서미스터 기반 온도 측정 시스템 최적화: 과제

이것은 두 부분으로 구성된 시리즈의 첫 번째 기사입니다. 이 기사에서는 먼저 의 역사와 디자인 과제에 대해 논의할 것입니다.서미스터 기반 온도측정 시스템 및 저항 온도계(RTD) 온도 측정 시스템과의 비교. 또한 이 응용 분야에서 서미스터 선택, 구성 절충, 시그마-델타 ADC(아날로그-디지털 변환기)의 중요성에 대해서도 설명합니다. 두 번째 기사에서는 최종 서미스터 기반 측정 시스템을 최적화하고 평가하는 방법을 자세히 설명합니다.
이전 기사 시리즈인 RTD 온도 센서 시스템 최적화에서 설명한 것처럼 RTD는 저항이 온도에 따라 변하는 저항기입니다. 서미스터는 RTD와 유사하게 작동합니다. 양의 온도 계수만 갖는 RTD와 달리 서미스터는 양의 온도 계수 또는 음의 온도 계수를 가질 수 있습니다. 부온도계수(NTC) 서미스터는 온도가 상승함에 따라 저항을 감소시키는 반면, 정온도계수(PTC) 서미스터는 온도가 상승함에 따라 저항을 증가시킵니다. 그림에. 그림 1은 일반적인 NTC 및 PTC 서미스터의 응답 특성을 보여주고 이를 RTD 곡선과 비교합니다.
온도 범위 측면에서 RTD 곡선은 거의 선형이며 센서는 서미스터의 비선형(지수적) 특성으로 인해 서미스터보다 훨씬 넓은 온도 범위(일반적으로 -200°C ~ +850°C)를 포괄합니다. RTD는 일반적으로 잘 알려진 표준화된 곡선으로 제공되는 반면, 서미스터 곡선은 제조업체에 따라 다릅니다. 이 기사의 서미스터 선택 가이드 섹션에서 이에 대해 자세히 논의할 것입니다.
서미스터는 일반적으로 세라믹, 폴리머 또는 반도체(보통 금속 산화물)와 순수 금속(백금, 니켈 또는 구리)과 같은 복합 재료로 만들어집니다. 서미스터는 RTD보다 빠르게 온도 변화를 감지하여 더 빠른 피드백을 제공할 수 있습니다. 따라서 서미스터는 전자 제어, 가정 및 건물 제어, 과학 실험실 또는 상업용 열전대에 대한 냉접점 보상과 같이 저비용, 작은 크기, 빠른 응답, 더 높은 감도 및 제한된 온도 범위가 필요한 응용 분야의 센서에 일반적으로 사용됩니다. 또는 산업 응용. 목적. 응용 프로그램.
대부분의 경우 정확한 온도 측정을 위해 PTC 서미스터가 아닌 NTC 서미스터가 사용됩니다. 일부 PTC 서미스터는 과전류 보호 회로에 사용하거나 안전 애플리케이션용 재설정 가능 퓨즈로 사용할 수 있습니다. PTC 서미스터의 저항-온도 곡선은 스위치 포인트(또는 퀴리 포인트)에 도달하기 전에 매우 작은 NTC 영역을 보여 주며, 그 이상에서는 저항이 섭씨 수 도 범위에서 몇 배나 급격하게 상승합니다. 과전류 조건에서 PTC 서미스터는 스위칭 온도를 초과하면 강한 자체 발열을 생성하고 저항이 급격히 상승하여 시스템에 대한 입력 전류를 줄여 손상을 방지합니다. PTC 서미스터의 스위칭 포인트는 일반적으로 60°C~120°C이며 광범위한 응용 분야에서 온도 측정을 제어하는 ​​데 적합하지 않습니다. 이 기사에서는 일반적으로 -80°C ~ +150°C 범위의 온도를 측정하거나 모니터링할 수 있는 NTC 서미스터에 중점을 둡니다. NTC 서미스터의 저항 정격은 25°C에서 수 옴에서 10MΩ까지입니다. 그림과 같이. 1에서 알 수 있듯이 서미스터의 섭씨 온도당 저항 변화는 저항 온도계보다 더 두드러집니다. 서미스터에 비해 서미스터의 높은 감도와 높은 저항 값은 입력 회로를 단순화합니다. 왜냐하면 서미스터는 리드 저항을 보상하기 위해 3선 또는 4선과 같은 특별한 배선 구성이 필요하지 않기 때문입니다. 서미스터 설계에서는 단순한 2선 구성만 사용합니다.
고정밀 서미스터 기반 온도 측정에는 그림과 같이 정밀한 신호 처리, 아날로그-디지털 변환, 선형화 및 보상이 필요합니다. 2.
신호 체인이 단순해 보일 수도 있지만 전체 마더보드의 크기, 비용 및 성능에 영향을 미치는 몇 가지 복잡성이 있습니다. ADI의 정밀 ADC 포트폴리오에는 AD7124-4/AD7124-8과 같은 여러 통합 솔루션이 포함되어 있습니다. 이 솔루션은 응용 분야에 필요한 대부분의 빌딩 블록이 내장되어 있어 열 시스템 설계에 많은 이점을 제공합니다. 그러나 서미스터 기반 온도 측정 솔루션을 설계하고 최적화하는 데는 다양한 과제가 있습니다.
이 기사에서는 이러한 각 문제에 대해 논의하고 문제를 해결하고 해당 시스템의 설계 프로세스를 더욱 단순화하기 위한 권장 사항을 제공합니다.
다양한 종류가 있습니다NTC 서미스터오늘날 시장에 나와 있으므로 애플리케이션에 적합한 서미스터를 선택하는 것은 어려운 작업이 될 수 있습니다. 서미스터는 공칭 값, 즉 25°C에서의 공칭 저항으로 나열됩니다. 따라서 10kΩ 서미스터는 25°C에서 10kΩ의 공칭 저항을 갖습니다. 서미스터는 수 옴에서 10MΩ 범위의 공칭 또는 기본 저항 값을 갖습니다. 저항 등급이 낮은(10kΩ 이하의 공칭 저항) 서미스터는 일반적으로 -50°C ~ +70°C와 같은 더 낮은 온도 범위를 지원합니다. 저항 등급이 더 높은 서미스터는 최대 300°C의 온도를 견딜 수 있습니다.
서미스터 소자는 금속 산화물로 만들어집니다. 서미스터는 볼, 방사형 및 SMD 형태로 제공됩니다. 서미스터 비드는 추가 보호를 위해 에폭시 코팅 또는 유리 캡슐화되어 있습니다. 에폭시 코팅 볼 서미스터, 방사형 및 표면 서미스터는 최대 150°C의 온도에 적합합니다. 유리구슬 서미스터는 고온 측정에 적합합니다. 모든 유형의 코팅/포장은 부식으로부터 보호합니다. 일부 서미스터에는 열악한 환경에서 추가 보호를 위한 추가 하우징도 있습니다. 비드 서미스터는 방사형/SMD 서미스터보다 응답 시간이 더 빠릅니다. 그러나 내구성이 좋지 않습니다. 따라서 사용되는 서미스터 유형은 최종 애플리케이션과 서미스터가 위치한 환경에 따라 달라집니다. 서미스터의 장기적인 안정성은 재료, 포장 및 디자인에 따라 달라집니다. 예를 들어, 에폭시 코팅 NTC 서미스터는 연간 0.2°C 변화할 수 있는 반면, 밀봉된 서미스터는 연간 0.02°C만 변화합니다.
서미스터는 정확도가 다릅니다. 표준 서미스터의 정확도는 일반적으로 0.5°C~1.5°C입니다. 서미스터 저항 정격과 베타 값(25°C~50°C/85°C의 비율)에는 허용 오차가 있습니다. 서미스터의 베타 값은 제조업체에 따라 다릅니다. 예를 들어, 여러 제조업체의 10kΩ NTC 서미스터는 서로 다른 베타 값을 갖습니다. 보다 정확한 시스템을 위해 Omega™ 44xxx 시리즈와 같은 서미스터를 사용할 수 있습니다. 0°C~70°C의 온도 범위에서 0.1°C 또는 0.2°C의 정확도를 갖습니다. 따라서 측정할 수 있는 온도 범위와 해당 온도 범위에 필요한 정확도에 따라 서미스터가 이 응용 분야에 적합한지 여부가 결정됩니다. Omega 44xxx 시리즈의 정확도가 높을수록 비용이 높아지는 점 참고하시기 바랍니다.
저항을 섭씨 온도로 변환하려면 일반적으로 베타 값이 사용됩니다. 베타 값은 두 온도 지점과 각 온도 지점의 해당 저항을 파악하여 결정됩니다.
RT1 = 온도 저항 1 RT2 = 온도 저항 2 T1 = 온도 1(K) T2 = 온도 2(K)
사용자는 프로젝트에 사용된 온도 범위에 가장 가까운 베타 값을 사용합니다. 대부분의 서미스터 데이터시트에는 25°C에서의 저항 허용 오차 및 베타 값에 대한 허용 오차와 함께 베타 값이 나열되어 있습니다.
Omega 44xxx 시리즈와 같은 고정밀 서미스터 및 고정밀 터미네이션 솔루션은 Steinhart-Hart 방정식을 사용하여 저항을 섭씨 온도로 변환합니다. 방정식 2에는 센서 제조업체에서 제공하는 세 가지 상수 A, B, C가 필요합니다. 방정식 계수는 세 개의 온도 지점을 사용하여 생성되므로 결과 방정식은 선형화로 인해 발생하는 오류(일반적으로 0.02°C)를 최소화합니다.
A, B, C는 세 가지 온도 설정점에서 파생된 상수입니다. R = 서미스터 저항(옴) T ​​= 온도(K도)
그림에. 그림 3은 센서의 현재 여기를 보여줍니다. 구동 전류는 서미스터에 적용되고 동일한 전류가 정밀 저항기에 적용됩니다. 정밀 저항기는 측정 기준으로 사용됩니다. 기준 저항기의 값은 서미스터 저항의 최고값보다 크거나 같아야 합니다(시스템에서 측정된 최저 온도에 따라 다름).
여기 전류를 선택할 때 서미스터의 최대 저항을 다시 고려해야 합니다. 이렇게 하면 센서와 기준 저항기의 전압이 항상 전자 장치에 허용되는 수준이 됩니다. 계자 전류 소스에는 약간의 헤드룸 또는 출력 일치가 필요합니다. 서미스터가 측정 가능한 가장 낮은 온도에서 높은 저항을 갖는 경우 구동 전류가 매우 낮아집니다. 따라서 고온에서 서미스터 양단에 생성되는 전압은 작습니다. 프로그래밍 가능한 이득 스테이지를 사용하여 이러한 낮은 레벨 신호의 측정을 최적화할 수 있습니다. 그러나 서미스터의 신호 레벨은 온도에 따라 크게 달라지므로 이득을 동적으로 프로그래밍해야 합니다.
또 다른 옵션은 이득을 설정하되 동적 구동 전류를 사용하는 것입니다. 따라서 서미스터의 신호 레벨이 변경됨에 따라 구동 전류 값이 동적으로 변경되어 서미스터에 걸쳐 발생된 전압이 전자 장치의 지정된 입력 범위 내에 있도록 합니다. 사용자는 기준 저항기에 걸쳐 발생된 전압이 전자 장치에 허용되는 수준인지 확인해야 합니다. 두 옵션 모두 전자 장치가 신호를 측정할 수 있도록 높은 수준의 제어와 서미스터 전체의 전압을 지속적으로 모니터링해야 합니다. 더 쉬운 옵션이 있나요? 전압 여기를 고려하십시오.
DC 전압이 서미스터에 적용되면 서미스터를 통과하는 전류는 서미스터의 저항 변화에 따라 자동으로 확장됩니다. 이제 기준 저항 대신 정밀 측정 저항을 사용하여 서미스터에 흐르는 전류를 계산함으로써 서미스터 저항을 계산할 수 있습니다. 구동 전압은 ADC 기준 신호로도 사용되므로 이득 스테이지가 필요하지 않습니다. 프로세서는 서미스터 전압을 모니터링하고, 전자 장치에서 신호 레벨을 측정할 수 있는지 확인하고, 조정해야 할 드라이브 게인/전류 값을 계산하는 작업을 수행하지 않습니다. 이것이 이 글에서 사용된 방법입니다.
서미스터의 저항 정격과 저항 범위가 작은 경우 전압 또는 전류 여기를 사용할 수 있습니다. 이 경우 구동 전류와 이득을 고정할 수 있습니다. 따라서 회로는 그림 3과 같습니다. 이 방법은 센서와 기준 저항기를 통해 전류를 제어할 수 있다는 점에서 편리하며 이는 저전력 애플리케이션에 유용합니다. 또한, 서미스터의 자체 발열이 최소화됩니다.
전압 여기는 저항 등급이 낮은 서미스터에도 사용할 수 있습니다. 그러나 사용자는 항상 센서를 통과하는 전류가 센서나 애플리케이션에 비해 너무 높지 않은지 확인해야 합니다.
전압 여기는 저항 정격이 크고 온도 범위가 넓은 서미스터를 사용할 때 구현을 단순화합니다. 공칭 저항이 클수록 허용 가능한 수준의 정격 전류가 제공됩니다. 그러나 설계자는 전류가 응용 분야에서 지원되는 전체 온도 범위에 걸쳐 허용 가능한 수준인지 확인해야 합니다.
시그마-델타 ADC는 서미스터 측정 시스템을 설계할 때 여러 가지 이점을 제공합니다. 첫째, 시그마-델타 ADC가 아날로그 입력을 리샘플링하기 때문에 외부 필터링이 최소한으로 유지되며 유일한 요구 사항은 간단한 RC 필터입니다. 필터 유형 및 출력 전송 속도에 유연성을 제공합니다. 내장된 디지털 필터링을 사용하여 주전원 장치의 간섭을 억제할 수 있습니다. AD7124-4/AD7124-8과 같은 24비트 장치는 최대 21.7비트의 전체 분해능을 가지므로 높은 분해능을 제공합니다.
시그마-델타 ADC를 사용하면 서미스터 설계가 크게 단순화되는 동시에 사양, 시스템 비용, 보드 공간 및 출시 기간이 단축됩니다.
이 기사에서는 PGA, 내장 레퍼런스, 아날로그 입력 및 레퍼런스 버퍼를 갖춘 저잡음, 저전류, 정밀 ADC인 AD7124-4/AD7124-8을 ADC로 사용합니다.
구동 전류를 사용하든 구동 전압을 사용하든 상관없이 기준 전압과 센서 전압이 동일한 구동 소스에서 나오는 비율계량 구성이 권장됩니다. 이는 여기 소스의 변화가 측정 정확도에 영향을 미치지 않음을 의미합니다.
그림에. 그림 5는 서미스터와 정밀 저항기 RREF에 대한 일정한 구동 전류를 보여주며, RREF에 걸쳐 발생된 전압은 서미스터를 측정하기 위한 기준 전압입니다.
계자 전류는 정확할 필요가 없으며 이 구성에서는 계자 전류의 오류가 제거되므로 안정성이 떨어질 수 있습니다. 일반적으로 센서가 원격 위치에 있을 때 뛰어난 감도 제어와 더 나은 노이즈 내성으로 인해 전압 여기보다 전류 여기가 선호됩니다. 이러한 유형의 바이어스 방법은 일반적으로 저항 값이 낮은 RTD 또는 서미스터에 사용됩니다. 그러나 저항값과 감도가 더 높은 서미스터의 경우 온도 변화에 따라 생성되는 신호 레벨이 더 커지므로 전압 구동이 사용됩니다. 예를 들어, 10kΩ 서미스터는 25°C에서 10kΩ의 저항을 갖습니다. -50°C에서 NTC 서미스터의 저항은 441.117kΩ입니다. AD7124-4/AD7124-8에서 제공하는 50μA의 최소 구동 전류는 441.117kΩ × 50μA = 22V를 생성합니다. 이는 너무 높으며 이 응용 분야에서 사용되는 대부분의 ADC의 작동 범위를 벗어납니다. 서미스터는 일반적으로 전자 장치 근처에 연결되거나 위치하므로 구동 전류에 대한 내성이 필요하지 않습니다.
전압 분배기 회로로 감지 저항을 직렬로 추가하면 서미스터를 통과하는 전류가 최소 저항 값으로 제한됩니다. 이 구성에서 감지 저항 RSENSE의 값은 기준 온도 25°C에서 서미스터 저항 값과 같아야 합니다. 그래야 출력 전압이 공칭 온도 25°C에서 기준 전압의 중간점과 같아집니다. 25°CC 마찬가지로, 25°C에서 저항이 10kΩ인 10kΩ 서미스터를 사용하는 경우 RSENSE는 10kΩ이어야 합니다. 온도가 변함에 따라 NTC 서미스터의 저항도 변하고 서미스터 양단의 구동 전압 비율도 변하여 출력 전압이 NTC 서미스터의 저항에 비례하게 됩니다.
서미스터 및/또는 RSENSE에 전력을 공급하는 데 사용되는 선택된 전압 레퍼런스가 측정에 사용되는 ADC 레퍼런스 전압과 일치하는 경우 시스템은 비율계량 측정(그림 7)으로 설정되어 모든 여기 관련 오류 전압 소스가 제거되도록 바이어스됩니다.
감지 저항기(전압 구동) 또는 기준 저항기(전류 구동)는 초기 공차와 드리프트가 낮아야 합니다. 두 변수 모두 전체 시스템의 정확도에 영향을 미칠 수 있기 때문입니다.
여러 서미스터를 사용하는 경우 하나의 여자 전압을 사용할 수 있습니다. 그러나 각 서미스터에는 그림과 같이 고유한 정밀 감지 저항기가 있어야 합니다. 8. 또 다른 옵션은 온 상태에서 외부 멀티플렉서 또는 저저항 스위치를 사용하는 것입니다. 이를 통해 하나의 정밀 감지 저항기를 공유할 수 있습니다. 이 구성을 사용하면 각 서미스터를 측정할 때 약간의 안정화 시간이 필요합니다.
요약하자면, 서미스터 기반 온도 측정 시스템을 설계할 때 센서 선택, 센서 배선, 부품 선택 균형, ADC 구성 및 이러한 다양한 변수가 시스템의 전체 정확도에 미치는 영향 등 고려해야 할 많은 질문이 있습니다. 이 시리즈의 다음 기사에서는 목표 성능을 달성하기 위해 시스템 설계와 전체 시스템 오류 예산을 최적화하는 방법을 설명합니다.