Самоподогревающиеся транзисторы, используемые в качестве тепловых датчиков расхода воздуха, вызывают у меня особый (навязчивый?) интерес, и за прошедшие годы я, должно быть, придумал десятки вариаций на эту тему. На Рисунке 1 показана одна из таких топологий, которая уже встречалась в [1]. В ней два транзистора соединены в пару Дарлингтона, причем Q2 служит неподогреваемым термометром окружающей среды, а Q1 – подогреваемым датчиком воздушного потока. Усилитель опорного напряжения A1 и токоизмерительный резистор R3 стабилизируют ток нагрева на постоянном уровне 67 мА, соответствующем мощности нагрева 333 мВт при напряжении питания 5 В.
 |
|
| Рисунок 1. | Типичный тепловой датчик скорости воздушного потока на основе самоподогревающегося транзистора. |
Благодаря этому поступлению тепла температура транзистора Q1 повышается на 64 °C над температурой окружающей среды при скорости воздуха 0 fpm (футов в минуту) и понижается до 24 °C при скорости 1000 fpm, как показано на Рисунке 2.
 |
|
| Рисунок 2. | Зависимость температуры датчика от скорости воздушного потока. |
Как видно из Рисунка 2, зависимость между скоростью воздушного потока и охлаждением самоподогревающегося транзисторного датчика крайне нелинейна. Это является неотъемлемой характеристикой подобных датчиков и приводит к тому, что выходной сигнал зависимости температуры датчика от скорости потока становится столь же нелинейным. Поэтому даже относительно небольшие нестабильности напряжения питания, каждый процент которых транслируется в проценты нестабильности изменения температуры датчика, могут привести к удивительно большим ошибкам измерения воздушной скорости.
Очевидно, что любая стабильность источника питания, отличная от идеальной, может сделать это проблемой.
Но на Рисунке 3 показано удивительно простое и недорогое решение, состоящее всего из двух дополнительных резисторов: R7 и R8.
 |
|
| Рисунок 3. | Добавленные резисторы R7 и R8 устанавливают взаимосвязь между напряжением нагрева V и током нагрева I, устраняющую нестабильность. |
Добавленные резисторы суммируют напряжение обратной связи с токоизмерительного резистора R3 с напряжением источника нагрева V. Суммирование происходит в таком соотношении, что процентное увеличение V приводит к равному и противоположному процентному уменьшению тока I, и наоборот. Результат в графической форме представлен на Рисунке 4.
 |
|
| Рисунок 4. | Зависимость температуры датчика от напряжения питания, где: синяя линия – напряжение нагрева V и (нескорректированная) мощность; красная линия – ток нагрева I; и черная кривая – I×V – мощность нагрева/температура. |
Обратите внимание на точку нуля (перегиба) при 5 В, где нагрев совершенно не зависит от напряжения.
Вот то же самое в простой математике обнуления:
при V = 5 В,
dH = –0.01%
при V = 5 В ±1%.
Обратите внимание на 200-кратное улучшение стабильности, благодаря которому изменение V на ±1% ослабляет изменения мощности нагрева и, следовательно, температуры всего до –0.01%.
Проблема решена. Дешево!
Ссылка
- Stephen Woodward. Датчик воздушного потока на основе пары Дарлингтона с самоподогревом
