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细铜线也能作为集成式传感器和加热器进行温度控制?

2024-07-17 17:21:42 Stephen Woodward 阅读:
在最近的设计实例(DI)中,我们看到了恒温器设计开始将传感器和加热器集成于FET或 BJT等组件中,而本文中使用了细铜线...

传统的恒温器一般包括单独的温度传感器和加热设备,并在其间提供反馈设备。但在最近《EDN》的一些设计实例(DI)中,我们看到了恒温器设计开始将传感器和加热器的功能融合到单个有源组件(通常是FET或BJT)中。这一策略更适用于预期热负载实体规格较小或具有其他几何形状不方便应用经典方案的应用。2Olednc

这种设计实例(如图1)遵循融合概念,但又采用了稍微不同的方向——即使用细规格的铜线(例如40 AWG聚氨酯绝缘)作为一种集成式温度传感器和加热器。2Olednc

2Olednc

图1:集成式温度传感器和加热器设计实例的工作原理。2Olednc

该微型恒温器利用40 AWG铜线的温度系数和I2R加热作为融合传感器/加热器。2Olednc

标准40 AWG铜线在25℃时的电阻和温度系数通常分别为1.07Ω/ft(欧姆/英尺)和+0.393%/℃。因此,L英尺的40ga在特定温度T时的电阻预计约为:2Olednc

R(L,T) = 1.07 L(1 + 0.00393(T – 25))                 (1)2Olednc
R = 1.07 L + 0.00421 L T – 0.00421 L 25           (2)2Olednc
T = (R – 1.07 L + 0.00421 L 25) / 0.00421 L      (3)2Olednc
T = (R – 0.965 L) / 0.00421 L                            (4)2Olednc

公式4从0℃时的R/L = 0.965 Ω/ft到155℃时的1.6 Ω/ft  (可焊接聚氨酯导线绝缘层的建议温度上限)均适用。2Olednc

考虑使用细铜线作为温度传感器和加热器组合的影响。2Olednc

如果将适当长度(5到15英尺)的导线放置在反馈回路中,驱动电流通过,以使其消耗足够的I2R热量,并升高与维持产生预选恒定导线电阻的温度,则所述温度以及与其热结合的任何热负载温度同样是恒定的!这正是图中电路的作用。2Olednc

Q1的漏极提供加热;传感器/加热细铜线的加热电流 I (请暂时忽略启动电阻R2)。R线电阻两端之间感应到的电压为:2Olednc

V = IR                         (5)2Olednc

这导致A1b、Q2电流源输出:2Olednc

I2 = V/(R4 + R7) = IR/(R4 + R7)           (6)2Olednc

在A1b的引脚2上感应到电压:2Olednc

V2 = I2(R5 + R6) = IR(R5 + R6)/(R4 + R7)           (7)2Olednc

同时,Q1的源电流(也等于I)采样电阻R1产生:2Olednc

V3 = IR1                     (8)2Olednc

FET控制放大器A1a强制FET栅极电压,从而驱动R电流,使得:2Olednc

V2 = V3                                           (9)2Olednc
IR(R5 + R6)/(R4 + R7) = R1I          (10)2Olednc
R = R1(R4 + R7)/(R5 + R6)             (11)2Olednc

因此,加热器电流以及导线电阻和温度被迫达到由公式11所列电阻比设置的平衡值,并由公式4给出最终的恒定温度。2Olednc

关于Q3,恒温器电路旨在线规、长度和相关传感器/加热器R电阻方面尽可能灵活。为了适应R < 10Ω以及随之而来的可能造成损坏的峰值I值,Q3在必要时移除Q1栅极驱动,并将I限制在~1.4A的安全范围。2Olednc

设置和校准。为了进一步追求适应传感器/加热器线长和初始R的灵活性,建议在更换线时采用这种简单的校准程序。2Olednc

  1. 首次通电之前,让传感器/加热器完全平衡至室温。
  2. 将R4和R5设置为完全逆时针(CCW)方向。
  3. 按住CAL NC按钮。
  4. 打开电源。
  5. 顺时针缓慢旋转R4,直到LED首先闪烁。
  6. 释放CAL按钮。

完成了!R5现已“相当好”地被校准,CCW到CW的跨度为0℃至高于室温130℃。2Olednc

在负载周围缠绕蜿蜒的导线并以聚酰亚胺胶带、RTV硅胶或类似的耐热粘合剂加以固定,可以为所选定长度的传感器/加热导线与所需热负载(如恒温电路组件、试管、培养皿等)实现热耦合。2Olednc

至于R2。尽管在电路的稳态功能看来没那么重要,但如果没有R2,恒温器可能会在首次开启时无法启动,不要问我怎么知道的…2Olednc

(原文刊登于EDN美国版,参考链接:Hotwire thermostat: Using fine copper wire as integrated sensor and heater for temperature control,由Susan Hong编译)2Olednc

责编:Ricardo
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