

RE ist die Referenzelektrode, die ein stabiles elektrochemisches Potential von 0,6-V-Vorspannung im Elektrolyt liefert, die nicht dem Gasdampf ausgesetzt ist. CE ist die Gegenelektrode. Die Gegenelektrode leitet, wenn ein Gas vorhanden ist. Der Grad der Leitfähigkeit ist proportional zur Gaskonzentration, die dann vom System elektrisch gemessen werden kann.

Bei dieser Gas-Sensorik müssen die Gaspartikel physisch mit dem Gas-Sensor in Kontakt kommen. Der Ethanol-Sensor misst also im Grunde nur das Gas, das genau an der Stelle des Sensors selbst vorhanden ist. Um Gase wie Ethanol und CO genau und effektiv aufzuspüren, müssen die Sensoren daher dort platziert werden, wo die Gaskonzentration voraussichtlich zum betreffenden Standort diffundiert. Bei unserem Versuch wurde ein Wattestäbchen in eine Ethanollösung getaucht und direkt vor den Gas-Sensor gehalten.

Die Stromaufnahme des MAX40108 beträgt 25,5 µA bei einer Versorgungsspannung U_DD = 0,9 V und einer Umgebungstemperatur T_A = 25 °C, wie in Bild 4 gezeigt.

Aus dem Ruhezustand wacht der Mikrocontroller alle 10 s auf, um die Gaskonzentration zu überwachen. Ist Gas vorhanden, beginnt der Mikrocontroller mit der Messung der Konzentration, wie in der blauen Kurve dargestellt. Die rote Linie zeigt die Spannung der AA-Batterie von ca. 1,5 V. Die gelbe Linie ist die Spannung der Gegenelektrode (Bild 3).

CO-Sensor

Im Gegensatz zu Ethanol ist CO ein potenziell giftiges Gas, das bei der unvollständigen Verbrennung von Benzin oder Kohle entsteht. Bei diesem Versuch wurde eine Kerze verwendet, um das CO in einem verdeckten Gefäß zu erzeugen, wobei der gleiche Sensor SPEC 3SP_ Ethanol_1000 Package 110-202 zur Erfassung der CO-Gaskonzentration verwendet wurde.

Bild 5 zeigt die Erfassung des Kohlenmonoxids (blaue Kurve). Die grüne Kurve ist der Stromverbrauch des gesamten Systems einschließlich des Mikrocontrollers, der typischerweise 90 mA beträgt.

Wie bei der Ethanol-Detektion wacht der Mikrocontroller im Ruhezustand alle 10 s auf, um die Gaskonzentration zu messen. Wird Gas erkannt wird, beginnt der Mikrocontroller mit der Konzentrationsmessung (blaue Kurve). Die rote Linie zeigt die Spannung der AA-Batterie von ca. 1,5 V. Die gelbe Linie ist die Spannung der Gegenelektrode.

Fazit: Für die genaue Messung von Kohlenmonoxid und Ethanol wird ein hochgenauer Operationsverstärker mit geringem Stromverbrauch benötigt, der mit einer Versorgungsspannung von 0,9 V arbeitet. Der Baustein MAX40108 im WLP-Gehäuse wurde speziell für die effektive Erfassung und Messung von häufig vorkommenden Gasen wie CO und Ethanol entwickelt. Er punktet einen Stromverbrauch von 25,5 µA und mit Abmessungen von 1,22 mm × 0,92 mm. Der Verstärker verfügt über einen Abschaltmodus zur weiteren Energieeinsparung, was für tragbare Geräte, tragbare medizinische Systeme und IIoT-Anwendungen wie Druck-, Durchfluss-, Füllstands-, Temperatur- und Näherungsmessungen unerlässlich ist. (kr)

* Tom Au-Yeung ist Product Application Engineer bei Analog Devices in Wilmington / USA.

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