무접점 기술을 이용하여 IoT 응용 분야에서 온도를 효과적으로 감지

사물 인터넷(IoT) 응용 분야의 성장으로 인해 소비자 가전, 거주, 상업 및 산업 환경에서 온도 센서에 대한 필요성이 증가하고 있습니다. 온도는 가장 보편적으로 측정되는 물리적 변수일 수 있지만 이를 측정하는 데 센서 유형을 비롯해 시간 경과 및 환경적 변화 속에서의 성능 유지와 관련된 과제가 대두되는 경우가 많습니다.

기존의 온도 감지 기술에는 서미스터, 열전대, 저항 온도 검출기(RTD)가 포함됩니다. 이 기사에서는 온도 측정에서 설계자가 직면하고 있는 과제를 설명하고 이러한 3가지 감지 옵션을 비교하여 설명합니다. 그런 다음 4번째 옵션인 무접점 온도 센서에 대해 설명합니다.

이어서 적합한 무접점 온도 솔루션을 소개하고 이러한 솔루션이 어떻게 IoT 온도 측정 요구 사항을 충족하는 데 사용될 수 있는지 알려드릴 것입니다.

온도 측정의 지속적 과제

원칙적으로 온도는 측정하기 쉬운 편이지만 센서 정확도, 배치, 전력 소비, 측정할 위치의 수 등으로 인해 실제로 온도를 효과적으로 측정하기가 어려울 수 있습니다.

• 정확도: ±1°C가 가장 일반적이지만 일부 IoT 응용 분야에서는 ±2°C이기도 하며 일부 정밀 응용 분야의 경우 ±0.5°C 이상의 높은 성능이 요구되기도 합니다.
• 배치: 전선 길이를 고려하고 판독 무결성을 저해하지 않으면서 관심점으로부터 얼마나 멀리에 설치할 수 있느냐를 고려하다 보면 센서를 실제로 배치하다가 딜레마에 빠지는 경우가 많습니다.
• 전력 소비: 여러 IoT 응용 제품은 수명이 긴 배터리나 에너지 수확처럼 제한된 전원으로 작동됩니다.
• 감지 위치의 수: 한 두 지점만 모니터링해야 하는 상황도 있지만 훨씬 더 많은 지점을 측정해야 하는 경우도 많습니다. 이로 인해 통신 및 비용 문제가 대두되는 한편 배치 복잡성과 전력 소비 문제도 추가됩니다.

부적합할 수 있는 기존 센서

열전대, RTD 및 서미스터는 광범위하게 사용되고 있으며 비 IoT 유선 응용 분야와 전력 공급 수단이 이미 갖춰진 상황에 상당히 적합합니다. 하지만 이러한 센서의 기본 속성은 다양하고 분산된 IoT 설치와 양립되지 않아 부적합할 수 있습니다. 이로 인해 기존 센서를 지원하는 수많은 고기능 인터페이스 IC가 마련되어 있으며 설계자가 응용 제품에 관해 깊이 있게 경험했음에도 불구하고 센서를 이용할 수 없게 됩니다.

이러한 3가지 접근 방식에는 각 장단점이 있습니다.

• 열전대는 수천 도에 이르는 매우 폭넓은 온도 범위에 걸쳐 탁월한 정확도를 제공하지만 냉접점 보정(CJC)을 위해 보조 주위 온도 센서가 필요합니다. 또한 정교한 인터페이스 회로망도 필요합니다.
• 저항 온도 검출기(RTD)도 상당히 정확하며 저항 전달 기능보다 상당한 선형 온도를 보입니다. 하지만 여기에는 수십 밀리암페어의 구동 전류와 정교한 드라이브 및 판독 회로망이 필요합니다. 또한 백금을 사용하므로 상대적으로 비용이 많이 들기도 합니다.
• 서미스터는 온도 변화 정도에 따라 저항이 크게 달라지며 이는 향상된 분해능을 제공합니다. 이 센서도 정확하고 안정적이며 크기가 작아 열용량도 작으므로 응답 시간이 빠릅니다. 하지만 열전대 및 RTD와 달리 응답 곡선에 관한 산업 표준이 갖춰져 있지 않습니다. 이는 좋은 점이기도 하고 나쁜 점이기도 합니다. 선택 가능한 서미스터 종류와 범위가 매우 다양한 편이지만 교체 가능성 및 교체가 문제를 일으킬 수 있습니다.

표 1에서는 열전대, RTD 및 서미스터의 주요 특징과 속성을 요약하여 소개하며 표 2에서는 상대적인 강점과 약점을 비교하여 설명합니다. 언제나 그렇듯이 각 유형은 특성, 응용 분야 목표, 우선 사항을 트레이드 오프하여 나타낸 결과물이므로 한 가지의 “최상” 온도 센서는 없습니다.

표 1: 폭넓게 사용되는 기존의 온도 센서인 열전대, RTD 및 서미스터 3가지는 서로 매우 다른 기본적인 성능 속성을 보유하고 있습니다. (이미지 출처: Omega Engineering Inc.)

표 2: 기본 속성 비교에 따르면 열전대, RTD, 서미스터가 응용 분야 요구 사항에 따라 각 역할을 맡은 것으로 보입니다. (이미지 출처: Omega Engineering Inc.)

열전대와 서미스터에 내재된 비 선형성은 선형화가 필요함을 의미합니다(그림 1). 선형화는 전체 아날로그 회로망(신규 설계 대부분에서 드문 편), 메모리의 대조표 또는 수정 계산을 제공하는 알고리즘을 통해 달성할 수 있습니다. 하지만 이 작업은 기본 IoT 및 다중 채널 응용 분야에서 열전대나 서미스터를 사용하는 과제에 더 큰 부담을 줍니다.

그림 1: 열전대, RTD 또는 서미스터를 사용하는 시스템은 각 유형의 일반적 형태와 특정 모델 모두에서 다르게 나타나는 내재된 비 선형성을 보정해야 합니다. (이미지 출처: Omega Engineering Inc.)

서미스터, RTD, 열전대는 각기 장점이 있으므로 특정 응용 분야에 이상적이지만 IoT 응용 제품 설계자에게는 좀 더 일반적인 솔루션이 필요합니다. 이는 저비용으로 빠르게 배포할 수 있고 일반적인 반도체 응용 분야 환경에서 정확도, 성능 및 응답 시간을 유지하는 솔루션을 의미합니다. 연결해야 하는 센서 수가 늘어남에 따라 통신 및 구성 용이성도 필요합니다.

IoT 장치 설계자에게 감지에 대한 무접점 접근 방식이 매력적인 이유입니다.

IoT 템플릿에 적합한 무접점 센서

무접점 센서가 새로운 개념은 아니지만 최근 수년 동안 상당히 발전했고 향상되었습니다. 이 센서는 방정식 1에 따라 다이오드 전류, 전압 및 온도 간 관계를 정의하는 잘 알려진 아이디얼 다이오드 방정식에서 시작됩니다.

방정식 1

다이오드의 열전압 V_t는 온도의 영향으로 인해 P-N 접합부 전반에서 발생한 전압입니다. 이는 실온에서 약 26mV입니다. 다이오드가 온도 센서의 핵심으로 사용될 수 있는 건 바로 열전압과 온도 간의 이 관계성 덕분입니다.

하지만 이 관계성에 내재된 불가피한 비 선형성으로 인해 기본 다이오드를 이용해 보정된 센서 역할을 해내기가 어렵습니다. 온칩 선형화 회로망을 추가하면 무접점 센서를 IoT 응용 분야를 위한 효과적인 옵션으로 사용할 수 있습니다. 다이오드 주변에 부품을 추가함으로써 다이오드 기반 센서가 매력적인 옵션이 될 정도로 이 어려움을 극복할 수 있습니다.

첫 번째 대중 시장 다이오드 기반 온도 IC는 Analog Devices의 AD590이었습니다(그림 2). 이 IC는 수십 년 전에 처음 소개되었으나 매우 유용한 센서로 입증되어 지금까지도 2리드 스루홀 플랫팩, 이중 인라인 패키지(DIP), 초소형 표면 실장 하우징을 포함한 광범위한 패키지에 사용할 수 있습니다.

그림 2: Analog Devices의 AD590은 절대 온도에 비례하는 선형 1μA/K 전류를 생산하는 2단자 전류원 온도 센서입니다. 다음은 전선 리드와 함께 플랫팩 패키지에 장착된 모습입니다. (이미지 출처: Analog Devices)

이 센서는 절대 온도에 비례하는(PTAT) 1μA/K의 아날로그 출력 전류를 생산하는 단순한 온도 의존적 전류원으로 작동합니다. 이 출력은 298.2K(25°C)에서 298.2μA를 제공하도록 장치를 보정하기 위해 레이저 트리밍되었습니다. 전류 출력은 상대적으로 잡음에 영향을 받지 않으며 4mA ~ 20mA 전류 루프와 유사하게 긴 전선 배선 환경에서 사용할 수 있습니다.

AD590은 전류 출력 리드를 통해 적용되는 +4V ~ +30V 소스에서 작동됩니다. -55°C ~ 150°C 작동 범위에서 ±2°C ~ ±0.5°C를 제공하는 정확도 사양을 충족하기 위해 버전이 구분되어 있습니다. 여러 IoT 응용 분야에서는 제한되고 정확도가 떨어지는 판독으로도 충분하므로 비용이 저렴한 버전이 적합할 수 있습니다.

AD590 계열이 소개된 이래 수십 년이 흐르면서 원래 개념을 토대로 한 수많은 변종 제품이 출시되었습니다. 예를 들어 기본 전류 출력에는 유용성을 위해 전류-전압 또는 전류-디지털 변환이 필요하므로 대다수 설계에서 간편하게 활용되기 어렵습니다.

이러한 요인으로 인해 Analog Devices의 AD22100 같은 센서가 도입되었습니다. 이 센서는 22.5mV/°C의 온도 계수로 온도 × V+에 비례하는 선형 전압 출력을 제공합니다(그림 3). -55°C ~ 150°C 범위에서는 트리밍이 필요하지 않습니다. 정확도는 최소한 전체 범위의 ±2%인 반면 선형성은 전체 범위의 ±1%보다 높습니다.

그림 3: AD22100의 이 기능별 제품 구성도는 온도 의존적 전류 출력이 내부 연산 증폭기를 통해 어떻게 정밀하게 조정된 전압으로 변환되는지 보여줍니다. (이미지 출처: Analog Devices)

비율계량 특성으로 인해 AD22100은 AD22100의 5V 전원 공급 장치를 아날로그 디지털 컨버터(ADC)에 대한 레퍼런스로 이용해 ADC와 쉽게 접속할 수 있습니다(그림 4). 이 방식은 정밀한 전압 레퍼런스의 필요성을 없애줍니다. 단일 +5.0V 공급을 통한 출력은 0.25V(50°C) ~ +4.75V(+150°C) 범위로 나타납니다.

그림 4: Analog Devices AD22100 무접점 센서의 전압 출력은 ADC에 직접 접속하기에 매우 적합합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

이용 가능한 다른 다이오드 기반 무접점 센서로는 보통 시스템 프로세서에 대한 I²C 또는 SMBus 인터페이스가 포함된 A/D 컨버터가 있습니다. 온도가 상대적으로 천천히 변화하는 변수이므로 컨버터는 고분해능(18비트 ~ 22비트)에서 느려질 수 있으며 매우 낮은 전력으로도 작동됩니다. 하나 또는 소수의 채널만 필요할 경우 이 컨버터가 효과적인 솔루션이 될 수 있습니다.

수많은 채널이 필요한 응용 제품(예: 시스템에서 가능성 있는 여러 “과열점”을 모니터링)에서는 저비용 센서를 사용하고 변환 회로망을 공유하는 편이 합리적일 수 있습니다. 사용 가능한 가장 저렴한 센서는 기본 다이오드(실제로는 저성능 트랜지스터의 다이오드 접합부)이지만 비 선형성으로 인해 사용하기 어렵습니다.

이러한 문제를 극복하기 위해 Microchip Technology의 EMC181x계열과 같은 IC는 여러 트랜지스터를 지원하며 트랜지스터의 다이오드 출력을 선형적이며 정확하게 만들고 디지털화하는 데 필요한 기능을 추가합니다. 외부 트랜지스터가 추가될 경우 이 제품군(EMC1812/13/14/15/33)의 장치는 SMBus/I²C 인터페이스가 포함된 정확도가 높은 2선 다중 채널 온도 센서로 기능합니다(그림 5).

그림 5: Microchip Technology의 EMC181x 인터페이스 IC 제품군에는 내부 다이오드(트랜지스터) 센서 1개와 외부 다이오드 센서 1개~4개가 탑재되어 있습니다. 이는 배선과 인터페이스 부품을 최소화해 다중 채널 측정 작업을 대폭 간소화합니다. (이미지 출처: Microchip Technology Inc.)

계열의 각 IC에는 외부 온도 센서(최대 정확도: ±1°C, -40°C ~ +125°C)와 외부 감지 채널을 위한 연결이 포함됩니다. EMC1812부터 EMC1815까지는 외부 다이오드 채널이 한 개 있으며 EMC1815에는 외부 채널이 4개가 있습니다.

정확도를 보장하고 보정 필요성을 없애기 위해 이러한 IC에는 몇 가지 고급 기능이 포함됩니다. 예를 들어 저항 오차 보정(REC)은 라우팅 열 다이오드에서 더 많은 유연성을 허용하기 위해 리드 직렬 저항으로 인한 온도 오차를 자동으로 제거합니다. 베타 보정이라 불리는 또 다른 기능은 광범위하게 사용되는 변동이 심한 낮은 베타 트랜지스터에 의해 야기된 온도 오차를 제거합니다. 그 결과, 외부 다이오드 측정에 대해 ±1°C의 측정 정확도와 0.125°C의 분해능을 제공합니다.

통합을 통해 향상된 처리 및 구성 유연성을 제공

EMC181x 계열은 단순히 측정하여 시스템 프로세서에 보고하는 일을 능가하는 역할을 합니다. 이 계열에는 사용자가 설정할 수 있는 채널별 임계치 경고 및 변화율 측정 경고 등 프로세서에서 지속적으로 온도를 확인해야 하는 부담을 덜어주는 기능이 포함되어 있으면서도 IC의 내부 복잡성은 사용자에게 투명하게 드러납니다(그림 6). 그 결과, 사용자 유연성은 고수하면서 여러 판독점 전반에서 상황을 모니터링 및 판단해야 하는 프로세서의 부담이 대폭 줄어듭니다.

그림 6: EMC181x 제품군 IC에는 사용자가 설정한 채널별 임계치 및 추세 경보 값을 저장하기 위한 레지스터가 있습니다. (이미지 출처: Microchip Technology Inc.)

무접점 센서 IC도 대부분 장치에서 흔하게 볼 수 있는 ±0.5 ~ ±1°C 범위보다 더 높은 정확도를 제공하도록 설계할 수 있습니다. 이에 관한 좋은 예가 Texas Instruments의 TMP117입니다(그림 7).

그림 7: -20°C ~ 50°C 범위에서 ±0.1°C의 정확도를 보장하는 Texas Instruments의 TMP117은 중요한 의료 표준을 충족함을 인증받았으며 제한된 범위-기간 요구 사항이 있는 수많은 IoT 응용 분야에도 매우 적합합니다. (그림 출처: Texas Instruments)

이는 환자용 전자 온도계를 목표로 하는(이에 국한되지는 않음) 고정밀 디지털 온도 센서입니다. 이 응용 제품을 위해 이 센서는 ASTM E1112 및 ISO 80601 요구 사항에 맞게 설계 및 검증되었습니다. 다른 응용 제품으로는 환경 모니터링, 고성능 온도 조절기, 웨어러블, 자산 추적, 저온 유통 모니터링, 기체/열 계측기가 있습니다.

TMP117은 0.0078°C(18비트)의 분해능으로 16비트 온도 결과를 제공하고 보정 없이 -20°C ~ 50°C 온도 범위 전반에서 최대 ±0.1°C의 정확도를 제공합니다. 이는 비교적 제한된 범위이지만 수많은 응용 분야에서 충분히 활용될 수 있습니다. 정확도도 높아서 55°C ~ +150°C 범위에서 최대 ±0.3°C의 오차를 보입니다.

TMP117은 1Hz의 속도로 온도 판독 값을 디지털화하며 I²C 및 SMBus™ 호환 인터페이스를 통해 결과를 제공합니다. 이러한 IC는 최대 단일 버스 4개에서 지원될 수 있습니다. 프로세서 부담을 낮추기 위해

프로그래밍 가능한 임계치 경고 기능이 포함되어 있습니다. 대상 응용 제품의 대다수가 제한된 에너지 용량의 배터리로 구동되므로 TMP117이 1.8V ~ 5.5V 공급에서 작동하며 보통 150nA의 차단 전류로 3.5A를 인출한다는 점이 중요합니다. 또한 소형의 6리드, 2.00mm x 2.00mm WSON 패키지로 구성되어 있습니다.

센서 및 시스템 성능 보장

적합한 사양의 센서를 선택하고 이를 적절하게 사용하는 것은 서로 연관되어 있으나 어떤 면에서는 무관한 별도의 두 가지 문제입니다. 온도 센서를 선택할 때 기본이 되는 질문은 언제나 유효한 판독 값을 제공해야 할 범위는 무엇인가입니다.

범위가 결정되면 필요한 절대 정확도, 정밀도 및 분해능, 전체 범위에 대한 선형성과 관련된 문제가 대두됩니다. 일부 응용 분야에서는 정확한 온도 값을 파악하는 것보다 온도 변화가 얼마나 미미한지를 “확인”하는 것이 더 중요한 반면 판독 값의 절대 정확도가 더 중요한 분야도 있습니다. 설계자는 각 파라미터에서 어느 정도의 성능이 필요한지 신중히 고려해야 합니다. 협소한 관심 영역에서는 더 높은 정확도가 필요하나 그 범위를 벗어날 경우 정확도의 필요성이 줄어드는 경우라면 상황은 더 복잡합니다.

온도 센서의 데이터시트에는 “55°C ~ +150°C 범위에서 ±1°C의 정확도”처럼 폭넓은 주장이 제시되어 있지만 수많은 자세한 성능 표와 그래프도 제공됩니다. 이는 사용자에게 맥락을 제공하기 위한 대략적인 설명을 확장해 어떤 사양이 일반적인 수치이며 어떤 것이 최대 및 최소 수치인지를 보여줍니다. 센서의 성능은 전체 범위의 여러 영역에서 다르게 나타나므로 이는 센서의 선형 곡선도 보여줍니다. 또한 절대 정확도는 그렇지 않지만 판독 값의 정밀도는 보통 일관됩니다. 시스템 목표가 주로 감지된 값 전후의 미미한 변화를 보고하는 데 있다면 판독 값은 우려 사항에 해당되지 않습니다.

센서의 배치도 문제가 됩니다. 물론 관심 지점이나 관심 영역 근처여야 하지만 문제는 정확히 어느 지점이며 얼마나 가까워야 하는지입니다. 어떤 경우에는 센서를 감지되는 항목(과열될 수 있는 모터의 프레임 등)에 물리적으로 연결해야 하지만 이와 대조적으로 인클로저의 경우 상자 내의 “어딘가”에 놓아두기만 하면 됩니다. 공기 흐름에 직접 노출될 경우 뜨거운 부품 근처에 있을 때와 상당히 다른 판독 값을 도출할 수 있으므로 그 “어딘가”를 결정하기도 까다로울 수 있습니다.

이러한 이유로 여러 고급 설계에서는 시스템이 작동하는 동안 실시간 열 “지도”를 생성하도록 센서 여러 개를 사용하여 중요한 국소 과열점은 물론 전반적인 시스템 온도를 측정합니다. 이 시나리오는 소형 인클로저나 섀시에는 적용되지 않습니다. 하나 이상의 온도 감지 지점이 필요한 IoT 응용 분야에는 HVAC, 온수기, 에너지 관리, 보안, 어플라이언스 모니터링 및 기타 과열 시나리오가 포함됩니다. 이러한 판독 값 간의 차이와 특히 그러한 차이의 변화는 문제를 나타낼 수 있습니다.

IoT 응용 분야를 위한 무접점 센서에는 다른 두 가지의 유리한 점이 있습니다. 첫째로, 작은 크기와 낮은 질량으로 측정 지점이나 측정되는 물체에 미치는 열 영향을 최소화하며 온도 상승률/하락률을 유의미하게 변경하지 않습니다. 둘째로, 소비 전력이 낮아 자가 가열이 무시할 수 있는 수준이며 판독 값이 센서 자체의 열 방출로 인해 손상되지 않습니다.

결론

기존의 센서는 특정 응용 분야에서 나름의 장점을 보유하고 있지만(예: 열전대의 경우 초고온 분야) 대부분 IoT 응용 분야에서는 극한 조건이 고려되는 경우가 매우 드뭅니다.

이러한 상황에서 무접점 온도 센서가 가지는 상당히 높은 정확도와 분해능, 낮은 전력 요구 사항, 소형 크기, 기능 수준 향상으로 인해 무접점 온도 센서에 새로운 가능성을 열어줍니다. 단일 채널 및 다중 채널 IoT 응용 분야 모두 이러한 무접점 장치에 손쉽게 접속해 정확하고 정밀한 판독 값을 제공할 수 있습니다.