氣流檢測(cè)電路

在許多應(yīng)用或系統(tǒng)中，通常都需要進(jìn)行氣流檢測(cè)，以便對(duì)系統(tǒng)的正常運(yùn)行情況進(jìn)行描述。例如，我們需要檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)中的空氣流量，以估算發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料添加量；我們需要檢測(cè)空氣流量，以檢查污染量或使用空氣等化學(xué)介質(zhì)的污染轉(zhuǎn)移情況。對(duì)于高功率密度的電子設(shè)備，我們需要空氣流量檢測(cè)來確保設(shè)備不會(huì)過熱。

氣流檢測(cè)器電路的原理：

這里開發(fā)的是一個(gè)簡(jiǎn)單的氣流檢測(cè)器電路，使用電阻溫度檢測(cè)器作為基本元件。該電路基于兩個(gè)原理：a) 電阻隨溫度變化；b) 空氣是絕緣體。 當(dāng)電流流過電阻時(shí)，電阻會(huì)被加熱。當(dāng)空氣流經(jīng)熱電阻時(shí)，作為絕緣體的空氣會(huì)使電阻器冷卻。因此電阻開始減小，熱電阻上的電壓也隨之降低。使用定時(shí)器電路可檢測(cè)到這種壓降變化，從而提供空氣流量指示。

空氣流量檢測(cè)器電路圖：

電路元件：

V1 = 12 V

R1 = 38 歐姆

D1= 4.7 V 齊納二極管，1N4732

R2 = 100 歐姆

Rx = HEL-700 鉑熱電阻

R3 = 10K

C2= 1uF

C1= 0.01uF

LED = 5V，綠色 LED

IC = 555 定時(shí)器

氣流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)：

該電路旨在為熱電阻提供恒定電流輸入，使其在開始時(shí)輕微加熱。這里選用的熱電阻是 HEL-700 鉑熱電阻，其最大工作電流為 2 mA。在這里，我們使用齊納二極管作為穩(wěn)壓器，為熱電阻提供恒定電流。

要設(shè)計(jì)齊納穩(wěn)壓器，我們首先需要選擇齊納二極管。這里選擇了一個(gè) Vz = 4.7V 的齊納二極管。由于輸入電壓為 12V，所需的輸出電流為 2mA，因此我們選擇 100 歐姆的負(fù)載電阻，以便最大電流流過負(fù)載，而只有少量電流流過熱電阻。所選輸入電阻由 (Vin-Vz)/(Iz+IL) 得出，等于 38 歐姆。此處使用 38 歐姆電阻作為輸入電阻。

下一步需要設(shè)計(jì)定時(shí)器單穩(wěn)態(tài)多振動(dòng)器。定時(shí)器為 LED 提供約 5V 的偏置電壓。當(dāng)熱電阻兩端的電壓降低時(shí)，LED 需要發(fā)光。這里我們選擇一個(gè) 10K 電阻和一個(gè) 1uF 的電解質(zhì)電容器。 一個(gè) 0.01uF 的陶瓷電容器用于將控制引腳連接到地。

氣流探測(cè)器電路操作：

該電路使用 12V 電池供電。電池電壓通過齊納二極管調(diào)節(jié)，從而產(chǎn)生恒定電壓。最初，電流流過熱電阻時(shí)，熱電阻會(huì)發(fā)熱，溫度升高，從而電阻增大。 現(xiàn)在，由于電流恒定，電阻兩端的電壓也趨于增加。 當(dāng)該電壓加到定時(shí)器的觸發(fā)引腳時(shí)，無法觸發(fā)定時(shí)器，LED 處于關(guān)閉狀態(tài)?，F(xiàn)在，當(dāng)空氣流過熱電阻時(shí)，它開始冷卻。這就降低了設(shè)備的溫度。隨著溫度的降低，電阻也隨之減小，器件上的電壓也隨之降低。當(dāng)電壓降低到某一點(diǎn)以下時(shí)，定時(shí)器被觸發(fā)，LED 指示燈開始閃爍。隨著電壓的進(jìn)一步下降，表明溫度下降，LED 開始全亮。這表明空氣在流動(dòng)。

空氣流量檢測(cè)器電路背后的理論：

該電路背后的基本理論涉及三個(gè)基本部分的知識(shí)：使用齊納二極管的穩(wěn)壓器、電阻溫度檢測(cè)器和定時(shí)器電路。

使用齊納二極管的穩(wěn)壓器：

齊納二極管是一種在反向偏置條件下工作的簡(jiǎn)單 PN 結(jié)二極管。它的基本工作原理是擊穿--雪崩和齊納。齊納擊穿發(fā)生在 2V 至 8V 的反向偏置電壓下，此時(shí)高強(qiáng)度的電場(chǎng)會(huì)使電子脫離原子，形成自由電子空穴對(duì)。雪崩擊穿發(fā)生在 8V 以上，此時(shí)高速電荷載流子因碰撞而導(dǎo)致共價(jià)鍵斷裂，形成自由電子。

從特性中可以看出，當(dāng)通過二極管的電流變化很大時(shí)，二極管兩端的電壓保持很小或恒定不變。在許多應(yīng)用中，使用齊納二極管作為電壓調(diào)節(jié)器，就可以利用這一獨(dú)特功能。

電阻溫度檢測(cè)器：

電阻溫度檢測(cè)器或 RTD 是一種金屬電阻器，其電阻隨溫度變化而變化。其原理是，隨著溫度的升高，金屬晶格的振動(dòng)也會(huì)增加。這些振動(dòng)會(huì)引起電子之間的碰撞。隨著碰撞的增加，電子的能量降低，導(dǎo)致自由電子流減少，從而導(dǎo)致低導(dǎo)電率。因此，隨著溫度的升高，電阻也會(huì)增加。熱電阻基本上是用鉑制成的。在 0 攝氏度時(shí)，熱電阻的電阻約為 100 歐姆。

555 定時(shí)多諧器：

多諧器電路用于產(chǎn)生脈沖輸出信號(hào)。當(dāng)?shù)碗娖叫盘?hào)施加到集成電路的觸發(fā)引腳時(shí)，它就會(huì)被觸發(fā)。555 定時(shí)器集成電路是一個(gè) 8 引腳集成電路，輸出信號(hào)的定時(shí)由 T=1.1 RC 給定。

氣流檢測(cè)器電路的應(yīng)用：

該電路可用于檢測(cè)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)等部位的氣流，以估算發(fā)動(dòng)機(jī)所需的燃料量。除了用作空氣流量檢測(cè)器外，該電路還可用作溫度檢測(cè)器電路。只要稍加改動(dòng)，該電路就能根據(jù)溫度感應(yīng)來控制風(fēng)扇等負(fù)載。

氣流檢測(cè)器電路的局限性：

由于使用了齊納二極管，電路的效率會(huì)受到影響。這是因?yàn)樵谥刎?fù)載情況下，串聯(lián)電阻的損耗會(huì)導(dǎo)致效率下降。

所使用的電阻溫度檢測(cè)器價(jià)格昂貴，容易受到?jīng)_擊和振動(dòng)的影響。