서미스터

서미스터

서미스터는 온도 변화에 노출되면 물리적 저항이 변하는 특수한 유형의 가변 저항 소자입니다.

서미스터 는 전기 저항처럼 작동하지만 온도에 민감한 고체 온도 감지 장치입니다. 서미스터는 주변 온도의 변화에 ​​따라 아날로그 출력 전압을 생성하는 데 사용될 수 있으므로 변환기라고 할 수 있습니다. 이는 열의 외부 및 물리적 변화로 인해 전기적 특성에 변화가 생기기 때문입니다.

서미스터는 기본적으로 세라믹 디스크 또는 비드로 형성된 금속화 또는 소결 연결 리드와 함께 민감한 반도체 기반 금속 산화물을 사용하여 구성된 2단자 고체 상태 열에 민감한 변환기입니다.

이를 통해 서미스터는 주변 온도의 작은 변화에 비례하여 저항 값을 변경할 수 있습니다. 즉, 온도가 변하면 저항도 변하므로 "Thermistor"라는 이름은 THERM-ally Sensitive res-ISTOR라는 단어를 조합한 것입니다.

열로 인한 저항 변화는 일반적으로 표준 저항기에서는 바람직하지 않지만 이 효과는 많은 온도 감지 회로에서 유용하게 사용될 수 있습니다. 따라서 비선형 가변 저항 장치인 서미스터는 액체와 주변 공기의 온도를 측정하는 다양한 응용 분야를 갖춘 온도 센서로 일반적으로 사용됩니다.

 

또한 매우 민감한 금속 산화물로 만들어진 고체 장치이기 때문에 가장 바깥쪽(원가) 전자가 더 활성화되어 음의 온도 계수를 생성하거나 덜 활성이 되어 서미스터의 온도에 따라 양의 온도 계수를 생성하여 분자 수준에서 작동합니다. 증가합니다.

이는 온도 특성 대비 저항이 매우 우수하여 최대 200oC 의 온도에서도 작동할 수 있음을 의미합니다 .

일반적인 서미스터

서미스터의 기본 용도는 저항성 온도 센서이지만, 다른 구성요소나 장치와 직렬로 연결하여 이를 통해 흐르는 전류를 제어할 수도 있습니다. 즉, 열에 민감한 전류 제한 장치로 사용할 수 있습니다.

서미스터는 응답 시간과 작동 온도에 따라 다양한 유형, 재료 및 크기로 제공됩니다. 또한 밀봉된 서미스터는 습기 침투로 인한 저항 판독 오류를 제거하는 동시에 높은 작동 온도와 컴팩트한 크기를 제공합니다. 가장 일반적인 세 ​​가지 유형은 비드 서미스터, 디스크 서미스터, 유리 캡슐화 서미스터입니다.

이러한 열 의존형 저항기는 온도 변화에 따라 저항값을 높이거나 낮추는 두 가지 방식 중 하나로 작동할 수 있습니다. 그런 다음 저항의 부온도 계수(NTC)와 저항의 정온도 계수(PTC)라는 두 가지 유형의 서미스터를 사용할 수 있습니다.

부온도계수 서미스터

저항 서미스터의 음의 온도 계수, 즉 줄여서 NTC 서미스터는 주변의 작동 온도가 증가함에 따라 저항 값을 감소시키거나 감소시킵니다. 일반적으로 NTC 서미스터는 온도가 중요한 역할을 하는 거의 모든 유형의 장비에 사용할 수 있으므로 가장 일반적으로 사용되는 유형의 온도 센서입니다.

NTC 온도 서미스터는 음의 전기 저항 대 온도(R/T) 관계를 갖습니다. NTC 서미스터의 상대적으로 큰 음의 응답은 온도의 작은 변화라도 전기 ​​저항에 상당한 변화를 일으킬 수 있음을 의미합니다. 따라서 정확한 온도 측정 및 제어에 이상적입니다.

앞서 서미스터는 저항이 온도에 크게 의존하는 전자 부품이므로 서미스터를 통해 일정한 전류를 보낸 다음 전압 강하를 측정하면 특정 온도에서의 저항을 결정할 수 있다고 말했습니다.

NTC 서미스터는 온도가 증가하면 저항이 감소하며 다양한 기본 저항 및 온도 곡선으로 제공됩니다. NTC 서미스터는 일반적 으로 편리한 기준점을 제공하는 실온(25oC(77oF)) 에서 의 기본 저항을 특징으로 합니다 . 예를 들어 25oC에서 2k2Ω , 25oC에서 10kΩ , 25oC 에서 47kΩ 등입니다.

서미스터의 또 다른 중요한 특성은 "B" 값입니다. B 값은 세라믹 재료를 구성하는 재료 에 따라 결정되는 재료 상수입니다. 이는 두 온도 지점 사이의 특정 온도 범위에 대한 저항성(R/T) 곡선의 기울기를 나타냅니다. 각 서미스터 재료는 재료 상수가 다르므로 저항 대 온도 곡선도 다릅니다.

따라서 B 값은 T 1 이라고 하는 첫 번째 온도 또는 기준점(보통 25oC)에서의 서미스터 저항 값을 정의 하고 T라고 하는 두 번째 온도 지점(예: 100oC)에서의 서미스터 저항 값을 정의 합니다. 2 .

 

따라서 B 값은 T 1 과 T 2 범위 사이의 서미스터 재료 상수를 정의합니다 . 이는 일반적인 NTC 서미스터 B 값이 약 3000에서 약 5000 사이인 B T1/T2 또는 B 25/100 입니다.

그러나 T 1 과 T 2 의 온도 지점 모두 0 0 C = 273.15 켈빈 인 켈빈 온도 단위로 계산됩니다 . 따라서 25oC 의 값은 25o + 273.15 = 298.15K 와 같고 , 100oC 는 100o + 273.15 = 373.15K와 같습니다 .

따라서 특정 서미스터의 B 값(제조업체 데이터시트에서 얻음)을 알면 다음 정규 방정식을 사용하여 적절한 그래프를 구성하기 위한 온도 대 저항 표를 생성할 수 있습니다.

서미스터 방정식

• 어디:
• T 1 은 켈빈의 첫 번째 온도 지점입니다.
• T 2 는 켈빈 단위의 두 번째 온도점입니다.
• R 1 은 온도 T1에서의 서미스터 저항(옴)입니다.
• R 2 는 온도 T2에서의 서미스터 저항(옴 단위)입니다.

서미스터 예 No1

10kΩ NTC 서미스터는 25oC 와 100oC 의 온도 범위 사이에서 3455의 "B" 값을 갖습니다. 25oC 와 100oC에서 저항 값을 다시 계산 합니다.

주어진 데이터: 25o 에서 B = 3455, R1 = 10kΩ . 온도 단위를 섭씨( oC )에서 켈빈(Kelvin)도로 변환하려면 수학 상수 273.15를 추가하세요.

R1 값은 이미 10kΩ 기본 저항으로 제공되므로 100oC에서 R2 값은 다음 과 같이 계산됩니다.

다음과 같은 두 가지 점 특성 그래프를 제공합니다.

이 간단한 예에서는 두 개의 점만 발견되었지만 일반적으로 서미스터는 온도 변화에 따라 저항을 기하급수적으로 변경하므로 특성 곡선이 비선형이므로 더 많은 온도 점을 계산할수록 곡선이 더 정확해집니다.

온도( ℃ )	10	20	25	30	40	50	60	70	80	90	100	110	120
저항(Ω)	18476	12185	10000	8260	5740	4080	2960	2188	1645년	1257	973	765	608

B 값이 3455인 10kΩ NTC 서미스터에 대한 보다 정확한 특성 곡선을 제공하기 위해 이러한 점을 그림과 같이 플롯할 수 있습니다.

NTC 서미스터 특성 곡선

NTC(음의 온도 계수)가 있습니다. 즉, 온도가 증가하면 저항이 감소합니다.

서미스터를 사용하여 온도 측정.

그러면 서미스터를 사용하여 온도를 측정하는 방법은 무엇입니까? 이제 우리는 서미스터가 저항성 장치이므로 옴의 법칙에 따라 서미스터에 전류를 흘려보내면 전압 강하가 발생한다는 사실을 깨닫게 되기를 바랍니다. 서미스터는 수동형 센서이므로 작동하려면 여기 신호가 필요하므로 온도 변화로 인한 저항 변화는 전압 변화로 변환될 수 있습니다.

이를 수행하는 가장 간단한 방법은 그림과 같이 서미스터를 전위 분배 회로의 일부로 사용하는 것입니다. 저항기 및 서미스터 직렬 회로에 일정한 공급 전압이 적용되고 서미스터 전체에서 출력 전압이 측정됩니다.

예를 들어 10kΩ의 직렬 저항이 있는 10kΩ 서미스터를 사용하는 경우 기본 온도 25oC에서의 출력 전압은 10Ω /(10Ω+10Ω) = 0.5로서 공급 전압의 절반이 됩니다.

온도 변화로 인해 서미스터의 저항이 변하면 서미스터 양단의 공급 전압 비율도 변경되어 출력 단자 사이의 총 직렬 저항 비율에 비례하는 출력 전압을 생성합니다.

따라서 전위 분배기 회로는 서미스터의 저항이 온도에 의해 제어되고 생성된 출력 전압이 온도에 비례하는 간단한 저항-전압 변환기의 예입니다. 따라서 서미스터가 뜨거워질수록 출력 전압은 낮아집니다.

직렬 저항 R S 와 서미스터 R TH 의 위치를 ​​바꾸면 출력 전압은 반대 방향으로 변경됩니다. 즉, 서미스터가 뜨거워질수록 출력 전압도 높아집니다.

그림과 같이 브리지 회로를 사용하여 기본 온도 감지 구성의 일부로 NTC 서미스터를 사용할 수 있습니다. 저항기 R 1 과 R 2 사이의 관계는 기준 전압 V REF 를 필요한 값으로 설정합니다. 예를 들어, R 1 과 R 2 의 저항값이 모두 동일한 경우 기준 전압은 이전과 같이 공급 전압의 절반과 같습니다. 그것은 Vs/2이다.

온도와 그에 따른 서미스터의 저항 값이 변경됨에 따라 VTH 의 전압 도 V REF 의 전압보다 높거나 낮아져 연결된 증폭기에 양 또는 음의 출력 신호를 생성합니다.

이 기본 온도 감지 브리지 회로에 사용되는 증폭기 회로는 고감도 및 증폭을 위한 차동 증폭기 또는 ON-OFF 스위칭을 위한 간단한 슈미트 트리거 회로로 작동할 수 있습니다.

이러한 방식으로 서미스터를 통해 전류를 전달할 때의 문제점은 서미스터가 자체 발열 효과라고 불리는 현상을 경험한다는 것입니다. 즉, I 2 *R 전력 손실은 서미스터가 소산할 수 있는 것보다 더 많은 열을 생성할 만큼 충분히 높을 수 있습니다. 저항값에 영향을 미쳐 잘못된 결과를 낳습니다.

따라서 서미스터를 통과하는 전류가 너무 높으면 전력 손실이 증가하고 온도가 증가함에 따라 저항이 감소하여 더 많은 전류가 흘러 온도가 더욱 증가하여 열폭주라고 알려진 현상이 발생할 수 있습니다 . 즉, 우리는 자체적으로 가열되는 것이 아니라 측정되는 외부 온도로 인해 서미스터가 뜨거워지기를 원합니다.

위의 직렬 저항기 R S 값은 서미스터가 사용될 것으로 예상되는 온도 범위에 걸쳐 합리적으로 넓은 응답을 제공하는 동시에 최고 온도에서 전류를 안전한 값으로 제한하도록 선택해야 합니다. .

이를 개선하고 온도(R/T)에 대한 저항의 보다 정확한 변환을 갖는 한 가지 방법은 정전류 소스로 서미스터를 구동하는 것입니다. 저항의 변화는 생성된 출력 전압 강하를 측정하기 위해 서미스터를 통과하는 작고 측정된 직류(DC)를 사용하여 측정할 수 있습니다.

돌입 전류 억제에 사용되는 서미스터

여기서는 서미스터가 온도에 민감한 저항 변환기로 사용된다는 점을 확인했습니다. 그러나 서미스터의 저항은 외부 온도 변화나 서미스터를 통과하는 전류로 인한 온도 변화에 의해 변경될 수 있습니다. 결국 서미스터는 저항성 장치이기 때문입니다. .

옴의 법칙에 따르면 전류가 저항 R을 통과할 때 인가된 전압의 결과로 I 2 *R 가열 효과로 인해 전력이 열의 형태로 소비됩니다. 서미스터 전류의 자체 발열 효과로 인해 서미스터는 전류 변화에 따라 저항을 변경할 수 있습니다.

모터, 변압기, 안정기 조명 등과 같은 유도성 전기 장비는 처음 "ON" 상태일 때 과도한 돌입 전류로 인해 어려움을 겪습니다. 그러나 직렬 연결된 서미스터를 사용하면 높은 초기 전류를 안전한 값으로 효과적으로 제한할 수도 있습니다. 이러한 전류 조정에는 일반적 으로 낮은 내한성(25oC)을 갖는 NTC 서미스터가 사용 됩니다.

돌입 전류 제한 서미스터

돌입 전류 억제기와 서지 제한기는 통과하는 부하 전류에 의해 가열됨에 따라 저항이 매우 낮은 값으로 떨어지는 직렬 연결된 서미스터 유형입니다. 초기 턴온 시 서미스터의 저온 저항 값(기본 저항)은 부하에 대한 초기 돌입 전류를 제어하는 ​​데 상당히 높습니다.

부하 전류의 결과로 서미스터는 가열되고 저항을 상대적으로 천천히 감소시키며 소비되는 전력은 부하 전체에 적용되는 전압의 대부분으로 낮은 저항 값을 유지하기에 충분합니다.

질량의 열 관성으로 인해 이 가열 효과는 부하 전류가 순간적으로 증가하는 것이 아니라 점진적으로 증가하는 데 몇 초가 걸리므로 높은 돌입 전류가 제한되고 그에 따라 끌어오는 전력이 감소합니다. 이러한 열 작용으로 인해 돌입 전류 억제 서미스터는 낮은 저항 상태에서 매우 뜨겁게 작동할 수 있습니다. 따라서 전원이 제거되면 냉각 또는 복구 기간이 필요하므로 NTC 서미스터의 저항이 다음 번 필요할 때를 대비하여 충분히 복구될 수 있습니다.

전류 제한 서미스터의 응답 속도는 시간 상수로 표시됩니다. 즉, 저항이 전체 변화의 63%(즉, 1에서 1/ε)만큼 변경되는 데 걸리는 시간입니다. 예를 들어 주변 온도가 0에서 100oC로 변한다고 가정하면 63 % 시상수는 서미스터가 63oC에서 저항 값을 갖는 데 걸리는 시간이 됩니다 .

NTC 서미스터는 바람직하지 않은 높은 돌입 전류로부터 보호하는 동시에 부하에 전력을 공급하는 연속 작동 중에 저항이 무시할 정도로 낮게 유지됩니다. 여기서 장점은 동일한 전력 소비로 표준 고정 전류 제한 저항기보다 훨씬 높은 돌입 전류를 효과적으로 처리할 수 있다는 것입니다.

서미스터 요약

우리는 서미스터에 대한 이 튜토리얼에서 서미스터가 주변 주변 온도의 변화에 ​​따라 저항 값을 변경할 수 있는 2단자 저항 변환기라는 것을 살펴보았습니다. 따라서 이름은 열 저항기 또는 간단히 "서미스터"입니다.

서미스터는 반도체 금속 산화물을 사용하여 제작된 저렴하고 쉽게 구할 수 있는 온도 센서입니다. 저항의 부온도계수(NTC) 또는 저항의 정온도계수(PTC)와 함께 사용할 수 있습니다. 차이점은 NTC 서미스터는 온도가 증가함에 따라 저항을 감소시키는 반면, PTC 서미스터는 온도가 증가함에 따라 저항을 증가시킨다는 것입니다.

NTC 서미스터는 가장 일반적으로 사용되며(특히 10KΩ NTC 서미스터) 추가 직렬 저항과 함께 RS는 간단한 전위 분배기 회로의 일부로 사용될 수 있습니다. 따라서 온도 변화로 인한 저항 변화는 온도 관련 출력 전압을 생성합니다.

그러나 자체 발열 효과를 줄이려면 서미스터의 작동 전류를 가능한 한 낮게 유지해야 합니다. 작동 전류가 너무 높으면 소비되는 것보다 더 빨리 가열되어 잘못된 결과가 발생할 수 있습니다.

서미스터는 기본 저항과 "B" 값이 특징입니다. 기본 저항(예: 10kΩ)은 주어진 온도(보통 25oC )에서 서미스터의 저항이므로 다음과 같이 정의됩니다. R 25 . B 값은 온도(R/T)에 따른 저항 곡선의 기울기 모양을 설명하는 고정된 재료 상수입니다.

우리는 또한 서미스터가 외부 온도를 측정하는 데 사용될 뿐만 아니라 서미스터를 통해 흐르는 전류로 인해 발생하는 I 2 R 가열 효과의 결과로 전류를 제어하는 ​​데에도 사용될 수 있음을 확인했습니다. NTC 서미스터를 부하와 직렬로 연결하면 높은 돌입 전류를 효과적으로 제한할 수 있습니다.