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自热式达林顿晶体管对可构成新的气流传感器

2022-11-24 13:41:51 Stephen Woodward 阅读:
在可用于气流检测的众多方法中,自热式热流量传感器简单、便宜、坚固而又灵敏。它们依赖于被加热传感器的空速和热阻抗之间的关系。本设计实例利用通常被认为是经典达林顿拓扑缺点的优势,将此数学关系转换成了实际电路。

在可用于气流检测的众多方法中,自热式热流量传感器简单、便宜、坚固而又灵敏。它们依赖于被加热传感器的空速(AF)和热阻抗(ZT=℃/W)之间的关系,如下面的经验热阻抗公式所示。它定量地为采用传统TO-92封装的自热式2N4401晶体管的结温升、功耗和气流速度进行了关联:pHLednc

ZT=ZJ+1/(SC+KT√AF)pHLednc

其中:ZJ=结壳热阻抗=44℃/W;SC=静止空气下外壳到环境的电导率=6.4mW/℃;KT=“金氏定律”热扩散常数=0.75mW/℃√fpm;AF=以fpm为单位的空气流量。pHLednc

1给出了在晶体管功耗为320mW、气流速度从零(停滞空气)到1000fpm(约11mph)情况下由上述表达式预测的结温与气流的关系。请注意,即使对于非常慢的空气速度,灵敏度也很好,例如所示的50fpm(约1/2mph)点。pHLednc

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图1:TO92结温升与空气速度的关系。pHLednc

2显示了如何利用通常被认为是经典达林顿拓扑缺点的优势,将图1中的数学关系转换为实际电路。pHLednc

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图2:流量传感器电路。pHLednc

Q1充当图1自热传感器的作用,其温度系数以-1.5mV/℃将结温转换为电压。LM10 200mV基准电压A1将Q1电流调节至0.2V/R3=67mA,从而将Q1的功率耗散调节至恒定的67mA×4.8V=320mW。如图1所示,由此产生的结温增量提供了空速读数,因为它从0fpm时的64℃下降到了1000fpm时的25℃,并且由于Q1的Vbe温度系数,结电压相应升高,从0fpm时的0.654V升高到1000fpm时的0.713V。pHLednc

当然,这些数字与环境温度有关,因此它们的准确解释取决于对环境变化的准确补偿。这就是达林顿连接及其“缺点”的来源。pHLednc

自1953年由Sidney Darlington发明以来,达林顿对一直是一种流行的拓扑结构,因为其两个晶体管的级联电流增益相乘提供了优势。同时,它也有一个通常被认为是其缺点的是,这一对管的“导通电压”(例如,Vbe)会不可避免地加在一起。相比之下,本设计实例将此坏事变成了好事。pHLednc

Vbe1和Vbe2都包含有与自热(对空速敏感)和环境温度(对空速不敏感)成比例的温度相关分量。但是,由于Q2的功耗非常小(约1mW),其相应的自发热要远小于1℃,因此可以安全地将其忽略,使得Vbe2准确地仅取决于环境温度而不是空速。pHLednc

因此,Q2基极的信号是R1-R2分压器输入到比较器A2的参考信号,它会跟踪并消除环境温度变化对Q1的影响。R1/R2之比可适应Q2相对于Q1 -1.5mV/℃温度系数较高的-2mV/℃温度系数(这是由于达林顿电流增益和Q2随之而来的150倍较低的集电极电流),这使得A2的差分比较独立于环境温度而仅受空速影响。pHLednc

请注意,在高达70℃的环境温度下,即使在零气流下,Q1的净结温(温升+环境温度)仍低于2N4401的最大额定温度150℃。pHLednc

偏置电阻器R4提供了电压偏移,因此抵消了Q2较低的Vbe并设置了气流阈值设定点。所示的220kΩ电阻值设置了50fpm的设定点,但只需更改R4即可选择不同的流速——R4越高,流量设定值越高。pHLednc

2基于达林顿对的电路鲁棒且节能。其总功耗小于400mW。pHLednc

Stephen Woodward与EDN的设计实例专栏的关系可以追溯到很久以前。自1974年他的第一篇投稿发表以来,总共收到了64篇投稿pHLednc

(原文刊登于EDN美国版,参考链接:Self-heated Darlington transistor pair comprises new air flow sensor,由Franklin Zhao编译。)pHLednc

本文为《电子技术设计》2022年11月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里pHLednc

责编:Demi
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Stephen Woodward
W .Stephen Woodward是仪表、传感器和计量学自由顾问,是EDN设计实例栏目最高产且最富创意的作者之一。
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