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2010 년 09월호

년 월호


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확장된 온도 테스트가 가능한 직접 만든 항온 수조

전자 회로 및 장치는 동작 파라미터 검증, 민감도 특성화 또는 캘리브레이션 수행을 위해 종종 여러 번의 온도 테스팅을 필요로 한다. 온도 제어가 가능한 오븐은 이러한 목적에 사용되지만 다양한 제한을 갖는다. 오븐은 폐쇄된 체임버에서 가열된 공기를 순환시키며, 이때 낮은 열의 공기 덩어리는 체임버 내부에서 상당한 온도 변동을 일으킬 수 있다. 또한 체임버 내의 온도 분포도 잘 제어되지 않는다.
이러한 테스트에서 보다 우수한 일관성과 엄격한 제어를 보장하는 한 가지 방법은 온도 제어가 가능한 수조에서 테스트를 수행하는 것이다. 이러한 수조는 상용 제품을 구입할 수 있지만 가격이 비싸며 일부 수조는 FluorinertTM와 같은 값비싼 유체를 필요로 한다.
다음의 기법은 훨씬 경제적이다. 저가의 상용 부품을 사용하여 소형 회로를 테스트하는 데 이상적인 저가의 간단한 항온 수조를 구현할 수 있다. 이러한 모든 항온 수조는 공통으로 열 절연 컨테이너, 작동 유체, 교반 시스템, 히터, 온도 센서 및 제어 시스템과 같은 여러 개의 기본 부품으로 구성된다.
주문형으로 제작되는 열 절연 컨테이너는 매우 비싸지만 진공 절연되는 음료 용기와 같은 상용 컨테이너도 잘 작동한다. ThermosTM 웹사이트에서 많은 컨테이너 사진을 보면서 수행하고자 하는 회로 테스트 요구사항에 가장 적합한 형태와 크기를 갖는 제품을 선택할 수 있다. 빠른 전화 상담으로 확인할 수 있지만 이러한 컨테이너는 100℃ 이상 충분히 사용 가능하다.
작동 유체는 전도성이 없어야 하고 불이 붙지 않아야 하며 최대 동작 온도에서 유독성 연무를 발생시키지 않아야 한다. 제안된 시스템에 적합한 유체는 보통 하드웨어 상점에서 판매하는 ‘butcher block oil’과 같은 미네랄 오일이다. 이 오일을 사용하기 전에 물질 안전 보건 자료(MSDS)를 면밀히 검토하고 반드시 환기가 잘 통하는 장소에서 사용하도록 한다. 이러한 유체는 오일 수조에서 약 100℃의 최대 동작 온도를 갖는다.
유체가 균일한 온도 분포로 열 평형에 빠르게 도달하게 하려면 유체를 지속적으로 뒤섞는 교반기가 필요하다. 소형 DC 모터는 낮은 전원 전압에서 작동하고 천천히 팬 블레이드를 회전시키므로 이러한 목적에 매우 적합하다.
히터는 못 쓰는 헤어 드라이어에서 가져온 NiCr 와이어 코일을 사용한다. 예를 들어 그림 1의 설계는 50W 히터를 필요로 한다. 이 입력 전압은 12V이므로 필요한 저항은 R = 122/50 = 2.88Ω이다. NiCr 와이어에는 납땜 처리를 하지 않으므로 그림 2와 같이 코일의 끝을 무연 단자에 크림프한다. 히팅 코일을 팬 블레이드 바로 아래 두면 국부적인 핫스팟을 방지할 수 있다.
온도 컨트롤러의 핵심은 온도 센서 IC이다. 그림에 보이는 IC(Maxim의 DS600)는 ±0.5℃ 정확도와 서모스탯 비교기를 갖는다. 전체 제어 루프 및 히팅 시스템을 구현하는 간단한 회로(그림 1)는 오차 증폭기로 이러한 서모스탯 비교기를 사용한다. 그림 2에서 보듯이 센서는 히팅 코일의 거의 바로 아래에 위치한다.
포텐쇼미터는 온도 설정값을 제어한다. 이 경우 포텐쇼미터는 버니어 손잡이가 달린 10kΩ, 10-turn 정밀 포텐쇼미터이다. 버니어 손잡이의 읽기가 섭씨 온도 설정값에 대응하도록 저항 Rbot 및 Rtop(그림 1의 왼쪽) 값을 조정해야 한다. 다음의 공식을 사용하여 이들 값을 계산할 수 있다.

Rbot = RPOT (0.509 / 100 × 0.00645)과
Rtop = RPOT (VREF - 0.509 /100 × 0.00645 -1),

여기서 Rbot는 포텐쇼미터의 저항(10kΩ)이고 VREF는 전압-기준 IC(MAX6126)에 의해 생성된 기준전압(2.048V)이다.
회로는 509mV의 지정된 오프셋 및 6.45mV/℃의 이득에서 측정된 온도에 대응하는 전압 출력을 제공하지만 외부 서모커플 센서를 사용하여 수조 온도를 확인하는 것이 좋다.
항온 수조는 우수한 성능을 보인다. 서모커플에 의해 시간의 경과에 따라 기록된 수조 온도는 고정 설정값이 85℃일 때 평균 온도 편차가 0.06℃ 이내를 유지한다는 것을 보여준다(그림 3). 보온병 위에 장착된 오일 수조 어셈블리를 확대한 그림(그림 4)은 링 모양의 pc 보드에 있는 그림 1 회로의 모터와 부품의 상단을 보여준다. 핸들을 이용해 회로 어셈블리를 보온병에서 제거할 수 있으며, 핸들은 또한 회로의 온도 테스팅을 위한 간편한 일시적 장착 지점을 제공한다.