自感应晶体管恒温器的根本缺陷

科技绿洲 2023-10-12 1672

描述

微型自感应晶体管恒温器使用单个晶体管（BJT或FET）作为温度传感器和稳定加热器。这些晶体管恒温器（如果设计良好）是一种有效、高效且廉价的方法，可以保持单个组件（传感器、精密参考、振荡器等）的恒定温度、敏感生物培养物的孵育以及其他小型和关键热控制功能的性能。但它们都有一个共同的缺陷，会严重影响温度稳定性。

图 1 说明了该问题。
控制电路

**图1 **自感恒温器晶体管热模型：（Tj – Tc） = Rjc Pj。

自感应晶体管恒温器的标志性设计目标是保持精确稳定的外壳温度Tc。这才是重要的，因为我们真正想要恒温的通常不是晶体管结本身，而是我们连接到晶体管外壳的有趣东西。恒温器首先利用晶体管的特性来测量结温（Tj）。然后，该测量值用作加热反馈环路的输入，该反馈环路控制并连续调节结加热功率（Pj），以保持稳定的结温，从而间接保持恒定的外壳温度。我们希望...

但是这个模型的问题在于Tj和Tc不一定相等。它们由非零结/外壳热阻（Rjc）隔开，从而产生与Pj成比例的温差（恐怖），因此：

terr = Tj – Tc = Rjc Pj .

那么这是一个多大的问题呢？由于误差的大小与Rjc成正比，因此需要参考温度计晶体管的数据表（例如图2的IRF510：https://www.vishay.com/docs/91015/irf510.pdf）。

相关数字可在器件数据表“绝对最大额定值”表中作为“线性降额系数”找到，在本例中等于 0.29 瓦/^o^C .这是 Rjc 的有效倒数，因此对于 IRF510：

Rjc = 1 / 0.29 W/^o^C = 3.45^o^C/W .
控制电路

**图2 **MOSFET 恒温器集成（Rjc Pj）温度误差校正。

图2的半波加热器控制电路可以提供以下最大限流结加热功率：

Pj（最大值） = 24 Vrms x 0.7 V / R7 / 2 = 16.8 W 。

因此，由此产生的Tj – Tc差分误差可能与以下错误一样严重：

Terr（最大值） = Rjc Pj（最大值） = 3.45 * 16.8 W = 58^o^C .

哎呀！这似乎使任何准确恒温的希望变得毫无意义。

但是，可以使用简单的错误消除解决方法。由于Tj – Tc误差与Pj成正比，而Pj又与R7感测的电流成正比，因此我们可以在设定点温度上添加一个正反馈偏移，等于Rjc Pj，以产生一个新的、经过校正的结温设定点：

Tj' = Tj + Rjc Pj .

然后：

Tc = Tj' – Rjc Pj = Tj + Rjc Pj – Rjc Pj = Tj ，

Tc = Tj 。

问题解决了！这正是图2中蓝色阴影的正反馈三分量网络中显示的噱头。以下是其R11和R12的计算方式。

电流检测 0.5 Ω R7 开发：

V R7 = 0.5 / 24 Vrms = 21 mV * Pj ,

= 21 mV * 特尔 / Rjc = 6 mV * 特尔 ，

因此 Terr = V R7 / 6 毫伏 .

R11 R12衰减**VR7 **要产生施加到Q3发射器的信号：

V ~~第三季度~~ = VR7R12 / （R11 + R12） = V R7 / 3 ,

= 2 mV * Terr 。

通过这种方式，Q3 有效地对每度 **Terr **补偿 **Tj **一度，从而迫使 Tc = Tj ，从而修复基本缺陷。

C2对这个正反馈施加一个1秒的RC时间常数，这比结温响应Pj变化的速率慢一个数量级。这抑制了众所周知的正反馈引起的振荡。

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