自热式达林顿晶体管对可构成新的气流传感器

　　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：

　　ZT=ZJ+1/(SC+KT√AF)

　　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。

　　图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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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℃。

　　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。

　　图2基于达林顿对的电路鲁棒且节能。其总功耗小于400mW。

　　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，总共收到了他64篇投稿。

　　（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。）