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 V_F и тепловым сопротивлением Z_T 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:

Z_T – тепловое сопротивление датчика (°C/Вт),
Z_J – тепловое сопротивление кристалл-корпус (44 °C/Вт),
S_C – тепловая проводимость корпус - окружающая среда в спокойном воздухе (6.4 мВт/°C),
K_T – постоянная термодиффузии (0.75 мВт/°C√fpm),
V_F – 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).

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.

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.

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