서미스터와 RTD를 사용하는 전자 장치 시뮬레이션

이 블로그의 핵심은 Paul Horowitz와 Winfield Hill이 집필한 전설적인 책 'The Art of Electronics'니다. 이 책은 전 세계 전자 엔지니어들에게 알려져 있으며 SPICE 프로그램이 오늘날만큼 널리 보급되지 않았던 시기에 출판되었습니다. 이 블로그의 목적은 최신 SPICE 기술을 통해, Vishay 비선형 제품을 사용하여 책에 소개된 많은 회로를 재현하는 것이 가능함을 증명하는 것입니다.

실험 전자 엔지니어를 위한 참조 설명서로서 한 권의 책을 선택하기 위한 설문조사를 실시할 경우 Paul Horowitz와 Winfield Hill의 'The Art of Electronics'¹가 상위 결과에 포함될 가능성이 높습니다. 제가 직업적으로 초년 시기였던 90년대 초반, 책에서 모든 장을 마무리하는 수많은 예시적 회로(회로 아이디어 전용 회로 포함)를 감탄하며 심사숙고하곤 했습니다.

트랜지스터와 연산 증폭기에 관한 첫 번째 장에서 살펴본 다양한 회로 중에서 온도 제어 문제와 솔루션을 다루는 특정 회로도를 발견했습니다. 문제는 다이오드 및 트랜지스터와 같은 반도체가 전력 손실과 주변 온도 변화로 인해 특성이 변화한다는 점입니다. 솔루션 측면에서 NTC 서미스터 및 저항 온도 감지기(RTD)는 이러한 잠재적인 열 문제를 해결하기 위해 오랫동안 온도 감지, 제어 및 보상에 사용되어 왔습니다.

1990년 이후 달라진 점은 전자 엔지니어 세계에서 SPICE 시뮬레이션 소프트웨어가 널리 사용되었고, 최근에는 열 평가 소프트웨어도 합류했다는 점입니다. 예를 들어, LTspice^® XVII는 SOATHERM²와 같은 도구를 사용하여 열 평가에서 발전을 이루었습니다. 최근, 저는 발열 소자와 양극/MOS 트랜지스터에 대한 열 모델을 포함하면서 열 측면을 다루고 온도 센서에 대한 동적 SPICE 모델로 보완하는, 'The Art of Electronics'의 회로를 시뮬레이션하고 싶다는 생각이 들었습니다.

이러한 시뮬레이션의 주요 장점은 고유한 소프트웨어 내에서 원래 전자 회로가 한쪽에 있고 닫힌 열 루프를 가진 열 회로가 다른쪽에 있다는 것입니다. 발열된 개체(공간 또는 오븐)의 온도가 센서에 직접 피드백될 수 있으므로 LTspice XVII 소프트웨어에서 완전한 열 전자 공동 시뮬레이션이 가능합니다. 하지만 이 모든 작업을 수행하기 전에 적절한 모델이 필요합니다. 다행스럽게도 LTspice는 숙련된 DIYer를 위한 도구입니다.

NPN 양극 트랜지스터³를 기반으로 하는 간단한 증폭기 스테이지의 온도 보상부터 시작해 보겠습니다. 그림 1a는 다양한 전류에서 2SC4102 콜렉터의 온도 변화를 평가하는 간단한 회로를 보여줍니다(그림 1b).

그림 1a. 이 간단한 회로는 다양한 전류에서 트랜지스터의 콜렉터 온도를 평가하는 데 사용할 수 있습니다. (이미지 출처: Vishay)

그림 1b. 다양한 온도(25°C, 50°C, 75°C, 100°C, 125°C, 150°C)에서 콜렉터가 소비한 전력(파란색). (이미지 출처: Vishay)

이 그림을 통해, 트랜지스터의 온도 의존성(정적 온도 TEMP)이 잘 모델링되어 있음을 알 수 있습니다. 자체 발열은 고려되지 않지만 특수 명령(포인터-Alt 키)을 사용하여 소산된 전력을 나타낼 수 있습니다. 온도가 증가하면 전압 베이스/에미터는 감소하고 콜렉터 전류 및 전력은 증가합니다. 그렇다면, 그림 2에 표시된 것처럼 전력 손실로 인한 자체 발열을 고려하여 LTspice 모델링에 이러한 효과를 포함시켜 보는 것은 어떨까요? 이를 통해 전력 출력(HEAT 핀)을 가진 NPN 트랜지스터라는 새로운 장치를 구축할 수 있습니다.

그림 2: 전력 출력을 나타내는 네 번째 핀(HEAT)이 있는 NPN 트랜지스터 모델(위 - 넷리스트, 아래 - 기호). (이미지 출처: Vishay)

놀랍게도 dI 및 dVBE1 파라미터(그림 2 참조)를 LTspice XVII에 이미 통합된 2SC4102의 고유 NPN 특성에 맞게 조정하면 자체 발열로 인한 추가 드리프트를 고려할 수 있습니다. 두 가지 TEMP 온도 값(25°C 및 150°C)에 대해 그림 1a 회로의 콜렉터 전류를 시뮬레이션해 보겠습니다. 그런 다음 이 두 곡선을 그림 3a의 회로 집전 장치와 비교해 보겠습니다. 그림 3a에서는 열 NPN이 25°C/W를 방출할 수 있는 방열판과 함께 실장되어 있습니다. 부품 온도(현재 HEAT 핀의 전압으로 정의됨)는 낮은 VBE의 경우 25°C로 유지되고 콜렉터 전류가 증가하면 약 150°C에 도달합니다. 열 모델에서 얻은 녹색 곡선(그림 3b)은 TEMP = 25°C의 정적 특성에 가까우며 이후 TEMP = 150°C(최대 방출)의 특성을 결합합니다.

그림 3a. 이 회로는 트랜지스터에 실장된 방열판(25°C/W 방출 가능)을 모델링합니다. (이미지 출처: Vishay)

그림 3b. 방열판 온도 대 열 방출. (이미지 출처: Vishay)

이제 증폭기 단계 NPN 트랜지스터가 열을 방출하고 이를 방열판에 전달한 후 NTCS0805 서미스터⁸에 전달하는 과도 현상을 시뮬레이션할 수 있는 단계에 있습니다. 이는 전류가 통제를 벗어나지 않도록 하는 데 사용됩니다. 물론, 이러한 전류 안정화는 서미스터 보상이 없는 동일한 회로와 비교할 수 있습니다(그림 4a 및 4b).

그림 4a. 서미스터 안정화를 포함한 회로(오른쪽)와 포함하지 않은 회로(왼쪽) (이미지 출처: Vishay)

그림 4b. 서미스터 안정화를 포함한/포함하지 않은 트랜지스터 온도 커브. (이미지 출처: Vishay)

'The Art of Electronics'⁴에서 찾은 두 번째 회로는 발열 제어용 온도 조절기입니다(그림 5a). 이 회로는 근본적인 것이므로 이 책의 2015년 개정판에서도 여전히 사용되고 있습니다. 저의 LTspice 시뮬레이션은 Vishay NTCLE203E3103SB0 서미스터 모델⁶과, 열 저항을 통해 주변 외부 온도에 연결되고 열 질량을 나타내는 커패시터를 통해 접지에 연결되는 발열 공간 또는 오븐을 나타내는 열 회로로 완성되었습니다. 이 회로의 작동 방식은 'The Art of Electronics'³에 광범위하게 설명되어 있으므로 여기서는 언급하지 않겠습니다. 그림 5b는 공간(또는 오븐)에 전달된 전력의 파형과 다양한 소자의 온도 변화를 나타냅니다. 이는 외부 온도 변화 또는 설정 온도(50°C, 75°C, 100°C)에 관계없이 온도 제어가 완벽하게 작동함을 보여줍니다.

그림 5a. 서미스터와 열 회로로 수정된 'The Art of Electronics'의 온도 컨트롤러. (이미지 출처: Vishay)

그림 5b. 전달된 전력의 파형과 다양한 소자의 온도 변화. (이미지 출처: Vishay)

세 번째이자 마지막 예는 +0.4%/°C 온도 계수⁵를 갖는 저항기에 의해 수행되는 특정 온도 보상을 갖춘 고속 로그 컨버터에 대해 제안된 회로도입니다. 이는 유사한 온도 의존적 저항기(Vishay의 PTS 표면 실장⁷)에 대한 전체 SPICE 모델을 소개할 수 있는 완벽한 기회였습니다. 로그 컨버터 장치는 dB 변환을 수행하는 모든 회로에 사용됩니다. 이 변환은 NPN 트랜지스터 베이스/에미터 전압과 콜렉터 전류의 로그 사이의 비례성을 기반으로 합니다. 동시에 온도에 따라서도 달라집니다. 이것이 바로 온도에 선형적으로 의존하는 RTD가 존재하는 이유입니다. 그림 6a는 두 개의 회로를 보여줍니다. 하나는 Q2의 베이스와 접지 사이에 RTD가 연결되어 있는 회로이고(위) 다른 하나는 고정 저항기가 있는 등가 회로(아래)입니다.

그림 6a. 2개 로그 컨버터. RTD 안정화 회로(위)와 비안정화 회로(아래). (이미지 출처: Vishay)

그림 6b는 두 로그 컨버터의 출력 전압을 입력 전압의 함수로 나타냅니다. 파란색 곡선은 안정화 출력(위 회로 Vout1)이고 녹색 곡선은 비안정화 출력(Vout2)입니다.

그림 6b. 그림 6a의 두 로그 컨버터의 출력 전압은 입력 전압의 함수입니다. 파란색 곡선은 안정화 출력(위 회로 Vout1)이고 녹색 곡선은 비안정화 출력(Vout2)입니다. (이미지 출처: Vishay)

이 블로그에서 저는 단지 전자 시뮬레이션을 통해 이러한 멋진 설계 아이디어가 실제로 작동한다는 것을 회고적으로 증명해 보았습니다. 언뜻 보기에는 다소 불필요해 보일 수도 있습니다. 그러나 이러한 설계가 완성되기까지 회로 부품 구입, 회로도 구축, 오류 교정 동안 겪은 시행착오의 시간을 생각해야 합니다.

전자 회로의 구상에 반드시 전자 시뮬레이션이 필요한 것은 아닙니다. 전자 시뮬레이션이 회로 설계에 대한 좋은 아이디어를 제공하지는 않습니다. 그러나 일부 열적 측면을 포함하여 현재 사용 가능한 모델을 통해 LTspice 시뮬레이션은 비용이 들거나 시간이 지연되는 일이 거의 없이 현장에서 새로운 회로 아이디어를 테스트하는 데 도움이 될 수 있습니다. 마지막으로, 이제 첫 번째 실행이 가상으로 이루어지므로 몇 시간이 걸리는 지루한 시행착오를 겪지 않아도 되므로 설계를 더 빠르게 마무리할 수 있습니다.

참고 자료:

1. The Art of Electronics by P. Horowitz and W. Hill, 2^nd edition (ISBN 0-521-37095-7) and 3^rd edition (ISBN 978-0-521-80926-9)
2. LTspice: SOAtherm Support for PCB and Heat Sink Thermal Models | Analog Devices,  web
3. 'The Art of Electronics' by P. Horowitz and W. Hill (ISBN 0-521-37095-7), chapter 2, p. 70 and following.
4. Ibid., chapter 2, p. 105.
5. Ibid., chapter 4, p. 255.
6. NTCLE203 계열 규격서
7. PTS1206 계열 규격서
8. NTCS0805 계열 규격서