[스마트팜] 소형 온실에 적합한 PTC 히터 자동 제어 시스템 설계

 

🌱 소형 온실에 적합한 PTC 히터 자동 제어 시스템 설계 (회로 보호 포함)

소형 온실에서 일정한 온도를 유지하기 위해 **PTC 히터(Positive Temperature Coefficient Heater)**는 안전성과 효율성을 모두 갖춘 훌륭한 선택입니다. 특히 아두이노 같은 마이크로컨트롤러와 연동하면 지능형 온도 제어 시스템을 쉽게 구축할 수 있습니다.

이번 포스팅에서는 PTC 히터 제어 방식과 회로 보호 설계, 그리고 참고할 수 있는 전자회로 설계 영문서적까지 함께 소개합니다.

🔥 PTC 히터란?

PTC 히터는 온도가 상승함에 따라 저항이 커지는 성질을 가진 발열체입니다.
✔️ 일정 온도에 도달하면 자연스럽게 전류가 줄어들어 과열을 방지하고, 내장 팬이 있는 모듈형 제품도 많아 공기 순환까지 자동으로 됩니다.

🛠 시스템 구성 요소

구성품기능추천 모델
PTC 히터발열 소자12V 60W 모듈형 (팬 내장)
아두이노제어 장치Arduino Nano/Uno
DS18B20디지털 온도센서방수형 권장
전원시스템 공급12V 5A 아답터
MOSFET / 릴레이히터 전류 제어IRFZ44N (MOSFET) or 기계식 릴레이

⚡ 제어 회로 구성

1. 기본 회로 구성도 (MOSFET 방식)

[ 12V Power ]
     |
   [PTC Heater]
     |
    DRAIN ----> MOSFET ----> GND
             (IRFZ44N)
                ^
             GPIO (D3)

2. 온도 센서 연결 (DS18B20)

  • DATA → D2 (아두이노)

  • VCC → 5V

  • GND → GND

  • 4.7kΩ 풀업 저항 필요 (DATA–VCC 사이)

💻 아두이노 예제 코드

#include <OneWire.h>
#include <DallasTemperature.h>

#define ONE_WIRE_BUS 2
#define HEATER_PIN 3

OneWire oneWire(ONE_WIRE_BUS);
DallasTemperature sensors(&oneWire);

float targetTemp = 25.0;
float hysteresis = 1.0;

void setup() {
  pinMode(HEATER_PIN, OUTPUT);
  Serial.begin(9600);
  sensors.begin();
}

void loop() {
  sensors.requestTemperatures();
  float temp = sensors.getTempCByIndex(0);
  Serial.print("현재 온도: "); Serial.println(temp);

  if (temp < targetTemp - hysteresis)
    digitalWrite(HEATER_PIN, HIGH);
  else if (temp > targetTemp + hysteresis)
    digitalWrite(HEATER_PIN, LOW);

  delay(2000);
}

⚠️ 회로 보호: 역기전력(Back EMF)과 전압 스파이크 대책

전자 부품을 오래 쓰고 안전하게 제어하기 위해서는 전류 차단 시 발생할 수 있는 역기전력 및 아크 현상을 반드시 대비해야 합니다.

✅ 릴레이 사용 시: 플라이백 다이오드 필수

  • 릴레이 코일에 다이오드를 병렬로 연결

  • 예시: 1N4007, 1N5819

   VCC
    |
  [릴레이 코일]
    |
   GND
    |_______|<|________
            1N4007

→ 릴레이 OFF 시 코일에서 발생하는 전압 스파이크를 다이오드가 흡수하여 컨트롤러 보호

✅ MOSFET 사용 시: 조건부 보호

MOSFET은 릴레이보다 스파크 위험이 낮지만, 팬이나 인덕터 등 유도성 부하가 결합된 경우 보호 회로가 필요합니다.

① TVS 다이오드

  • DRAIN–SOURCE 사이에 TVS 다이오드 병렬 연결

  • 예: 1.5KE18A, SMAJ12A

② RC 스너버 회로

  • 100Ω + 0.1µF 직렬 연결 후 D–S 간 병렬


      [MOSFET DRAIN]
             |
      ----[100Ω]----
      |             |
     [0.1µF]        |
      |             |
      [MOSFET SOURCE]

→ 전압 스파이크와 고주파 노이즈 억제에 효과적

📘 참고할 만한 전자회로 설계 영문서적

책 제목설명
"Practical Electronics for Inventors" by Paul Scherz회로 보호, 전원 제어, 릴레이/트랜지스터 활용까지 폭넓게 다룸
"The Art of Electronics" by Horowitz & Hill전자 회로의 바이블, 고급 스위칭 및 보호 회로도 포함
"Make: Electronics" by Charles Platt실습 중심, 초보자도 쉽게 이해 가능한 구성
"Power Electronics: Converters, Applications, and Design" by Ned MohanMOSFET, 스너버, TVS 다이오드 설계에 중급 이상 수준의 참고용
"Designing Embedded Systems with PIC Microcontrollers" by Tim WilmshurstMCU 기반 제어 시스템과 보호 회로 설계 예시 수록

✅ 마무리 정리

항목권장
제어 소자저전력: MOSFET / 고전력: SSR or 릴레이
보호 회로릴레이: 다이오드 / MOSFET: TVS 또는 스너버
온도 센서DS18B20 (정밀, 디지털 방식)
단열 필수히터 아래 폼보드 or 스티로폼 필수
확장성OLED, 블루투스, 로컬 로그 저장 등 확장 가능

📦 참고 구매 키워드

  • "12V PTC heater module fan"

  • "DS18B20 waterproof"

  • "IRFZ44N MOSFET module"

  • "TVS diode 1.5KE"

  • "Arduino 온도 릴레이 모듈"

이제 여러분의 소형 온실도 안전하고 스마트한 온도 제어 시스템으로 바꿔보세요!

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