[전자] 온도에 따른 저항, 캐패시터, 인덕터의 변화

온도에 따른 저항, 캐패시터, 인덕터의 변화를 알아보자

 

환경시험에서나 너무 추울 때 전자 제품들이 잘 동작이 안될 때가 있다. 과연 왜 그럴까?

부품들이 온도에 영향을 제대로 동작하지 않기 때문이다.

그래서 작은 소자인  저항, 캐패시터, 인덕터가 온도의 따라서 어떻게 변화되는지 알아보자. 

 

 

저항(Resistor)

 

-  대부분의 금속 저항기의 경우, 온도가 증가하면 저항 값도 증가. (긍정적 온도 계수, PTC).

• 금속 내부의 자유 전자가 열에 의해 더 활동적이 되어 원자와 충돌할 확률이 높아지기 때문.
• R(T) = R0(1 + alpha(T - T0))
• R(T)는 온도 T0에서의 저항,R0​는 기준 온도 T0​에서의 저항, alpha 는 재료의 온도 계수,T0 는 기준 온도, T 는 관심 있는 온도.

- 반면에 일부 특수 재료(예: 탄소)는 온도가 증가함에 따라 저항 값이 감소.(부정적 온도 계수, NTC).

• 반도체의 경우, 온도가 증가함에 따라 저항이 감소할 수 있음. 온도가 증가함에 따라 더 많은 전하 운반자가 활성화되어 전류를 더 잘 전달하기 때문. 즉, 반도체 내에서 전하 운반자의 수가 증가하여 전기적 저항이 감소.

= 금속: 온도 증가 → 저항 증가 (전자의 이동 방해)
   반도체: 온도 증가 → 저항 감소 (전도대로의 전자 활성화 증가)

온도의 따른 저항 값 변화

캐패시터(Capacitor)

 

- 유전체 재료의 종류에 따른 영향 받음 , 온도에 따라 캐패시터의 전기 용량이 변화.

• 캐패시터의 전기 용량은 사용된 유전체 재료의 유전 상수에 의해 결정.
• 온도 계수(temperature coefficient)로 캐패시터의 전기 용량이 온도에 따라 어떻게 변하는지를 나타내는  (ppm/°C (parts per million per degree Celsius) 표시, PPM은 온도가 1°C 변할 때 전기 용량이 얼마나 변하는지를 나타냄.
• NTC(음의 온도 계수) / PTC(양의 온도 계수) 증가 하거나 내려감.

- 세라믹/ 탄탈 캐패시터

• 세라믹 캐패시터는 세라믹 물질을 유전체로 사용, 이 물질은 온도 변화에 따라 다르게 반응함.(타이밍, 필터에 적합하지 않음)
• 탄탈 캐패시터는 탄탈륨 금속의 산화물을 유전체로 사용, 높은 용량 밀도와 우수한 내구성,온도 변화에 대해 비교적 안정적인 성능 ( 과전압에 민감 )

 

ex) 세라믹 캐패시터: 100pF, 온도 계수: ±30ppm/°C, 동작온도: 25°C~ 85°C , 온도 상승: 60°C 
ΔC=C×ΔT×온도 계수
ΔC=100pF×60×30ppm=0.18pF

온도에 따른 용량의 변화

사진 및 자료 출처 : https://ds.murata.co.jp/simsurfing/mlcc.html?lcid=en-us (캐패시터 제조사: murata )

인덕터(Inductor)

- 인덕터란 전기 에너지를 자기 에너지로 저장하는 전자 부품! 구리,철,페라이트 같은 전도성 재료로 만들어 인덕턴스 값을 증가.

• 인덕터를 통과하는 전류에 의해 발생하는 손실(P=I²R)이 온도가 상승함에 따라 증가.
• 인덕터의 도선은 온도에 따라 저항값이 변화. 대부분의 금속에서 저항은 온도가 증가.

Ex) 인덕터(구리 코일)

구리의 온도 계수: 약 \(0.00393/°C\).

( 온도 계수:  1°C 증가 시 저항이 그 저항의 0.393% 증가를 의미)

- 예시: 20°C에서 구리 코일의 저항이 10Ω이라고 할 때, 85°C에서의 저항 계산.
  - 온도 변화: 85°C - 20°C = 65°C
  - 저항 증가: 10Ω X 0.00393/°C  X 65°C = 2.55Ω
  - 85°C에서의 저항: 10Ω + 2.55Ω = 12.55Ω

마무리

온도 증가 시의 변화!!
저항(Resistor) 대부분 증가(PTC), 일부 재료에서는 감소 가능(NTC)
캐패시터(Capacitor) 유전체에 따라 증가 또는 감소 가능
인덕터(Inductor) 비교적 안정적, 매우 높은 온도에서 코어 손실 증가 가능

 

 

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