서미스터 기반 온도 측정 시스템 최적화: 과제

이 글은 2부로 구성된 시리즈의 첫 번째 글입니다. 이 글에서는 먼저 의 역사와 디자인 과제에 대해 논의합니다.서미스터 기반 온도측정 시스템 및 저항 온도계(RTD) 온도 측정 시스템과의 비교를 다룹니다. 또한 서미스터 선택, 구성 상충 관계, 그리고 이 응용 분야에서 시그마-델타 아날로그-디지털 변환기(ADC)의 중요성에 대해서도 설명합니다. 두 번째 글에서는 최종 서미스터 기반 측정 시스템을 최적화하고 평가하는 방법을 자세히 설명합니다.
이전 기사 시리즈 "RTD 온도 센서 시스템 최적화"에서 설명했듯이, RTD는 온도에 따라 저항이 변하는 저항기입니다. 서미스터는 RTD와 유사하게 작동합니다. 양의 온도 계수만 갖는 RTD와 달리, 서미스터는 양의 온도 계수 또는 음의 온도 계수를 가질 수 있습니다. 음의 온도 계수(NTC) 서미스터는 온도가 상승함에 따라 저항이 감소하는 반면, 양의 온도 계수(PTC) 서미스터는 온도가 상승함에 따라 저항이 증가합니다. 그림 1은 일반적인 NTC 및 PTC 서미스터의 응답 특성을 보여주고 RTD 곡선과 비교합니다.
온도 범위 측면에서 RTD 곡선은 거의 선형이며, 서미스터의 비선형(지수적) 특성으로 인해 센서는 서미스터보다 훨씬 더 넓은 온도 범위(일반적으로 -200°C ~ +850°C)를 포괄합니다. RTD는 일반적으로 잘 알려진 표준화된 곡선으로 제공되는 반면, 서미스터 곡선은 제조업체마다 다릅니다. 이 글의 서미스터 선택 가이드 섹션에서 이에 대해 자세히 설명하겠습니다.
서미스터는 일반적으로 세라믹, 폴리머 또는 반도체(일반적으로 금속 산화물)와 순수 금속(백금, 니켈 또는 구리)과 같은 복합 재료로 만들어집니다. 서미스터는 RTD보다 온도 변화를 더 빠르게 감지하여 더 빠른 피드백을 제공합니다. 따라서 서미스터는 전자 제어, 가정 및 건물 제어, 과학 실험실, 또는 상업 또는 산업 분야에서 열전대의 냉접점 보상과 같이 저렴한 가격, 작은 크기, 빠른 응답 속도, 높은 감도, 그리고 제한된 온도 범위가 요구되는 센서에 널리 사용됩니다.
대부분의 경우, 정확한 온도 측정에는 PTC 서미스터가 아닌 NTC 서미스터가 사용됩니다. 과전류 보호 회로 또는 안전 애플리케이션용 리셋 가능 퓨즈로 사용할 수 있는 PTC 서미스터도 있습니다. PTC 서미스터의 저항-온도 곡선은 스위치 포인트(또는 퀴리 포인트)에 도달하기 전에 매우 작은 NTC 영역을 보여주며, 이 지점을 넘어서면 저항이 섭씨 수 도 범위에서 수십 배나 급격하게 상승합니다. 과전류 조건에서 PTC 서미스터는 스위칭 온도를 초과하면 강한 자기 발열을 발생시키고 저항이 급격히 상승하여 시스템으로의 입력 전류를 감소시켜 손상을 방지합니다. PTC 서미스터의 스위칭 포인트는 일반적으로 60°C에서 120°C 사이이며, 광범위한 애플리케이션에서 온도 측정을 제어하는 데 적합하지 않습니다. 이 글에서는 일반적으로 -80°C에서 +150°C까지의 온도를 측정하거나 모니터링할 수 있는 NTC 서미스터에 중점을 둡니다. NTC 서미스터는 25°C에서 수 옴(Ω)에서 10MΩ까지의 저항 정격을 갖습니다. 그림 1에서 볼 수 있듯이, 서미스터는 섭씨 온도 변화 시 저항 온도계보다 더 두드러집니다. 서미스터는 다른 서미스터에 비해 높은 감도와 높은 저항값을 가지고 있어 입력 회로를 단순화합니다. 서미스터는 리드 저항을 보상하기 위해 3선식이나 4선식과 같은 특별한 배선 구성이 필요하지 않기 때문입니다. 서미스터 설계는 간단한 2선식 구성만 사용합니다.
고정밀 서미스터 기반 온도 측정에는 그림 2에서 볼 수 있듯이 정밀한 신호 처리, 아날로그-디지털 변환, 선형화 및 보상이 필요합니다.
신호 체인은 단순해 보일 수 있지만, 전체 마더보드의 크기, 비용 및 성능에 영향을 미치는 여러 가지 복잡성이 존재합니다. ADI의 정밀 ADC 포트폴리오에는 AD7124-4/AD7124-8과 같은 여러 통합 솔루션이 포함되어 있으며, 이러한 솔루션은 애플리케이션에 필요한 대부분의 구성 요소가 내장되어 있어 열 시스템 설계에 여러 가지 이점을 제공합니다. 그러나 서미스터 기반 온도 측정 솔루션을 설계하고 최적화하는 데에는 여러 가지 어려움이 있습니다.
이 글에서는 이러한 문제들을 각각 논의하고 이를 해결하고 이러한 시스템의 설계 과정을 더욱 단순화하기 위한 권장 사항을 제시합니다.
다양한 종류가 있습니다NTC 서미스터오늘날 시중에는 다양한 서미스터를 판매하고 있으므로, 용도에 맞는 서미스터를 선택하는 것은 쉽지 않은 일입니다. 서미스터는 공칭 저항값으로 표시되며, 이는 25°C에서의 공칭 저항값입니다. 따라서 10kΩ 서미스터는 25°C에서 공칭 저항이 10kΩ입니다. 서미스터의 공칭 또는 기본 저항값은 수 옴에서 10MΩ까지 다양합니다. 낮은 저항 정격(공칭 저항 10kΩ 이하)의 서미스터는 일반적으로 -50°C ~ +70°C와 같은 낮은 온도 범위를 지원합니다. 높은 저항 정격의 서미스터는 최대 300°C의 온도를 견딜 수 있습니다.
서미스터 소자는 금속 산화물로 만들어집니다. 서미스터는 볼, 방사형, SMD 형태로 제공됩니다. 서미스터 비드는 추가적인 보호를 위해 에폭시 코팅 또는 유리 캡슐화됩니다. 에폭시 코팅 볼 서미스터, 방사형 및 표면 서미스터는 최대 150°C의 온도에 적합합니다. 유리 비드 서미스터는 고온 측정에 적합합니다. 모든 유형의 코팅/패키징은 부식을 방지합니다. 일부 서미스터는 혹독한 환경에서 추가적인 보호를 위해 추가 하우징을 갖기도 합니다. 비드 서미스터는 방사형/SMD 서미스터보다 응답 시간이 빠르지만 내구성은 떨어집니다. 따라서 사용되는 서미스터 유형은 최종 응용 분야와 서미스터가 배치되는 환경에 따라 달라집니다. 서미스터의 장기 안정성은 재질, 패키징 및 설계에 따라 달라집니다. 예를 들어, 에폭시 코팅 NTC 서미스터는 연간 0.2°C씩 변화할 수 있는 반면, 밀봉형 서미스터는 연간 0.02°C만 변화합니다.
서미스터는 다양한 정확도를 제공합니다. 표준 서미스터는 일반적으로 0.5°C ~ 1.5°C의 정확도를 갖습니다. 서미스터 저항 정격과 베타 값(25°C 대 50°C/85°C 비율)에는 허용 오차가 있습니다. 서미스터의 베타 값은 제조업체마다 다릅니다. 예를 들어, 다른 제조업체의 10kΩ NTC 서미스터는 베타 값이 다릅니다. 더 정확한 시스템을 위해 Omega™ 44xxx 시리즈와 같은 서미스터를 사용할 수 있습니다. 이 시리즈는 0°C ~ 70°C의 온도 범위에서 0.1°C 또는 0.2°C의 정확도를 갖습니다. 따라서 측정 가능한 온도 범위와 해당 온도 범위에서 필요한 정확도에 따라 서미스터가 이 애플리케이션에 적합한지 여부가 결정됩니다. Omega 44xxx 시리즈의 정확도가 높을수록 비용이 높아집니다.
저항을 섭씨 온도로 변환할 때는 일반적으로 베타 값을 사용합니다. 베타 값은 두 온도 지점과 각 온도 지점의 해당 저항을 알고 있으면 구할 수 있습니다.
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 베타 값과 함께 25°C에서의 저항 허용 오차 및 베타 값 허용 오차가 명시되어 있습니다.
오메가 44xxx 시리즈와 같은 고정밀 서미스터와 고정밀 종단 솔루션은 슈타인하트-하트 방정식을 사용하여 저항을 섭씨 온도로 변환합니다. 방정식 2에는 센서 제조업체에서 제공하는 세 개의 상수 A, B, C가 필요합니다. 방정식 계수는 세 개의 온도점을 사용하여 생성되므로, 결과 방정식은 선형화로 인해 발생하는 오차(일반적으로 0.02°C)를 최소화합니다.
A, B, C는 세 개의 온도 설정점에서 파생된 상수입니다. R = 서미스터 저항(옴), T = 온도(K도)
그림 3은 센서의 전류 여기를 보여줍니다. 구동 전류는 서미스터에 인가되고, 동일한 전류는 정밀 저항에도 인가됩니다. 정밀 저항은 측정 기준점으로 사용됩니다. 기준 저항의 값은 시스템에서 측정된 최저 온도에 따라 서미스터 저항의 최대값보다 크거나 같아야 합니다.
여자 전류를 선택할 때 서미스터의 최대 저항을 다시 고려해야 합니다. 이를 통해 센서와 기준 저항의 전압이 항상 전자 장치에서 허용 가능한 수준에 있도록 보장할 수 있습니다. 계자 전류원은 어느 정도의 여유 공간이나 출력 정합이 필요합니다. 서미스터가 측정 가능한 최저 온도에서 높은 저항을 가지면 구동 전류가 매우 낮아집니다. 따라서 고온에서 서미스터에 생성되는 전압은 작습니다. 프로그래밍 가능한 이득 단계를 사용하여 이러한 저레벨 신호의 측정을 최적화할 수 있습니다. 그러나 서미스터의 신호 레벨은 온도에 따라 크게 변하기 때문에 이득을 동적으로 프로그래밍해야 합니다.
또 다른 옵션은 이득을 설정하되 동적 구동 전류를 사용하는 것입니다. 따라서 서미스터의 신호 레벨이 변함에 따라 구동 전류 값이 동적으로 변하여 서미스터에 걸리는 전압이 전자 장치의 지정된 입력 범위 내에 있도록 합니다. 사용자는 기준 저항에 걸리는 전압이 전자 장치에서 허용 가능한 수준인지 확인해야 합니다. 두 옵션 모두 전자 장치가 신호를 측정할 수 있도록 서미스터에 걸리는 전압을 높은 수준으로 제어하고 지속적으로 모니터링해야 합니다. 더 쉬운 옵션이 있을까요? 전압 여기(voltage excitation)를 고려해 보세요.
서미스터에 DC 전압을 인가하면 서미스터를 통과하는 전류는 서미스터 저항의 변화에 따라 자동으로 조절됩니다. 이제 기준 저항 대신 정밀 측정 저항을 사용하여 서미스터를 통과하는 전류를 계산하고, 이를 통해 서미스터 저항을 계산할 수 있습니다. 구동 전압이 ADC 기준 신호로도 사용되므로 이득단이 필요하지 않습니다. 프로세서는 서미스터 전압을 모니터링하고, 전자 장치가 신호 레벨을 측정할 수 있는지 확인하고, 조정해야 할 구동 이득/전류 값을 계산하는 역할을 하지 않습니다. 이 글에서는 이 방법을 사용합니다.
서미스터의 저항 정격과 저항 범위가 작은 경우, 전압 또는 전류 여자 방식을 사용할 수 있습니다. 이 경우 구동 전류와 이득을 고정할 수 있습니다. 따라서 회로는 그림 3과 같습니다. 이 방법은 센서와 기준 저항을 통해 전류를 제어할 수 있다는 점에서 편리하며, 이는 저전력 애플리케이션에 유용합니다. 또한, 서미스터의 자기 발열을 최소화합니다.
전압 여기(Voltage Excitation)는 저항 정격이 낮은 서미스터에도 사용할 수 있습니다. 하지만 사용자는 센서를 통과하는 전류가 센서 또는 애플리케이션에 비해 너무 높지 않도록 항상 확인해야 합니다.
전압 여기(Voltage Excitation)는 높은 저항 정격과 넓은 온도 범위를 가진 서미스터를 사용할 때 구현을 간소화합니다. 공칭 저항이 클수록 허용 가능한 정격 전류를 얻을 수 있습니다. 그러나 설계자는 애플리케이션에서 지원하는 전체 온도 범위에서 전류가 허용 가능한 수준인지 확인해야 합니다.
시그마-델타 ADC는 서미스터 측정 시스템 설계 시 여러 가지 이점을 제공합니다. 첫째, 시그마-델타 ADC는 아날로그 입력을 리샘플링하기 때문에 외부 필터링이 최소화되고 간단한 RC 필터만 필요합니다. 필터 유형과 출력 보오율(baud rate)을 유연하게 선택할 수 있습니다. 내장된 디지털 필터링을 사용하여 주전원 장치의 간섭을 억제할 수 있습니다. AD7124-4/AD7124-8과 같은 24비트 장치는 최대 21.7비트의 전체 분해능을 제공하므로 높은 분해능을 제공합니다.
시그마-델타 ADC를 사용하면 사양, 시스템 비용, 보드 공간, 출시 시간을 줄이는 동시에 서미스터 설계가 크게 간소화됩니다.
이 기사에서는 AD7124-4/AD7124-8을 ADC로 사용합니다. 이 제품들은 PGA, 레퍼런스, 아날로그 입력, 레퍼런스 버퍼가 내장된 저잡음, 저전류, 정밀 ADC이기 때문입니다.
구동 전류 또는 구동 전압을 사용하든, 기준 전압과 센서 전압이 동일한 구동 소스에서 발생하는 비율 계량 구성이 권장됩니다. 즉, 구동 소스의 변화가 측정 정확도에 영향을 미치지 않습니다.
그림 5는 서미스터와 정밀 저항기 RREF의 일정한 구동 전류를 보여주고 있으며, RREF 양단에 발생하는 전압은 서미스터를 측정하기 위한 기준 전압입니다.
계자 전류는 정확할 필요가 없으며, 이 구성에서는 계자 전류의 오류가 제거되므로 안정성이 떨어질 수 있습니다. 일반적으로 센서가 원격지에 있는 경우, 감도 제어가 우수하고 잡음 내성이 더 뛰어나 전압 여기 방식보다 전류 여기 방식이 선호됩니다. 이러한 유형의 바이어스 방식은 일반적으로 저항값이 낮은 RTD 또는 서미스터에 사용됩니다. 그러나 저항값과 감도가 높은 서미스터의 경우, 각 온도 변화에 따라 생성되는 신호 레벨이 더 크기 때문에 전압 여기 방식이 사용됩니다. 예를 들어, 10kΩ 서미스터는 25°C에서 10kΩ의 저항을 갖습니다. -50°C에서 NTC 서미스터의 저항은 441.117kΩ입니다. AD7124-4/AD7124-8에서 제공하는 최소 구동 전류 50µA는 441.117kΩ × 50µA = 22V를 생성하는데, 이는 너무 높으며 이 애플리케이션 영역에서 사용되는 대부분의 ADC의 작동 범위를 벗어납니다. 서미스터는 일반적으로 전자 장치에 연결되거나 그 근처에 위치하므로 구동 전류에 대한 내성이 필요하지 않습니다.
전압 분배기 회로로 직렬로 감지 저항을 추가하면 서미스터를 통과하는 전류가 최소 저항 값으로 제한됩니다. 이 구성에서 감지 저항 RSENSE의 값은 기준 온도 25°C에서 서미스터 저항 값과 같아야 하므로 출력 전압은 공칭 온도 25°C에서 기준 전압의 중간점과 같아집니다. 마찬가지로 25°C에서 저항이 10kΩ인 10kΩ 서미스터를 사용하는 경우 RSENSE는 10kΩ이어야 합니다. 온도가 변하면 NTC 서미스터의 저항도 변하고 서미스터 양단의 구동 전압 비율도 변하므로 출력 전압은 NTC 서미스터의 저항에 비례합니다.
서미스터 및/또는 RSENSE에 전원을 공급하는 데 사용된 선택된 전압 기준이 측정에 사용된 ADC 기준 전압과 일치하는 경우, 시스템은 비율 측정으로 설정되어(그림 7) 여기 관련 오류 전압 소스가 제거되도록 바이어스됩니다.
감지 저항(전압 구동)이나 기준 저항(전류 구동)은 낮은 초기 허용 오차와 낮은 드리프트를 가져야 합니다. 두 변수 모두 전체 시스템의 정확도에 영향을 미칠 수 있기 때문입니다.
여러 개의 서미스터를 사용하는 경우, 하나의 여기 전압을 사용할 수 있습니다. 그러나 그림 8과 같이 각 서미스터마다 별도의 정밀 감지 저항이 있어야 합니다. 또 다른 방법은 외부 멀티플렉서 또는 저저항 스위치를 켜진 상태로 사용하여 하나의 정밀 감지 저항을 공유하는 것입니다. 이 구성에서는 각 서미스터가 측정될 때 어느 정도의 안정화 시간이 필요합니다.
요약하자면, 서미스터 기반 온도 측정 시스템을 설계할 때는 센서 선택, 센서 배선, 부품 선택 시 발생하는 장단점, ADC 구성, 그리고 이러한 다양한 변수가 시스템의 전체 정확도에 미치는 영향 등 여러 가지 사항을 고려해야 합니다. 이 시리즈의 다음 글에서는 목표 성능을 달성하기 위해 시스템 설계와 전체 시스템 오차 범위를 최적화하는 방법을 설명합니다.