Транзисторная самонагревающаяся пара Дарлингтона представляет собой простой, чувствительный и надежный датчик воздушного потока. Но сначала необходимо устранить досадную нелинейность.
Если взять самонагревающийся транзистор в корпусе TO-92 и заставить его поддерживать постоянную разность температур выше температуры окружающей среды, то потребляемая мощность, необходимая для поддержания заданного значения, будет определяться его тепловым сопротивлением ZT относительно воздуха, которое определяется формулой:
где
ZJ – тепловое сопротивление переход-корпус (44 °C/Вт),
CS – теплопроводность корпус-окружающая среда в неподвижном воздухе (6.4 мВт/°C),
K – константа термодиффузии закона Кинга (0.75 мВт/°C/√fpm),
SA – скорость потока воздуха в футах в минуту (feet per minute, fpm).
Член SA предполагает, что данная схема может быть удобна для измерения расхода воздуха, поскольку она делает ZT, а, следовательно, и мощность PW, потребляемую при заданной разности, функцией скорости потока воздуха. На Рисунке 1 показана результирующая зависимость мощности от SA при разности Dt = 31 °C. Однако обратите внимание на досадную нелинейность.
 | |
| Рисунок 1. | На этом графике показана зависимость рассеиваемой мощности от скорости воздушного потока для транзистора в корпусе TO-92, поддерживаемого при температуре, постоянно превышающей температуру окружающей среды на 31 °C (PW = 31/ZT). |
На Рисунке 2 показана практичная схема термостата, предназначенного для достижения и поддержания этой разности Dt и выдаче сигнала, предсказуемо связанного с PW. В ней используется транзисторная пара Дарлингтона (Q1 и Q2) для компенсации температуры окружающей среды и преобразования результирующей нелинейной кривой PW в линеаризованное показание расхода воздуха. Ее выходной токовый сигнал совместим с длинными кабелями, которые часто используются в приложениях измерения воздушного потока.
 | |
| Рисунок 2. | Эта схема линеаризованного анемометра Дарлингтона поддерживает токовый выход 4-20 мА. Регулировка резистора R10 позволяет калибровать ток 4 мА (ноль футов в минуту), а резистора R11 – ток 20 мА (250 футов в минуту). |
Вот как это работает.
Q1 выполняет роль самоподогревающегося датчика, характеристика модели которого показана на Рисунке 1, а Q2 обеспечивает компенсацию температуры окружающей среды. Операционный усилитель A2 замыкает петлю обратной связи, которая вынуждает разность напряжений база-эмиттер между Q1 и Q2 (и, следовательно, разность температур между Q1 и окружающей средой) оставаться на постоянном уровне 31 °C. Это достигается (благодаря большому усилению по току пары Дарлингтона) путем пропускания в транзистор Q1 через резистор R3 такого тока (I), при котором мощность (PW), рассеиваемая в Q1, соответствует кривой зависимости количества выделяемого тепла от воздушного потока, приведенной на Рисунке 1. Результирующее напряжение (I·R3) является основой для измерения скорости воздушного потока.
Пока все хорошо. Но как происходит компенсация нелинейности схемы на Рисунке 1? К счастью, зависимость мощности PW, рассеиваемой транзистором Q1, от тока коллектора I также нелинейна. Фактически, PW = 5 В·I – I2R3. Ключевым моментом здесь является квадратичный член I2. Он создает прекрасную линеаризующую кривую, показанную на Рисунке 3.
 | |
| Рисунок 3. | На этом графике показана зависимость рассеиваемой транзистором Q1 мощности от тока коллектора. |
Кривизна второго порядка на Рисунке 3 компенсирует изгиб на Рисунке 1. Хотя совпадение не является идеальным, после преобразования сигнала операционным усилителем A1 в ток 4-20 мА на выходе получается откалиброванное значение скорости воздушного потока, отличающееся от идеального менее чем на ±5% в диапазоне от 0 до 250 футов в минуту, как показано на Рисунке 4.
 | |
| Рисунок 4. | Данные на этом графике отражают зависимость выходного сигнала анемометра от скорости воздушного потока: SA = 15.6(IOUT – 4 мА) ±10 fpm. |