음의 온도 계수란 무엇입니까?
음의 온도 계수 , 또는 간단히 NTC는 다양한 전기 및 전자 부품의 열적 거동을 결정하는 데 중요한 역할을 합니다. 서미스터, 증폭기 및 반도체와 같은 부품입니다. 전자 시스템을 열적 고장으로부터 안전하게 유지하는 데 도움이 되는 기본 구성 요소로 사용할 수 있는 여러 유형의 온도 센서가 있습니다.
온도 계수 (TC) 라는 용어는 특정 재료의 물리적 값이 본체의 직접적인 변화 또는 주변 주변 온도의 간접적인 변화로 인해 변하는 특성을 말합니다. 즉, 재료나 구성 요소가 더 뜨거워지거나(또는 더 차가워짐) 값이 변하므로 모든 온도에서 일정하지 않습니다.
대부분의 전류 전도성 재료의 저항 값은 정상 온도 범위에서 작동할 때 거의 선형적으로 증가합니다. 그러나 온도가 증가함에 따라 저항 값이 감소하는 일부 전해질과 반도체 재료가 있습니다. 즉, 더 뜨거워질수록 저항이 감소하고 전류 흐름에 대한 저항이 줄어듭니다.
2.5Ω, 20mm NTC 서미스터
저항의 온도 계수 , α ( 그리스 문자 알파)는 일반적으로 온도 변화에 따라 재료의 저항이 얼마나 증가하거나 감소하는지를 나타내는 데 사용됩니다.
예를 들어, α의 양수 값은 온도에 따라 저항이 증가하여 "양의 온도 계수"(PTC)를 제공한다는 것을 의미합니다. 반면 α의 음수 값은 온도에 따라 저항이 감소하여 "음의 온도 계수"(NTC)를 제공한다는 것을 의미합니다.
그러나 어떤 재료가 NTC 또는 PTC 온도 계수를 가질 수 있더라도 고정 저항기와 마찬가지로 옴의 법칙을 따릅니다. 다만 저항 값은 노출되는 온도에 따라 달라집니다.
양수 또는 음수 온도 계수와 더불어 콘스탄탄 과 같은 일부 금속 합금은 α 값이 0이므로 온도에 따라 값이 변하지 않습니다. 일부 재료의 물리적 특성은 매우 약간 변할 수 있지만 다른 재료는 온도 변화에 따라 물리적 값이 극적으로 변합니다.
저항 온도 계수 (TCR) 에 대해 주어진 일반화된 공식은 재료의 저항이 온도에 따라 어떻게 변하는지 설명합니다. 다음과 같이 표현됩니다.
저항 온도 계수 공식
R(T) = R 0 + R 0 (α∆T)
또는
R(T) = R 0 (1 + α(T – T 0 )
어디:
- R (T) 는 주어진 온도(T)에서의 저항값(옴)입니다.
- R 0 는 기준 온도(일반적으로 20 o C) 에서의 초기 값(옴)입니다.
- α는 20 o C 에서 재료의 저항 온도 계수 (Ω/ o C) 입니다.
- ∆T는 20 o C 이상 에서 의 온도 차이입니다 .
NTC 작업 예제 No1
구리선 코일은 20 o C에서 초기 저항이 25Ω입니다. 이것을 140 o C 까지 가열하면 저항 값은 얼마입니까?
구리선의 온도 계수는 다음과 같이 정의됩니다. α = 0.00393 Ω/ o C (여기서는 0.004로 가정)
온도 차이는 다음과 같습니다. ∆T = 140 o C – 20 o C = 120 o C
그런 다음 위의 공식을 사용하면 140 o C 에서 구리 코일의 저항은 다음 과 같습니다.
R = 25(1 + 0.004(140 – 20) = 37Ω
따라서 구리선 코일은 저항을 12Ω만큼 증가시켰습니다. 원래 값인 25Ω에서 48% 증가했습니다.
다음 그래프를 통해 코일 저항의 증가를 나타낼 수 있습니다.
온도에 따른 저항 변화
원한다면 다음과 같이 구리 코일이 0℃로 냉각되었을 때의 저항을 계산할 수도 있습니다 .
R = 25(1 + 0.004(0 – 20) = 23Ω
그러면 와이어 코일을 0 o C에서 140 o C로 가열하면 실온에서 저항 값이 25 o C 일 때 저항이 23Ω에서 37Ω으로 증가하는 것을 알 수 있습니다 . 따라서 이 예에서 코일은 양의 온도 계수를 갖습니다.
그래프의 기울기 값을 알면 저항의 온도 계수(α)를 다음과 같이 계산할 수 있으므로 모든 온도에서 재료의 저항을 계산할 수 있습니다.
저항 변화의 온도 계수
여기서 저항 R 1은 온도 T 1 에서 주어집니다 .
다양한 구성 요소의 온도 계수는 크기와 부호가 다를 수도 있습니다. 예를 들어, 구성 요소의 초기 값은 20 o C 실내 온도에서 주어지지만 주변 기온이 변함에 따라 양만큼 변하여 작동에 영향을 미칠 수 있습니다.
일반적으로 전자 부품의 온도 계수는 온도 상승에 따른 옴 당 원래 저항의 증가로, 섭씨( oC ) 의 1도 변화당 백만 분의 1(ppm)로 표시됩니다 . 예를 들어 100ppm/ oC 입니다 .
음의 온도 계수 서미스터
NTC 소재의 가장 일반적인 응용 분야 중 하나는 2단자 "NTC 서미스터"입니다. 서미스터 는 Therm al Res istor 에서 파생된 합성어로 , 이름에서 알 수 있듯이 온도가 상승함에 따라 저항이 상당히 감소하는 온도에 민감한 저항기입니다. 즉, 음의 온도 계수(NTC)를 갖습니다.
열에 민감한 서미스터 는 일반적으로 신체 온도의 변화를 전기 저항으로 변환하는 반도체 소재로 만들어지며 온도 감지, 제어 시스템 및 보호 회로에 널리 사용됩니다. 이러한 작은 비드 유형 장치는 매우 정확하고 신뢰할 수 있는 온도 측정을 제공합니다. 일반적으로 NTC 서미스터는 낮은 비용, 빠른 응답 및 작은 온도 변화에 대한 민감성으로 인해 다른 온도 센서(RTD 또는 열전대 등)보다 선호됩니다.
NTC 서미스터 기호
일반적으로 NTC 서미스터는 실온, 즉 25 o C(77 o F)에서 중심 저항을 중심으로 약 ±50 o C 정도 의 지정된 온도 범위 내에서 높은 정밀도를 달성하도록 설계되었습니다 . 이 범위를 벗어나면 정확도가 떨어지거나 재료가 예상과 다르게 동작할 수 있습니다.
또한 NTC 서미스터의 저항 특성은 선형이 아니지만 포인트 또는 곡선 매칭이 가능합니다. 포인트 매칭 NTC 서미스터는 특정 온도 지점에서 보장된 허용 오차를 갖도록 설계되었습니다. 예를 들어, 한 지점의 온도가 주요 관심사인 경우 0 o C, 25 o C, 100 o C 등입니다.
예를 들어 -50~150 o C 와 같이 더 넓은 범위의 온도를 측정해야 하는 경우 커브 매칭 서미스터를 사용할 수 있습니다. 커브 매칭 서미스터는 온도에 대한 저항의 변화가 더 넓다는 점에 유의하세요. 특정 온도에서의 저항 값은 NTC 서미스터 제조업체마다 다릅니다.
서미스터의 저항 값은 또한 구성 요소를 통해 흐르는 전류로 인해 발생하는 온도 변화에 따라 변할 수 있습니다. 회로 또는 구성 요소와 직렬로 연결되면 전류 제한 장치로 작동합니다.
NTC 서미스터는 높은 초기 저항을 가지고 있어 갑작스러운 과도 전류나 돌입 전류 변화를 제한합니다. 가열되면 저항이 떨어져 전류 흐름과 전력 소모를 제어합니다. 이 자체 가열 효과는 몇 초가 걸리며 그 동안 전류는 순간적으로가 아니라 점진적으로 증가합니다.
NTC 서미스터 표시
NTC 서미스터에는 종종 저항 값, 허용 오차, 때로는 제조업체 코드와 같이 특성을 식별하는 데 도움이 되는 특정 표시가 있습니다. 이러한 코드 표시는 제조업체와 서미스터 크기에 따라 다를 수 있지만 NTC 서미스터 표시를 식별하는 몇 가지 일반적인 방법은 다음과 같습니다.
1. 저항값 표시
특정 온도(일반적으로 25oC)에서의 저항 값은 일반적 으로 옴(Ω), 킬로옴(kΩ), 메가옴(MΩ)으로 표시됩니다.
2. 직경
직경은 종종 서미스터의 모델 번호 또는 부품 번호와 연관되며, 이는 서미스터 본체에 인쇄될 수 있습니다. 예를 들어, 디스크형 NTC 서미스터(예: NTC 10D-9)는 직경이 9mm이고, 여기서 "10D-9"는 9mm 직경에 해당하는 저항 값과 물리적 크기를 나타냅니다. 서미스터 직경은 종종 모델 번호 또는 부품 번호와 연관됩니다.
3. 리드의 물리적 형태
디스크 서미스터와 비드 서미스터는 크기, 모양 또는 리드 유형과 같은 고유한 물리적 특성을 가질 수 있습니다. 직접적인 표시는 아니지만 물리적 외관은 서미스터 유형을 식별하는 데 도움이 될 수 있습니다.
음의 온도 계수 서미스터를 완벽하게 식별하려면 제조업체의 데이터시트에 있는 숫자 코드, 허용 오차 값 또는 제조업체 부품 번호를 사용하여 온도 범위, 다양한 온도에서의 정확한 저항 및 허용 오차 등급과 같은 세부 정보를 확인할 수 있습니다.
일반적인 NTC 서미스터 표시
서미스터 표시
| 엔티씨씨 | NTC 서미스터 |
| 2.5 | 2.5Ω 정격 저항 |
| 디 | 디스크형 장치 |
| 20 | 20mm 직경 |
따라서 주어진 NTC 서미스터 예는 실온에서 저항값이 2.5Ω인 직경 20mm 디스크형 서미스터입니다.
음의 온도 계수 서미스터 곡선
커브 매칭 서미스터는 실온 25oC에서 저항 값이 특징입니다. 그러나 다른 센서와 달리 NTC 서미스터는 비선형 장치입니다. 즉, 저항과 온도 간의 관계를 나타내는 그래프의 점이 직선을 형성하지 않고 다음과 같이 보입니다.
비선형 NTC 서미스터 곡선
분명히 선의 기울기와 변화 정도는 서미스터의 종류와 구조에 따라 결정됩니다.
온도를 전압으로 변환
NTC 서미스터를 사용하여 온도를 전압으로 변환하는 것은 일반적으로 전압 분배기 회로를 만드는 것을 포함합니다. 이 회로는 서미스터의 변화하는 저항(온도에 따라 다름)을 아날로그-디지털 변환기(ADC) 또는 기타 측정 장치에서 읽을 수 있는 해당 전압으로 변환합니다.
저항을 통과하는 전류는 항상 전압 강하를 생성하므로 고정된 외부 여기 전압과 직렬로 연결된 NTC 서미스터와 고정 값의 저항을 사용하여 표시된 대로 출력 전압을 생성할 수 있습니다.
NTC 서미스터 전압 분배기 구성
온도가 변하면 NTC 서미스터의 저항이 변하고, 이로 인해 고정 저항기에서 강하되는 출력 전압이 달라집니다.
서미스터(또는 측정 위치에 따라 고정 저항기)에서 출력 전압(V TEMP )을 측정한 후, 마이크로컨트롤러(예: Arduino, Raspberry Pi 등)의 아날로그 입력 핀이나 직접 판독을 위한 전압계를 통해 읽을 수 있습니다.
전압-온도 변환의 감도를 최대화하려면 예상 온도 범위에서 서미스터의 저항에 가까운 값을 가진 고정 저항을 선택하세요. 예를 들어, 서미스터의 저항이 25oC에서 10kΩ인 경우 10kΩ 의 고정 저항은 해당 온도에서 좋은 반응을 제공합니다.
앞서 언급했듯이 NTC 서미스터의 저항과 온도 사이의 관계는 비선형적이므로 연산 증폭기와 같은 선형화 회로가 필요하여 선형 출력 전압을 생성합니다.
NTC 작업 예제 No2
베타 계수가 3950인 1kΩ NTC 서미스터가 12V 전원을 통해 1kΩ 고정 저항과 직렬로 연결되어 10oC~100oC의 온도 범위를 측정합니다. 37oC 의 온도 에서 서미스터에 걸리는 전압 강하를 계산합니다 .
37 o C 의 온도에서 서미스터의 저항
어디:
- R 0 는 기준 온도 25 o C 에서의 서미스터의 저항입니다.
- T는 서미스터의 저항을 측정하는 온도이며 켈빈(K)으로 표현됩니다. T = T( o C) + 273.15
- T 0 는 켈빈 단위의 기준 온도입니다(일반적으로 25oC 의 경우 298.15K ).
- 서미스터의 B값(베타 계수)은 3950으로 주어집니다.
따라서 37 o C 의 온도에서 서미스터에 걸리는 전압 강하는 다음과 같습니다.
음의 온도 계수 요약
이 음의 온도 계수 튜토리얼 에서 우리는 재료와 구성 요소가 가열되거나 냉각될 때 물리적 값이 변할 수 있다는 것을 보았습니다 . 재료의 저항이 온도 변화에 따라 변하는 속도를 재료의 "온도 계수"라고 하며 일반적으로 그리스 문자 알파(α)로 지정됩니다.
음의 온도 계수 또는 (NTC) 라는 용어는 온도가 증가함에 따라 저항이 감소하는 특정 재료의 특성을 나타냅니다. 양의 온도 계수(PTC) 재료의 경우 온도가 상승함에 따라 저항이 증가합니다.
NTC 소재의 가장 일반적인 응용 분야 중 하나는 NTC 서미스터입니다. 서미스터는 일반적으로 온도 변화에 따라 저항이 매우 빠르게 변하는 반도체 소재로 만들어진 열에 민감한 수동 소자 입니다 . 따라서 자동차 온도 센서와 같은 온도 조절 장치 및 가전제품에서 흔히 볼 수 있습니다.
따라서 음의 온도 계수(NTC) 개념은 일상적인 기술과 전문적인 산업 응용 분야에서 모두 중요한 역할을 하며 온도를 모니터링하고 제어하는 안정적이고 비용 효율적인 방법을 제공합니다. 음의 온도 계수 센서가 어떻게 작동하는지, 어디에 적용할 수 있는지 이해하는 것은 전자 설계 또는 열 관리에 관여하는 모든 사람에게 필수적입니다.