Frank's A/F ratio meter

Geschreven en ontworpen door Frank Devocht

Iets wat je goed in de gaten moet houden is dat de meter rechtstreeks op je lambda sonde is aangesloten, dus de meter moet 2 zaken voorkomen om de uitgangsspanning van je sonde niet te be´nvloeden.  Ten eerste mag hij zeker GEEN extra stroom trekken van de lambde sonde.  Ten tweede mag hij zeker GEEN extra stroom in de sensor's massa draad naar de ECU sturen.  De LM3914 heeft een hoge ingangsimpedantie zodat de stroom die hij uit de sensor signaal draad trekt klein genoeg is om deze niet merkbaar te be´nvloeden.  Het bedradingsschema dat sommige gasten gebruiken zorgt er echter voor dat de LED stroom door de sensor massa draad gaat, wat een merkbare spanningsval in die draad veroorzaakt dewelke dan weer bijgeteld (of afgetrokken) wordt van de netto uitgangsspanning zoals de ECU ze ziet.  Daarom is het belangrijk dat de massa pin (pin 2) van de LM3914 aan de massa van het chassis (of J&S) wordt aangesloten en dat pin 8 aan de massa van de lambda sensor wordt aangesloten.  Op die manier gaat er maar iets van 1mA door de massa van de sensor.

Mijn meter is gelijkaardig aan de andere, maar vermits ik een turbo heb ben ik niet ge´nteresseerd in het onderste deel van de gewoonlijke 0-1V schaal (zelfs 0 - 1.25V bij goedkope prul).  Daarom heb ik het schema ietwat aangepast om zelf zowel de onderste als de bovenste referentie spanning te kunnen instellen.

Om het bereik zelf in te stellen, gebruik je drie aparte weerstanden in serie, waarbij de totale som van de drie ongeveer 880 tot 1250 ohm is (Rtot).  Rtot bepaalt de LED stroom, dewelke gelijk is aan 12.5/Rtot mA.  De maximum toelaatbare stroom voor een LED is ongeveer 15mA.  Dus als Rtot = 1.25K ohm, zal er 10mA door de LEDs gaan.  1K ohm is ook goed (12.5mA).  Vermits de spanning op pin 7 steeds 1.25V is (ten opzichte van pin 8), is het heel gemakkelijk om de weerstanden te berekenen.  De waarden van de weerstanden worden zo gekozen dat de spanning op pin 4 de onderste waarde van de schaal is (Vlo) en de spanning op pin 6 de bovenste waarde van de schaal (Vhi).  De waarden van de weerstanden bepaal je met de volgende formules: 

T1 = Vlo * Rtot / 1.25
T2 = (Vhi - Vlo) * Rtot / 1.25
R = (1.25 - Vhi) * Rtot / 1.25

Ik wilde een schaal van 0.58 tot 0.94V en wilde dat de LEDs goed oplichtten.  Ik besliste daarom om een 14mA stroom voor de LEDs te gebruiken, wat betekent dat Rtot gelijk moest zijn aan 12.5 / 0.014 = 887 ohm, waardoor we voor de weerstanden de volgende waarden krijgen:

T1 = 0.58 * 887 / 1.25 = 412 ohm
T2 = (0.94 - 0.58) * 887 / 1.25 = 255 ohm 
R = (1.25 - 0.94) * 887 / 1.25 = 220 ohm

Natuurlijk zijn er geen 412 ohm of 255 ohm weerstanden verkrijgbaar, enkel 220 ohm bestaat.  Daarom gebruikte ik een 220 ohm weerstand en 500 ohm trimmers voor T1 and T2, dewelke ik afregelde op 412 en 255 ohm.  Trimmer T1 bepaalt de lage referentie spanning.  T2 bepaalt de hoge referentie spanning.  Op die manier was het bereik van de meter juist zoals ik het wilde.  Om het verder te fijn-tunen, gebruikte ik een regelbare voeding en een DVM om te controleren dat mijn bereik inderdaad 0.58 tot 0.94V was.  
Ik moet eraan toevoegen dat er uiteraard interactie tussen de twee is, dus als je de ene afregelt zal de je andere ook terug wat moeten afregelen.  Je zal wat moeten experimenteren om de schaal juist te krijgen zoals je ze wil, maar het gaat zonder al te veel problemen.  Vergeet niet dat de totale weerstand de LED stroom bepaald, dus zet T1 en T2 niet op het minimum of je brandt iets door!

Wil je de LEDs iets minder sterk laten branden (met behoud van het 0.58 tot 0.94V bereik), kies je R = 270 ohm, T2 = 313 ohm en T1 = 505 ohm, waardoor er nog maar 11mA door de LEDs gaat.  Een LDR, zoals bij de J&S monitor, zou hier niet werken, vermits die het bereik van de monitor zou aanpassen...
Ik heb me laten wijsmaken dat wanneer je 12V via een 22K weerstand op pin7 zet, dat de LEDs daardoor op halve kracht zouden branden...ik heb dat echter nog niet uitgetest.

Ik gebruik 'dot mode' in plaats van 'bar mode' vermits ik vind dat dit een nauwkeuriger resultaat geeft.  Vermits de LM3914 een overlap van 1mV tussen 2 LEDs heeft, ken je de spanning tot op 1mV nauwkeurig als er 2 LEDs tegelijkertijd aangaan.  Zoiets kan je niet in 'bar mode'.  Bijvoorbeeld, stel dat de eerste groene LED aangaat.  Dat betekent dat de lambda sonde tussen de 820 en de 858mV geeft.  Als de groene LEDs allebei aangaan heb je exact  859mV, op 1mV nauwkeurig.  Bij 860mV, gaat de eerste groene LED terug uit.

Met deze setup is er een marge van 40mV tussen de LEDs.  Maar dat is waarschijnlijk meer dan nauwkeuring genoeg.  De meeste meters die je in de handel kan krijgen hebben een schaal van 0 tot 1V, met stappen van 100mv.  Voor het bereik van 700 tot 800mV hebben die 2 LEDs ter beschikken, terwijl je met mijn meter 5 LEDs hebt voor hetzelfde bereik.

Zo ziet mijn installatie eruit.  Bij cruisen zal je zien dat de LEDs gewoon heen en weer lopen.  Er is dus geen continue uitlezing mogelijk, maar dat is geen probleem want dat stuk van de schaal is toch niet belangrijk.  Bij O inch vacuum of bij lage boost zouden de gele LEDs aan moeten gaan.  Bij hoge boost kan je beter een wat rijker mengsel hebben, ongeveer 840 tot 880mV, dus de 2 groene LEDs.  De laatste rode LED zou in principe nooit aan mogen gaan.

Red 940mV    veel te rijk!
Green 900mV    iets te rijk
Green 860mV    hoge boost (+ 6psi)
Yellow 820mV    boost (3~6 psi)
Yellow 780mV    lage boost
Yellow 740mV    0 psi 
Yellow 700mV    vacuum
Red 660mV    
Red 620mV    
Red 580mV    veel te arm

Pin 1 van een IC wordt gewoonlijk aangeduidt met een klein puntje naast de pin, zie schema.  Indien niet, draai de IC dan zoals in het schema, met de halve cirkel naar boven.  Let wel op de nummering van de LEDs, de LED bar 'groeit' naar beneden in het schema (dus LED1 gaat als eerste branden).

Een korte introductie over lamda sensor connecties. 

1-draads sensor
draad: signaal
sensor lichaam: signaal massa
2-draads
draden: signaal en signaal massa 
3-draads
2 draden met dezelfde kleur: voeding voor de verwarming van de sensor (mogen omgewisseld worden, meestal grijs)
draad 3: signaal
sensor lichaam: signaal massa
4-draads
2 draden met dezelfde kleur: voeding voor de verwarming van de sensor (mogen omgewisseld worden, meestal grijs)
twee andere draden: signaal en signaal massa (meestal wit en zwart)