Correzione di un difetto fondamentale dei termostati a transistor con rilevamento automatico

I termostati a transistor miniaturizzati con rilevamento automatico utilizzano un singolo transistor (BJT o FET) che funge sia da sensore di temperatura che da riscaldatore stabilizzante. Questi termostati a transistor rappresentano (se ben progettati) un modo efficace, efficiente ed economico per mantenere una temperatura costante per i singoli componenti (sensori, riferimenti di precisione, oscillatori, ecc.), per l’incubazione di colture biologiche sensibili e per le prestazioni di altri piccoli e critici funzioni di controllo termico. Ma soffrono tutti di un difetto comune che può compromettere seriamente la stabilità della temperatura.

Figura 1 illustra il problema.

Figura 1 Il modello termico del transistor del termostato autorilevato: (Tj – Tc) = Rjc Pj.

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L’obiettivo progettuale caratteristico del termostato a transistor con rilevamento automatico è mantenere una temperatura dell’involucro accuratamente stabile Tc. Questo è ciò che conta perché ciò che vogliamo veramente termostatare di solito non è la giunzione del transistor in sé, ma è invece qualcosa di interessante che abbiamo collegato alla custodia del transistor. Il termostato utilizza inizialmente le proprietà del transistor per eseguire una misurazione della temperatura di giunzione (Tj). Questa misurazione viene quindi utilizzata come input per un circuito di feedback del riscaldamento che controlla e regola continuamente la potenza di riscaldamento della giunzione (Pj) per mantenere una temperatura di giunzione stabile e quindi mantenere indirettamente una temperatura della custodia costante. Speriamo…

Ma il problema con questo modello è che Tj e Tc non sono necessariamente uguali. Sono separati dall’impedenza termica giunzione/involucro diversa da zero (Rjc), che crea un differenziale di temperatura (Terrore) proporzionale a Pj tale che:

Terr = Tj – Tc = Rjc Pj.

Allora, quanto è grande il problema? Poiché l’entità dell’errore è proporzionale a Rjc, la risposta richiede una consultazione con la scheda tecnica del transistor del termometro—figura 2IRF510 di, ad esempio: https://www.vishay.com/docs/91015/irf510.pdf.

Il numero relativo si trova nella tabella “VALORI NOMINALI ASSOLUTI” della scheda tecnica del dispositivo come “Fattore di derating lineare” che in questo caso è uguale a 0,29 W/^oC. Questo è il reciproco effettivo di Rjc, quindi per l’IRF510:

RJc = 1/0,29 W/^oC = 3.45 ^oC/W.

figura 2 Termostato MOSFET che incorpora la correzione dell’errore di temperatura (Rjc Pj).

Il circuito di controllo del riscaldatore a semionda della Figura 2 può fornire la massima potenza di riscaldamento della giunzione limitata in corrente di:

Pj(max) = 24 Vrms x 0,7 V / R7 / 2 = 16,8 W.

L’errore differenziale Tj – Tc risultante potrebbe quindi essere grave quanto:

Terr(max) = Rjc Pj(max) = 3,45 * 16,8 W = 58^oC.

Cavolo! Ciò sembra rendere insensata ogni speranza di una termostasi accurata.

Tuttavia, è possibile una semplice soluzione alternativa per l’annullamento degli errori. Poiché l’errore Tj – Tc è proporzionale a Pj, che a sua volta è proporzionale alla corrente rilevata da R7, possiamo aggiungere un offset di feedback positivo alla temperatura di setpoint pari a Rjc Pj per generare un nuovo setpoint di temperatura di giunzione corretto di:

Tj’ = Tj + Rjc Pj.

Poi:

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

Tc = Tj.

Problema risolto! Questo è esattamente il trucco mostrato nella rete a tre componenti con feedback positivo ombreggiata in blu nella Figura 2. Ecco come sono stati calcolati R11 e R12.

Il rilevamento della corrente da 0,5 Ω R7 sviluppa:

V_R7 = 0,5 / 24 Vrms = 21 mV * Pj,

= 21 mV * Terr / Rjc = 6 mV * Terr,

quindi Terr = V_R7 /6mV.

Gli R11 R12 si attenuano V_R7 per produrre il segnale applicato all’emettitore di Q3:

V_Q3 = V_R7 R12 / (R11 + R12) = V_R7 /3,

= 2 mV * Terr.

In questo modo Q3 compensa efficacemente Tj di un grado per ogni grado di Terr forzando così Tc = Tjrisolvendo così il difetto fondamentale.

C2 impone una costante di tempo RC di 1 secondo su questo feedback positivo, che è circa un ordine di grandezza più lenta della velocità di risposta della temperatura di giunzione ai cambiamenti in Pj. Ciò sopprime l’oscillazione che il feedback positivo è notoriamente noto per provocare.

Stephen WoodwardIl rapporto di con la rubrica DI dell’EDN risale a molto tempo fa. Dal suo primo contributo nel 1974 sono state accettate quasi 100 proposte.

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