Миниатюрные биметаллические тепловые реле, их «подводные камни» и особенности применения
Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com
Если автор пообещал вам публикацию на iXBT.com (а не в блогах iXBT.com), то сообщите об этом, пожалуйста, на почту abuse@corp.ixbt.com
Не
всегда есть смысл, а тем более — желание, «городить огород» со
сложными схемами теплового регулирования — с датчиками, преобразователями и
прочей электронной обвязкой.
В
некоторых случаях можно обойтись простейшими устройствами — биметаллическими
тепловыми реле, которые работают на замыкание или размыкание контактов; которые, в свою очередь, могут непосредственно
управлять исполнительным механизмом — вентилятором, нагревательным элементом и
т.п. В народе такие простые принципы работы называют «дешево и
сердито».
Тепловое реле в сетевой технической литературе также называют «термореле», «термовыключатель», «тепловой выключатель».
В
обзоре двух экземпляров таких тепловых реле
выясним, что в этих простейших устройствах есть хорошего и не очень (возможные «грабли» при применении).
Тепловые реле бывают с нормально-разомкнутыми контактами и нормально-замкнутыми.
Термореле с нормально-разомкнутыми контактами я купил для автоматического
включения вентилятора при нагреве усилителя; а термореле с нормально-замкнутыми
контактами я купил просто для научного интереса (что можно себе позволить с
учётом их цены).
Конструкция, внешний вид и технические характеристики биметаллических термореле KSD-01F
Начнём с технических характеристик для всей серии тепловых реле KSD-01F
Тип термореле
KSD-01F
Исполнение
Нормально-разомкнутые контакты (H) и нормально-замкнутые контакты (D)
Корпус
TO-220
Температурный диапазон
+30°С… +150°С (шаг 5°С)
Точность в диапазоне 30-100°С
+-5°С
Точность в диапазоне 105-150°С
+-6°С
Коммутируемые напряжение и ток
250V AC 1.5 A или 24V DC 1.5A
Изоляция
50 МОм, 500V AC
Масса
2 г
Тестируемые биметаллические тепловые реле выполнены в миниатюрном корпусе TO-220,
в котором часто упаковываются транзисторы средней мощности (10-60 Вт).
На обратной стороне находится металлическая пластина, выполняющая две
функции: передачу тепла (холода) от контролируемого объекта к биметаллической
пластине термореле и, заодно, просто функцию закрепления термореле на этом
объекте.
Важно: эта пластина полностью изолирована от контактов термореле, благодаря
чему термореле можно устанавливать на объекты, находящиеся под напряжением (но
не превышающем предельно-допустимого для термореле).
Такие тепловые реле (термореле) обладают двумя ключевыми особенностями:
механизмом «мгновенного переключения» и проистекающим из него
гистерезисом характеристики: температура замыкания контактов не равна
температуре размыкания.
Механизм «мгновенного переключения» необходим для предотвращения
дребезга контактов, когда в течение длительного времени была бы возможна
ситуация «ни замкнуто, ни разомкнуто».
В последующих тестах будут проверены следующие характеристики: точность
соответствия температуры срабатывания номиналу термореле и температурный
гистерезис между включением и выключением реле.
Технические испытания тепловых реле
Итак, в испытаниях участвуют два тепловых реле на номинальную температуру 50°С, одно — с нормально-разомкнутыми контактами (помечено буквой H в нижней строке на корпусе), второе — с нормально-замкнутыми (помечено буквой D).
Тестовый стенд состоял из самого высокотехнологичного оборудования: эмалированной миски с водой и цифрового термометра. Вода медленно подогревалась до замыкания или размыкания контактов, затем медленно остывала до возврата контактов в исходное состояние. Для исключения контакта теплового реле и датчика термометра с днищем миски была использована оранжевая крышечка от пластиковой бутылки.
Цифровой термометр был предварительно сверен с сухим термометром из состава психрометра ВИТ-1 (цена деления 0.2 градуса). По результатам была определена поправка для показаний цифрового термометра.
Результаты испытаний будут очень краткими.
Тепловое реле номиналом 50°С с нормально-разомкнутыми контактами: замыкание контактов при 55°С, возврат в исходное состояние — при 46°С.
Тепловое реле 50°С с нормально-замкнутыми контактами: размыкание контактов при 54°С, возврат в исходное состояние — при 47°С.
С учётом того, что при нагревании и последующем охлаждением всей системы температуры датчика и термореле могли меняться не синхронно, возможную погрешность при этих измерениях можно оценить в 1-2 градуса (сюда же входят и другие, более мелкие источники погрешностей).
Пример применения теплового реле с нормально-разомкнутыми контактами
Идея конструкции была предельно проста: использовать кулер от теперь уже не нужного процессора AMD Barton для охлаждения усилителя на основе двух микросхем TDA7294 класса AB (обзор).
Чтобы вентилятор не шумел при малых уровнях громкости, к теплоотводу было прикручено тепловое реле, которое включает вентилятор только при значительном нагреве радиатора.
Испытания показали, что термореле срабатывает, только когда микросхема усилителя нагревается почти до 120 градусов, хотя испытания термореле в «идеальных» условиях показали срабатывание при 55 градусах.
Тепловой снимок конструкции вблизи момента срабатывания термореле (нагружен один канал):
Почему так произошло и откуда взялась такая разница между срабатыванием термореле в «идеальных» и реальных условиях?!
Глубокий и, разумеется, вдумчивый анализ дал такой ответ.
Биметаллическая пластина, благодаря которой срабатывает термореле, изолирована от подложки его корпуса. Это означает, что температура этой биметаллической пластины не равна температуре подложки, а примерно равна средней температуре окружающей среды со всех сторон (лишь с небольшим приоритетом подложки). А с внешней стороны термореле окружено обычным относительно прохладным воздухом!
Вот в этом и заключаются «грабли» при применении таких тепловых реле: температура их срабатывания соответствует номиналу только в том случае, если тепло — «обволакивающее», т. е. поступает одинаково со всех сторон.
Если же тепло поступает только с одной стороны (от подложки), то температура срабатывания может сильно уходить от желаемой.
Итоги и выводы
Протестированные биметаллические термореле показали себя пригодными для
применения устройствами, но с разумным учетом их особенностей.
А этих особенностей — три: невысокая точность температуры срабатывания,
высокий гистерезис (разница между температурой срабатывания и возврата в
исходное состояние) и привязка температуры срабатывания не к температуре подложки, а примерно к средней температуре окружения.
По этим причинам они плохо подойдут для ситуаций, когда требуется
поддержание температуры контролируемого объекта на заданном уровне: температура
может быть смещена относительно номинала (из-за разброса характеристик), и, к тому же, будет довольно сильно колебаться вокруг среднего значения
стабилизации (из-за гистерезиса).
Гораздо лучше такие термореле подойдут для ситуаций, когда требуется только
предотвратить перегрев или переохлаждение контролируемого объекта. В таких
случаях, как правило, не требуется высокой точности срабатывания термореле; а
гистерезис обеспечит даже улучшенную защиту объекта от перегрева или
переохлаждения.
В таких случаях проще и дешевле, чем биметаллические термореле, просто ничего не существует.
К этому надо добавить, что существуют биметаллические термореле и на гораздо более высокие мощности. Можно упомянуть, например, KSD302 (ток до 16 А при напряжении до 250 В). Найти можно у того же продавца, что и протестированные KSD-01F. Но там уже совсем другие габариты, и под мою личную задачу они совсем не подходят.