NTC를 정확하게 활용하는 방법
안녕하세요.
Edward입니다.
이번에는 정확하게 NTC를 어떻게 다뤄야 할지 알아보려고 합니다.
해당 내용은 NTC에 대해서 먼저 선행 학습이 필요할 수 있어요.
NTC에 대해서 먼저 알고 싶다면, 아래 링크를 참고해주세요 ^^
[전자회로 심화 1-4] NTC 써미스터 완벽 이해
아시다시피 NTC의 의미는 온도(T)가 올라가면 저항값이 내려(N) 가는 온도센서란 의미입니다.
그리고 NTC의 10k(=103)은 25℃일 때 저항값을 의미합니다. 25℃일 때의 저항값만 따지면 DSC103과 NTC10k는 같은 의미입니다.
하지만 온도센서의 경우 또 하나의 변수가 있는데, 온도에 따른 "저항값 변화율"입니다.
저항값 변화율은 25℃저항값에 대한 85℃일 때 저항값의 비율로 나타내는데, 이를 B상수라고 합니다.
즉, 이 값에 따라 저항의 변화값이 달라지죠. 이 부분은 각 서미스터의 특성 표를 찾아봐야 정확히 알 수 있습니다.
대부분의 NTC 회사들은 저항-온도 테이블을 보유하고 있습니다.
우리는 저항-온도 테이블을 이용해서 사용하기만 하면 됩니다.
사실 어떤 온도 센서가 괜찮은지 잘 모르잖아요??
아무리 괜찮은 온도센서라도 양산성이 떨어지거나 가격이 비싸다면 사용하지 못하잖아요..
그래서 자, 지금부터는 온도 센서에 대한 전반적인 설명을 이어나갈 거예요.
온도 센서에는 다음과 같은 성능이 요구됩니다.
- 신뢰성이 높고 튼튼하며 견고해야 한다.
- 감도가 높고 증폭 회로 등이 없어도 기능하는 성능을 갖고 있어야 한다.
- 소형이어야 하며, 응답성이 빨라 온도를 재빨리 감지하는 성능을 갖고 있어야 한다.
- 진동, 충격에 강해야 한다.
- 종류가 많고 다양한 온도센서로 가공할 수 있어야 한다.
- 저렴해야 한다.
온도 센서 중에 열전쌍이나 측온 저항체(백금)는 고온까지 온도를 측정할 수 있는 온도센서가 있어요. 하지만 온도 계수가 작고 증폭 회로 등의 부가 회로가 필요하고 비싸요.
그래서 열전쌍이나 측온 저항체는 NTC로 대응할 수 없는 높은 온도를 감지하기 위한 용도로 사용되거든요.
그리고 NTC는 마이너스 온도 계수가 크다는 장점이 있지만, 온도 특성이 리니어 하지 않다는 것이 단점이에요.
하지만 그래도 NTC는 위 6가지의 성능을 모두 갖추고 있어서 다양하게 많이 사용되고 있어요.
크게 자동차, 가전제품, 배터리, OA기기, 의료, 산업기기 측에 많이 사용되고 있어요.
NTC의 온도 범위는 대략 -50 ~ 400℃이며, 대략 2k ~ 5000k 정도의 값이 많이 사용돼요.
그러다 보니 NTC의 단점이 좀 더 나타나게 되는데요.
- 측정 온도 범위가 좁음(-100 ~ 500℃)
- 고온 영역에서 측정 불가능 (300℃까지)
- 변화율이 비 직선적이다. (리니어 하지 않다.)
다시 한번 말하면, NTC는 온도를 계측하는 용도로 많이 사용해요.
사실 PTC는 과전류 보호 목적으로 사용되고, CTR은 일부 특수용도로 사용되고 있죠.
좀 더 깊게 말씀드리면, NTC는 마이너스 계수를 가지고, PTC는 양의 계수를 가져요. 그리고 CTR은 NTC와 유사하지만 특정 온도 범위에서 갑자기 저항치가 감소해요.
아래 이미지는 온도 특성에 대한 그래프를 나타내 주고 있어요.
NTC가 좀 더 완만하게 곡선을 이루고 있는 게 보이시나요?? ㅎㅎ
NTC의 저항은 다음과 같은 수식으로 알 수 있어요.
R = R0*exp(B(1/T - 1/T0))
R, R0는 주위 온도 T, T0의 저항 값입니다. B는 서미스터 상수라고 불리며, 반도체 재료의 활성화 에너지인 △E와 볼츠만 상수 k를 이용해서 B=△E/2k로 표현됩니다.
이런 게 있다 정도만 짚고 넘어가면 될 거 같아요.
이거까지 계산한다면 정말 머리 아픕니다.. 제가 위에서 설명드렸다시피, 요새는 NTC 회사들이 B 상수 값과 저항 Table도 제공합니다. 그러면 우리는 저항 Table을 이용해서 사용하기만 하면 돼요.
위에서 말했다시피 NTC는 전기적 특성의 직신 성의 나쁘다는 것이 결점인데, MCU가 많이 발전하면서 NTC를 많이 사용하게 되었어요.
그 이유는 MCU를 이용해서 NTC의 데이터를 지속적으로 저장하면서 고정밀도 온도 계측이 가능해진 거죠.
실제로 이와 같은 방식으로 사용되고 있는데요. 온도를 1초 안에 100 ~ 200번 읽어서 평균치로 값을 환산하는 거예요. 그러면 직진성이 나쁘다는 단점을 보완할 수 있습니다. 그래서 NTC가 다른 센서에 비해서 가장 사용하기 쉬운 센서가 되었어요.
약 ±0.1%의 고정밀도로 표현할 수 있어요.
NTC와 MCU를 함께 사용하는 방법은 위 회로와 같이 저항 분압을 이용해서 많이 사용해요. 전압 Vcc는 대략 3.3V, 5V를 많이 사용해요.
NTC는 전압 인가에 따라서 전류가 흐르면서 자기 발열을 해요. 그래서 자기 발열을 충분히 무시할 수 있는 전압으로 선정하는데요. 불안하면 3V ~ 5V로 설정하면 됩니다.
NTC로부터 온도를 계측할 때, NTC단자 간의 전압을 MCU의 ADC로 계측하여 사용할 수 있어요.
그리고 노이즈의 영향을 줄이기 위해서 NTC와 병렬로 콘덴서를 부착하면 더 좋아요.
콘덴서의 용량은 대략 0.1uF ~ 수 uF를 사용하면 됩니다.
위에서 설명드렸지만, NTC의 특성은 온도에 대해 Linear로 변화하지 않아요.
여기서는 리니어 라이즈라는 개념을 설명드릴 텐데요.
리니어 라이즈란, "센서로부터 수신하는 비 직선형 신호를 직선형 신호로 교정하는 것"을 말해요.
만약 NTC를 전자 체온계 같은 온도의 범위가 좁은 Application으로 사용할 경우에는 "리니어 라이즈"가 필요 없어요.
근데 온도 범위가 넓은 Application에 NTC를 사용할 경우에는 리니어 라이즈가 필요합니다.
통상 온도를 계측하기 위해서는 NTC와 MCU를 이용해서 온도를 전기 신호로 변환해서 확인하겠죠??
이때 계측하는 전기신호는 온도 변화와 직선적으로 비례하지 않아요.
분명 계측하는 전압에 따라서 온도를 매칭 해놓는데, 측정 시마다 그대로 사용하게 된다면, 그래프가 굉장히 복잡해집니다.
그래서 이런 계측된 것을 직선 화해서 보기 위해 리니어 라이즈를 사용합니다.
대충 리니어 라이즈는 온도를 계측할 때, 측정하는 계측 온도 범위를 결정하고 리니어 라이즈 하는 저항 R을 구할 수 있는데요.
R = RM(RL+RH)-2RL*RH / (RL+RH)-2RM
RL(최저 온도 저항 값) = 27.12
RM(중간 온도 저항 값) = 8.354
RH(최고 온도 저항값) = 3.182
R = 8.354(27.12+3.182)-2(27.12*3.182) / (27.12*3.182)-2*8.354 = 86.006/13.594 = 6.326k
MCU의 메모리에 리니어 라이즈 후의 전압 데이터를 저장하고 이를 계산하면서 정확한 온도 계측이 가능해져요. 온도 범위는 0 ~ 60c이며, 60c면 저항 하나로 계측 가능합니다.
다음 시간에는 실제로 NTC 회사에서 제공하는 RT table을 이용해서 MCU와 어떻게 사용할 수 있는지,
계산 방법을 알아볼게요. (아래 링크 클릭)
NTC 온도 테이블 제대로 활용하기
- 참고문헌
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