추운 겨울 아침에 자동차 엔진이 자동으로 연료 분사를 조절하여 부드러운 시동을 걸거나, 무더운 여름날 스마트폰이 과열을 방지하기 위해 화면 밝기를 지능적으로 낮추는 것을 상상해 보세요. 이러한 겉보기에는 평범한 기능들은 중요한 전자 부품인 NTC 서미스터에 의존합니다. 보이지 않는 수호자 역할을 하며 온도 감지 및 회로 보호에 중요한 역할을 합니다.

NTC는 "Negative Temperature Coefficient(음의 온도 계수)"의 약자입니다. NTC 서미스터는 온도가 상승함에 따라 저항이 감소하는 저항기입니다. 이러한 고유한 특성으로 인해 온도 감지 및 전류 제한에 이상적입니다. 실리콘 온도 센서 및 저항 온도 감지기(RTD)에 비해 NTC 서미스터는 약 5~10배 더 높은 온도 감도 계수를 제공하여 온도 변화에 더 빠르고 정확하게 반응할 수 있습니다.

일반적으로 NTC 센서는 -55°C ~ +200°C의 온도 범위 내에서 작동합니다. 초기 NTC 저항기는 비선형 저항-온도 관계로 인해 아날로그 회로에서 정확한 온도 측정을 복잡하게 만드는 어려움에 직면했습니다. 그러나 디지털 회로의 발전으로 보간 룩업 테이블 또는 일반적인 NTC 곡선을 근사하는 방정식으로 이 문제가 해결되었습니다.

금속으로 만들어진 RTD와 달리 NTC 서미스터는 일반적으로 세라믹 또는 폴리머로 구성됩니다. 다양한 재료는 뚜렷한 온도 응답 및 성능 특성을 부여합니다.

• 온도 응답: 대부분의 NTC 서미스터는 -55°C ~ 200°C에 최적화되어 이 범위 내에서 가장 정확한 판독값을 제공합니다. 특수 변형은 절대 영도(-273.15°C) 근처 또는 150°C를 초과하는 환경에서 작동할 수 있습니다.
• 온도 감도: "% change per °C" 또는 "% change per Kelvin"으로 표현되며, NTC 센서는 일반적으로 재료 및 제조 공정에 따라 -3% ~ -6% /°C 사이의 값을 나타냅니다.
• 다른 센서와의 비교: NTC 서미스터는 크기, 응답 속도, 충격 저항 및 비용 측면에서 백금 RTD보다 뛰어납니다. RTD보다 약간 덜 정확하지만 열전쌍과 정밀도가 일치합니다. 그러나 열전쌍은 고온 응용 분야(최대 600°C)에서 뛰어납니다. 저온에서 NTC 서미스터는 최소한의 추가 회로로 뛰어난 감도, 안정성 및 정확성을 제공합니다.
• 자가 발열 효과: NTC 서미스터를 통한 전류 흐름은 열을 발생시켜 측정 정확도에 영향을 미칩니다. 이 효과는 전류 크기, 환경 조건(액체/가스, 흐름 존재), 온도 계수 및 표면적에 따라 달라집니다. 이 특성은 탱크 센서와 같은 액체 감지기에 자주 활용됩니다.
• 열용량: mJ/°C로 측정되며, 열용량은 서미스터의 온도를 1°C 높이는 데 필요한 에너지를 나타냅니다. 이 매개변수는 서지 전류 제한 응용 분야에서 응답 속도를 결정하므로 중요합니다.

서미스터를 선택하려면 소산 상수, 열 시간 상수, 저항 값, 저항-온도 곡선 및 허용 오차를 고려해야 합니다. 고도로 비선형적인 R-T 관계 때문에 실제 시스템 설계에서는 근사 방법을 사용합니다.

• 1차 근사: 가장 간단한 방법인 ΔR = k · ΔT, 여기서 k는 음의 온도 계수입니다. k가 거의 일정하게 유지되는 좁은 온도 범위 내에서만 효과적입니다.
• 베타 공식: 재료 상수 β를 사용하여 0°C ~ +100°C 사이에서 ±1°C 정확도를 제공합니다: R(T) = R(T0) · e^(β(1/T - 1/T0)). 2점 보정이 필요하지만 일반적으로 유효 범위에서 ±5°C 정확도를 유지합니다.
• Steinhart-Hart 공식: 1968년 이후 표준: 1/T = A + B · ln(R) + C · (ln(R))^3. 계수(A, B, C)는 데이터시트에 제공됩니다. -50°C ~ +150°C에서 ±0.15°C 정확도를 제공하고, 0°C ~ +100°C 범위에서 최대 ±0.01°C 정확도를 제공합니다.
• 올바른 근사 선택: 선택은 계산 리소스 및 허용 오차 요구 사항에 따라 달라집니다. 일부 응용 분야는 1차 근사로 충분하지만, 다른 응용 분야는 룩업 테이블을 사용한 전체 보정이 필요할 수 있습니다.

NTC 저항기는 순수 원소, 세라믹 또는 폴리머 형태로 백금, 니켈, 코발트, 철 및 실리콘의 산화물을 사용하여 제조됩니다. 생산 방법은 세 가지 범주로 분류됩니다:

• 비드 서미스터: 백금 합금 리드가 세라믹 본체에 직접 소결됩니다. 디스크/칩 유형보다 빠른 응답 시간, 더 나은 안정성 및 더 높은 작동 온도를 제공하지만 더 깨지기 쉽습니다. 종종 보호를 위해 유리로 캡슐화되며 직경은 0.075~5mm입니다.
• 디스크 및 칩 서미스터: 금속화된 표면 접촉을 특징으로 합니다. 더 큰 크기는 응답 시간을 늦추지만 소산 상수를 개선하여 더 높은 전류 처리를 가능하게 합니다. 디스크는 산화물 분말에서 압착되어 소결되고, 칩은 테이프 캐스팅을 통해 만들어집니다. 일반적인 직경: 0.25~25mm.
• 유리 캡슐화 NTC 서미스터: 고온(>150°C) 또는 견고한 PCB 응용 분야를 위해 유리 전구에 밀봉됩니다. 안정성 및 환경 저항성을 향상시키며 직경은 0.4~10mm입니다.

NTC 서미스터는 온도 측정, 제어, 보상, 액체 감지, 전류 제한 및 자동차 모니터링을 포함한 다양한 목적으로 사용됩니다. 응용 분야는 활용된 전기적 특성별로 분류됩니다:

• 저항-온도 특성: 온도 측정/제어/보상에 사용됩니다. 자가 발열을 방지하기 위해 최소한의 전류가 필요합니다.
• 전류-시간 특성: 시간 지연, 서지 전류 제한 및 억제에 적용됩니다. 전류 유도 가열이 회로 변경을 유발하는 열용량 및 소산 상수에 의존합니다.
• 전압-전류 특성: 전류 제한 또는 온도 보상/측정을 위해 환경/회로 변화로 인한 작동점 이동을 활용합니다.