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《電子學(xué)》一書(shū)中電路的熱敏電阻和RTD仿真

發(fā)布時(shí)間:2024-1-15 10:47    發(fā)布者:eechina
關(guān)鍵詞: 電子學(xué) , 熱敏電阻 , RTD仿真
來(lái)源:DigiKey
作者: Alain Stas

這篇文章的核心內(nèi)容來(lái)自 Paul Horowitz 和 Winfield Hill 的傳奇著作《The Art of Electronics》(中文名《電子學(xué)》),該書(shū)為全球廣大電子工程師所熟知,出版時(shí) SPICE 程序還沒(méi)有像今天這樣普及。本文目的是為了證明用現(xiàn)代 SPICE 技術(shù)和 Vishay 非線性產(chǎn)品復(fù)制該書(shū)中發(fā)布的許多電路是可能的。

如果向?qū)嶒?yàn)電子工程師做一個(gè)調(diào)查,讓他們選擇一本書(shū)作為參考手冊(cè),那么大概率 Paul Horowitz 和 Winfield Hill 的《The Art of Electronics》1 將會(huì)列在前幾本。上世紀(jì)九十年代初,在我剛開(kāi)始職業(yè)生涯時(shí),我曾對(duì)書(shū)中介紹的眾多電路范例贊嘆不已,包括每個(gè)章節(jié)結(jié)尾的電路構(gòu)思。

在關(guān)于晶體管和運(yùn)放的前幾章中所探討的眾多電路中,我發(fā)現(xiàn)了一些處理溫度控制問(wèn)題和解決方案的具體原理圖。具體問(wèn)題是,像二極管和功率晶體管這樣的半導(dǎo)體因?yàn)楣β屎纳⒑铜h(huán)境溫度變化而造成了其特性的變化。解決方案是,一直以來(lái)人們使用 NTC 熱敏電阻和電阻溫度檢測(cè)器 (RTD) 進(jìn)行溫度感測(cè)、控制和補(bǔ)償,以便解決這些潛在的熱問(wèn)題。

變化發(fā)生在 1990 年,從那時(shí)起全球的電子工程師開(kāi)始廣泛使用 SPICE 仿真軟件,最近還加入了熱評(píng)估軟件。例如 LTspice® XVII 已經(jīng)發(fā)布了熱評(píng)估更新,提供像 SOATHERM2 這樣的工具。最近我突然想到去仿真一下《The Art of Electronics》中處理熱問(wèn)題的電路,并用溫度傳感器的動(dòng)態(tài) SPICE 模型對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)充,同時(shí)納入加熱元件和雙極/MOS 晶體管的熱模型,應(yīng)該是件有意思的事。

這種仿真的一大好處是,在獨(dú)特的軟件中,原來(lái)的電子電路在一邊,采用封裝熱回路的熱電路在另一邊。加熱對(duì)象(房間或烤爐)的溫度可以直接反饋給傳感器,允許在一個(gè)軟件 (LTspice XVII) 中進(jìn)行完整的熱電子聯(lián)合仿真。但在仿真前,需要合適的模型。幸好,LTspice 就是為精通 DIY 的人準(zhǔn)備的工具。

一開(kāi)始我們會(huì)進(jìn)行基于 NPN 雙極晶體管的單放大器級(jí)的溫度補(bǔ)償3。圖 1a 提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的電路,在這個(gè)電路中我們可以評(píng)估 2SC4102 的集電極在不同電流(圖 1b)下的溫度變化。


圖 1a.這個(gè)簡(jiǎn)單的電路可以用于評(píng)估晶體管的集電極在不同電流下的溫度。(圖片來(lái)源:Vishay)


圖 1b.不同溫度(25°C、50°C、75°C、100°C、125°C 和 150°C)下集電極耗散的功率。(圖片來(lái)源:Vishay)

我們可以看到,晶體管的溫度特性(靜態(tài)溫度 TEMP)得到了很好的模型化。在不考慮自熱的情況下,可以使用特殊指令(pointer-alt 鍵)來(lái)表示耗散功率。當(dāng)溫度增加時(shí),基極/發(fā)射極電壓下降,且集電極電流和功率上升。那么按圖 2 所示,為什么不嘗試將這些影響納入 LTspice 建模,同時(shí)考慮到功率耗散引起的自熱呢?這可能就會(huì)產(chǎn)生一種新的器件:帶輸出(HEAT 引腳)的 NPN 晶體管。


圖 2:一個(gè)帶有第四引腳 (HEAT) 表示功率輸出的 NPN 晶體管(左側(cè)為網(wǎng)表/右側(cè)為符號(hào))。(圖片來(lái)源:Vishay)

值得注意的是,將 dI 和 dVBE1 參數(shù)(如圖 2 所示)調(diào)整為 2SC4102 的固有 NPN 特性(已納入 LTspice XVII),就可以將自熱引起的附加漂移考慮在內(nèi)。讓我們仿真圖 1a 中兩個(gè) TEMP 溫度值(25°C 和 150°C)下的電路集電極電流。然后讓我們將這兩條曲線與圖 3a 中電路的集電極電流比較一下,其中我們安裝的熱 NPN 帶有散熱器,可以實(shí)現(xiàn) 25 °C/W 的耗散能力。該組件的溫度(現(xiàn)在由 HEAT 引腳上的電壓確定)在低 VBE 時(shí)保持在 25 °C,且隨著集電極電流增加而增加,并會(huì)截止在 150 °C 左右。通過(guò)熱模型獲得的綠色曲線(圖 3b)接近于 TEMP = 25°C 時(shí)的靜態(tài)特征,然后在完全耗散時(shí)與 TEMP = 150°C 的特征吻合。


圖 3a.此電路模型化了一個(gè)可以實(shí)現(xiàn) 25°C/W 耗散的安裝在晶體管上的散熱器。(圖片來(lái)源:Vishay)


圖 3b.散熱器的溫度與所耗散功率比較。(圖片來(lái)源:Vishay)

我們現(xiàn)在可以仿真一個(gè)瞬態(tài),在這個(gè)瞬態(tài)中,放大器級(jí) NPN 晶體管正在散熱,并將熱量傳遞給散熱器,然后再傳遞給將用于防止電流失控的熱敏電阻 NTCS08058。當(dāng)然這種電流穩(wěn)定化方式可以與沒(méi)有熱敏電阻補(bǔ)償?shù)耐浑娐繁容^(圖 4a 和 4b)


圖 4a.電路帶(右)和不帶(左)熱敏電阻穩(wěn)定。(圖片來(lái)源:Vishay)


圖 4b.帶和不帶熱敏電阻穩(wěn)定的晶體管溫度曲線。(圖片來(lái)源:Vishay)

第二個(gè)電路源自《The Art of Electronics》4,是一種用于熱控制的溫控器(圖 5a)。這一個(gè)基本電路仍出現(xiàn)在此書(shū) 2015 版中。我使用了 Vishay NTCLE203E3103SB0 熱敏電阻模型6 和代表房間或烤箱的熱電路完成 LTspice 仿真,熱電路通過(guò)熱電阻與外部環(huán)境溫度相連,并通過(guò)代表熱質(zhì)量的電容器進(jìn)行接地。這種電路的工作方式在《The Art of Electronics》3 中進(jìn)行了廣泛描述,這里不再贅述。圖 5b 代表傳送給房間(或烤箱)的功率的波形以及不同元件的溫度變化。它顯示了溫度控制工作的完美,無(wú)論外部溫度如何變化或設(shè)定溫度為何((50°C、75°C 或 100°C)。


圖 5a.《The Art of Electronics》中經(jīng)過(guò)修改后帶有熱敏電阻和熱電路的溫度控制器。(圖片來(lái)源:Vishay)


圖 5b.所傳遞功率的波形以及不同元件的溫度變化。(圖片來(lái)源:Vishay)

第三個(gè)也是最后一個(gè)例子是快速對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換器的建議原理圖,它帶有一個(gè)溫度系數(shù)為 +0.4 %/°C 的電阻器用于溫度補(bǔ)償5。這是為類似熱變電阻(Vishay 的 PTS 表面貼裝器件7)引入完整 SPICE 模型的絕佳機(jī)會(huì)。在所有電路中都使用了一個(gè)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換器執(zhí)行 dB 轉(zhuǎn)換。這種轉(zhuǎn)換基于 NPN 晶體管基極/發(fā)射器電壓與集電極電流對(duì)數(shù)間的比例關(guān)系。但同時(shí)還取決于溫度。這也是為什么使用 RTD 的原因,因?yàn)?RTD 與溫度線性相關(guān)。圖 6a 展示了兩個(gè)電路:一個(gè)帶有 RTD,連接在 Q2 基極和接地(上電路)之間,且與定值電阻器(下電路)同等。


圖 6a.兩個(gè)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換器一個(gè) RTD 穩(wěn)定型(上電路)和一個(gè)非 RTD 穩(wěn)定型(下電路)。(圖片來(lái)源:Vishay)

圖 6b 展示了兩個(gè)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出電壓與輸入電壓的函數(shù)關(guān)系。藍(lán)色曲線是穩(wěn)定輸出(上電路 Vout1),而綠色曲線是非穩(wěn)定輸出 (Vout2)。


圖 6b.圖 6a 中的兩個(gè)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出電壓是輸入電壓的函數(shù)。藍(lán)色曲線是穩(wěn)定輸出(上電路 Vout1),而綠色曲線是非穩(wěn)定輸出 (Vout2)。(圖片來(lái)源:Vishay)

在這篇文章中我僅僅是想通過(guò)電子仿真來(lái)追溯性證明這些聰明的設(shè)計(jì)理念確實(shí)行之有效的。乍一看,它們似乎有點(diǎn)多余。然而,我們應(yīng)該想到,在最終完成這些設(shè)計(jì)之前購(gòu)買(mǎi)電路零件、構(gòu)建原理圖和進(jìn)行防錯(cuò)時(shí),我們要花費(fèi)大量的時(shí)間來(lái)反復(fù)試驗(yàn)。

電子電路的構(gòu)思并不一定需要電子仿真。也不是電子仿真就能給你帶來(lái)電路設(shè)計(jì)的靈感。不過(guò),憑借現(xiàn)有的模型(包括一些熱模型),LTspice 仿真可以幫助您現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試新的電路構(gòu)想,而且?guī)缀鯖](méi)有成本或延遲。最終,可以讓您更快地完成設(shè)計(jì),因?yàn)槭状芜\(yùn)行是虛擬運(yùn)行,從而減少了大量煩瑣試錯(cuò)時(shí)間。
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