온도 센서: 양의 온도 계수 (PTC) 서미스터

이것은 모든 표준 구현/토폴로지와 함께 모든 종류의 온도 센서를 테스트하는 우리 프로젝트의 3부입니다. 프로젝트에 온도 센서를 추가하고 싶다면, 이 시리즈는 정밀도와 비용의 전 범위를 커버하는 모든 옵션을 제공합니다. 시리즈의 마지막에는 개발한 모든 센서 카드에 대한 호스트 보드 한 쌍을 구축하여 전체 온도 및 조건 범위에서 다양한 센서 유형을 테스트, 비교 및 대조할 수 있습니다. 이 시리즈의 이번 설치에서는 양의 온도 계수(PTC) 서미스터 센서에 대해 다룹니다.

이 시리즈의 서문에서는 아날로그 온도 센서 보드를 위한 프로젝트 템플릿과 디지털 보드를 위한 또 다른 템플릿을 구축했습니다. 이 기사에서 다루는 PTC 서미스터의 템플릿과 센서 구현은 GitHub에서 찾을 수 있습니다. 언제나처럼, 이 프로젝트들은 MIT 라이선스 하에 오픈 소스로 공개되어 있어 제한이 거의 없이 사용할 수 있습니다.

PTC 서미스터 전체 범위와 수만 개의 다른 구성 요소 및 센서를 천상의 Altium 라이브러리에서 찾을 수 있습니다. 이는 Altium Designer®용으로 가장 큰 오픈 소스 라이브러리입니다. 배포업체의 구성 요소 재고를 보고 싶다면 Octopart에서 PTC 서미스터 센서를 확인할 수도 있습니다.

이 시리즈에서는 다양한 온도 센서를 살펴보고, 그들의 장단점과 일반적인 구현/토폴로지에 대해 이야기할 예정입니다. 시리즈에서 다룰 내용은 다음과 같습니다:

• 음온계수(Negative Temperature Coefficient, NTC) 서미스터
• 양온계수(Positive Temperature Coefficient, PTC) 서미스터
• 저항 온도 검출기(Resistance Temperature Detectors, RTD)
• 아날로그 온도 센서 IC
• 디지털 온도 센서 IC
• 열전대

위는 Altium 365 Viewer에서 읽게 될 PCB 디자인입니다. 동료, 고객, 친구들과 연결할 수 있는 무료 방법으로, 디자인을 보거나 버튼 하나로 다운로드할 수 있습니다! 디자인을 몇 초 만에 업로드하고 무거운 소프트웨어나 컴퓨터 성능 없이도 심층적으로 살펴볼 수 있는 상호 작용적인 방법을 갖게 됩니다.

양온계수(Positive Temperature Coefficient, PTC) 서미스터

이름에서 알 수 있듯이, 양의 온도 계수 서미스터 또는 PTC는 온도가 상승함에 따라 저항이 증가하는 특성을 가지고 있습니다 - 이는 이 시리즈의 이전 기사에서 다룬 NTC 서미스터와 정반대입니다. 이는 몇 가지 매우 흥미로운 응용을 제공할 수 있습니다; 예를 들어, PTC 재설정 가능 퓨즈는 PTC 서미스터와 관련이 있습니다. 우리가 장치를 통한 전류를 제한하여 자체 발열을 줄이려고 할 때, PTC 퓨즈는 온도가 상승함에 따라 저항이 증가하여 전류를 제한하는 자체 발열을 활용합니다.

NTC 서미스터는 야외 회로에서 가장 인기 있는 것으로 알려져 있습니다. 서미스터 연결이 있는 대부분의 집적 회로는 배터리 충전 회로와 같은 NTC 서미스터만 지원합니다. 또한, 25°C에서의 NTC 서미스터 저항은 PTC 종류보다 상당히 높습니다. 가장 일반적인 NTC 서미스터는 10k와 100k 옴이며, PTC는 470 옴과 1k 옴입니다. PTC 서미스터 센서의 허용 오차는 일반적으로 50%에 달할 수 있으며, 정확한 보정 없이는 정확한 온도 측정을 제공하지 않습니다. 허용 오차 범위가 비교적 크지만, 대부분의 제조업체 데이터 시트는 온도 응답 곡선이 일반적으로 일관되다는 것을 보여주므로, 장치는 단일 알려진 온도에서 초기 보정만 필요로 할 것입니다.

TI에서 볼 수 있듯이, PTC 서미스터에는 여러 가지 다른 유형이 있습니다.

PTC 서미스터는 보정이 필요하고 저항이 낮기 때문에 일반적으로 온도 센서의 첫 번째 선택이 아닙니다. 그러나 특정 회로에서 사용될 수 있습니다. 온도가 증가함에 따라 전류 흐름을 줄이고 싶은 응용 프로그램에서 PTC 서미스터가 회로에서 매우 유용할 수 있습니다. 이는 전류 제한 저항이 있는 LED가 장착된 보드가 다양한 온도에 노출될 경우 매우 실용적일 수 있습니다. 470 옴 또는 1k 옴 PTC 서미스터를 사용하여, 정상 저항과 직렬로 연결하여 전류 흐름을 미세 조정할 수 있습니다. 이를 통해 LED에 공급되는 전력을 제한할 수 있습니다. 보드의 온도가 상승함에 따라 LED는 더 적은 전력을 받게 됩니다. 또한, 전체 전류가 감소하므로 작동 중에 줄(Joule) 발열이 덜 발생합니다. 전류의 증가하는 제한은 LED가 주로 접합 온도로 인해 실패하기 때문에 필수적입니다. 고온에서 LED의 전류 흐름과 열 발산을 줄임으로써 LED의 수명을 크게 연장할 수 있습니다. 반대로, 온도가 증가함에 따라 다른 요소에 전류를 증가시켜야 하는 경우 PTC 서미스터를 병렬로 배치하면 됩니다.

이 프로젝트를 위해, 저는 두 개의 PTC 서미스터를 포함시킬 것입니다. 첫 번째는 Digi-Key에서 가장 많이 재고가 있는 0402 또는 0603 패키지 옵션으로, 허용 오차가 50%입니다. 이것은 실제로 온도 감지 응용 프로그램을 위한 것이 아니지만, 매우 낮은 허용 오차 구성 요소의 예로 포함시키는 것이 흥미로울 것이라고 생각했습니다. 두 번째는 온도 감지 응용 프로그램을 위한 것인 0.5% 허용 오차를 가진 1k PTC 서미스터입니다.

PTC 구현: 전압 분배기

PTC 서미스터에서의 전압 분배기 구현은 이 시리즈의 이전 기사에서 NTC 구현과 동일합니다. 470 옴 서미스터는 허용 오차 범위가 너무 넓어서, 1k 옴 서미스터에 사용하는 것과 다른 값을 상단 저항기에 추가하는 것이 가치가 있다고 생각하지 않습니다.

다시 한번, 만약 여러분이 자신의 프로젝트에서 이를 구현하려 한다면, PTC 서미스터의 저항 그래프를 살펴보고 필요한 범위에 대해 출력 전압을 최적화할 적절한 저항기를 선택할 것입니다.

이 시리즈의 첫 번째 설치에서 생성한 센서 프로젝트 템플릿을 사용하면, PCB를 만드는 것은 상대적으로 간단합니다. 템플릿은 이미 90%의 라우팅을 완료했으며, 우리는 단지 두 개의 새로운 구성 요소를 배치하기만 하면 됩니다. 새로운 센서를 조금 라우팅하는 작업으로, 평가 카드가 준비됩니다.

1K PTC 서미스터 보드는 물론 외관상 거의 동일하지만, 서미스터는 0603이 아닌 0402 패키지로 제공됩니다. 다른 0402 또는 0603 크기의 서미스터를 평가하고 싶다면, 이 보드들의 프로젝트 파일을 GitHub 저장소에서 가져와 자신의 서미스터 센서가 달린 자신만의 보드를 만들 수 있습니다.

PTC 구현: 전압 팔로워 추가

저는 온도 감지 응용 프로그램에 설계된 전압 팔로워와 함께 더 정밀한 0.5% 허용 오차의 1K 옴 PTC 서미스터를 사용하고 있으며, 우리가 테스트하는 470 옴 옵션은 전류 제한 응용 프로그램을 위한 것입니다. 470 옴 서미스터는 허용 오차가 너무 크기 때문에 더 정확한 감지 결과를 제공할 회로에 연결하는 것은 큰 의미가 없습니다.

이전 기사에서 다룬 NTC 서미스터와 마찬가지로, 이 방법은 더 정확한 측정값을 제공할 가능성이 높지만, 버퍼 증폭기와 센서의 결합된 비용으로는 선형 출력과 높은 허용 오차를 가진 좋은 아날로그 센서를 구입할 수 있습니다. 이는 외부 장치에서 PTC 서미스터를 사용해야 하며 스스로 온도 센서를 선택할 수 없는 경우, 더 안정적이고 정확한 측정값을 얻기 위한 시연에 가깝습니다.

전압 팔로워를 사용하면 측정하는 핀이 어떻게 구현되었는지에 따라 약간의 추가 정밀도를 얻을 수도 있습니다. 마이크로컨트롤러나 전용 ADC는 일반적으로 매우 높은 저항을 지니고 있지만, 여전히 우리의 전압 분배기에 병렬 저항으로 작용합니다. 회로에 버퍼/전압 팔로워 연산 증폭기를 추가함으로써, 마이크로컨트롤러 핀을 전압 분배기로부터 격리시킬 수 있습니다.

전압 팔로워 구현을 위한 PCB는 다른 PTC 서미스터 보드와 같은 테마를 따릅니다. 서미스터는 비감지 구성 요소와 반대편에 열 차단 부위에 있습니다. 감지 요소만 열 차단 영역 내부에 유지함으로써, 모든 측정이 일관되게 유지되며 근처의 다른 구성 요소에 의해 편향되지 않습니다. PTC 서미스터에서 결정하는 온도 읽기에 영향을 줄 만큼 다른 구성 요소가 충분한 열을 발생시키지 않을 것으로 예상합니다. 그러나 여기서의 목표는 센서를 다른 구성 요소 유형 및 토폴로지와 직접 비교하는 것이므로, 우리는 그것들을 다른 회로로부터 격리시킬 것입니다.

다른 옵션: 휘트스톤 브리지

휘트스톤 브리지는 매우 정확하게 미세한 저항 변화를 측정하는 데 훌륭한 도구입니다. 이를 수행하는 한 가지 방법은 센서 요소를 브리지의 한 다리에 배치하고 출력 전압이 0이 되도록 장치를 보정하는 것입니다. 그런 다음 브리지의 출력을 통한 전압을 측정하여 PTC 서미스터의 저항 변화를 결정할 수 있습니다. 그러나 정밀 회로의 일부로 본질적으로 부정확한 부품인 서미스터를 사용하는 것은 측정 회로를 보정하기 위해 필요한 다른 저항기가 보드마다 다를 것이기 때문에 우리 시간을 낭비할 가치가 없습니다. 엔지니어링의 타협은 그만한 가치가 없습니다 - 외부 요구 사항으로 인해 PTC 서미스터를 측정을 위한 센서로 사용해야 하는 경우, 간단한 전압 분배기 방법을 사용하면 충분히 정확하게 온도를 측정할 수 있습니다. 온도 측정을 위해 자신의 구성 요소를 선택할 수 있다면, 온도 감지를 위한 정밀 집적 회로를 사용하여 더 높은 품질의 결과를 얻을 수 있습니다. 정밀 집적 회로는 휘트스톤 브리지에 필요한 부품보다 비용이 적게 듭니다.

PTC 서미스터 보드를 직접 테스트하세요

이 센서 테스트 카드는 오픈 소스입니다. GitHub에서 디자인을 다운로드하여 직접 사용해 보세요. 음온계수 서미스터 센서를 평가하려는 경우, 이 보드의 프로젝트 파일이 시간을 절약해 줄 것입니다.

이 시리즈에서 개발하는 모든 센서 카드도 같은 GitHub 저장소에서 찾을 수 있으므로, 저장소를 확인함으로써 시리즈의 다음 내용을 미리 엿볼 수도 있습니다!

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