Электронные компоненты для ремонта и хобби

Датчик воздушного потока на основе пары Дарлингтона с самоподогревом

Texas Instruments LM10

Среди множества доступных методов обнаружения воздушного потока датчики теплового потока с самоподогревом являются простыми, дешевыми, надежными и чувствительными. Они основаны на соотношении между воздушной скоростью VF и тепловым сопротивлением ZT нагретого датчика, показанном в приведенной ниже эмпирической формуле. Оно количественно связывает увеличение температуры перехода, рассеиваемую мощность и скорость воздушного потока для самонагревающегося транзистора 2N4401 в традиционном корпусе ТО-92:

где:

ZT – тепловое сопротивление датчика (°C/Вт),
ZJ – тепловое сопротивление кристалл-корпус (44 °C/Вт),
SC – тепловая проводимость корпус - окружающая среда в спокойном воздухе (6.4 мВт/°C),
KT – постоянная термодиффузии (0.75 мВт/°C√fpm),
VF – скорость воздушного потока в футах в минуту (fpm).

На Рисунке 1 показана зависимость температуры перехода от потока воздуха, предсказанная приведенным выше выражением для рассеиваемой мощности транзистора 320 мВт и скорости воздушного потока от нуля (стоячий воздух) до 1000 футов в минуту (~11 миль в час). Обратите внимание, что чувствительность высока даже для очень малых скоростей воздуха, например, для отмеченной точки 50 футов в минуту (~1/2 мили в час).

Температура перехода транзистора в корпусе TO-92 зависит от скорости воздушного потока.
Рисунок 1. Температура перехода транзистора в корпусе TO-92 зависит
от скорости воздушного потока.

На Рисунке 2 показано, как превратить математику Рисунка 1 в практическую схему, используя в своих интересах то, что часто считается недостатком классической топологии Дарлингтона.

Схема датчика воздушного потока.
Рисунок 2. Схема датчика воздушного потока.

Транзистор Q1 играет роль самонагревающегося датчика на Рисунке 1, преобразующего температуру перехода в напряжение с температурным коэффициентом –1.5 мВ/°C. Напряжение источника опорного напряжения 200 мВ (A1) микросхемы LM10 стабилизирует ток транзистора Q1 на уровне 0.2 В/R3 = 67 мА, а рассеиваемую мощность, соответственно, на уровне 67 мА × 4 8 В = 320 мВт. Результирующая дельта температуры перехода, как показано на Рисунке 1, обеспечивает измерение воздушной скорости при ее падении с 64 °C при 0 футов в минуту до 25 °C при 1000 футов в минуту с соответствующим повышением напряжения перехода из-за температурного коэффициента напряжения база-эмиттер транзистора Q1 с 0.654 В при скорости 0 футов в минуту до 0.713 В при 1000 футов в минуту.

Конечно, эти числа относительны, так как привязаны к температуре окружающей среды, поэтому их точная интерпретация зависит от точности компенсации изменений температуры окружающей среды. Вот тут-то и появляется соединение Дарлингтона и его «недостаток».

С момента своего изобретения Сидни Дарлингтоном в 1953 году пара Дарлингтона стала популярной топологией благодаря преимуществу, обеспечиваемому умножением коэффициентов передачи тока двух транзисторов. В то же время, и это обычно считается недостатком схемы Дарлингтона, «напряжения включения» (например, напряжения база-эмиттер) пары неизбежно суммируются. В этой статье, напротив, плохое превращено в хорошее.

Напряжения база-эмиттер обоих транзисторов содержат составляющие, пропорциональные саморазогреву (чувствительные к скорости воздуха) и температуре окружающей среды (от скорости потока не зависящие). Но поскольку мощность, рассеиваемая транзистором Q2, очень мала (порядка 1 мВт), его саморазогрев намного меньше 1 °C, и поэтому им можно безопасно пренебречь, что делает напряжение база-эмиттер транзистора Q2 точно зависящим только от температуры окружающей среды, но не от скорости воздуха.

Таким образом, на базу Q2 поступает опорный сигнал, который через делитель напряжения R1-R2 подается на компаратор A2, отслеживающий и компенсирующий влияние изменения температуры окружающей среды на транзистор Q1.

Отношение сопротивлений R1/R2 определяет более высокий температурный коэффициент транзистора Q2 –2 мВ/°C по сравнению с –1.5 мВ/°C для Q1. Это есть следствие усиления тока схемой Дарлингтона, благодаря которому ток коллектора транзистора Q2 в 150 раз меньше, чем Q1, что делает результаты сравнения напряжений компаратором A2 независимыми от температуры окружающей среды, а только от скорости воздушного потока.

Обратите внимание, что истинная температура перехода транзистора Q1 (увеличение плюс температура окружающей среды) остается ниже максимальной допустимого для 2N4401 значения 150 °C при температуре окружающей среды до 70 °C, даже при нулевом потоке воздуха.

Резистор R4 обеспечивает смещение, которое компенсирует более низкое напряжение база-эмиттер транзистора Q2 и задает пороговое значение воздушного потока. Показанное на схеме сопротивление 220 кОм устанавливает порог 50 футов в минуту, но можно выбрать другой порог, просто изменив величину сопротивления R4, с увеличением которого увеличивается и значение порога.

Показанная на Рисунке 2 схема на основе соединения Дарлингтона отличается надежностью и экономичностью. Ее общая потребляемая мощность составляет менее 400 мВт.

Материалы по теме

  1. Datasheet Texas Instruments LM10
  2. Datasheet ON Semiconductor 2N4401

EDN

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: Self-heated Darlington transistor pair comprises new air flow sensor

Corebai - АЦП, ЦАП, ОУ, интерфейсы и другие аналоговые микросхемы поступили на склад
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя