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
| Обзор | Своими руками (DIY)

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.

Купить протестированные тепловые реле KSD-01F можно, например, у этого продавца на Алиэкспресс.

Реклама. ООО «АЛИБАБА.КОМ (РУ)» ИНН 7703380158

Тепловой снимок в статье был сделан с помощью тепловизора InfiRay T2S Plus (обзор).

Реклама:
ООО «АЛИБАБА.КОМ (РУ)» ИНН: 7703380158 erid: 2SDnjc8pUCJ

6 комментариев

S
Насчет причин несрабатывания термореле с усилителем и рекомендаций по его применению- красивый стеб :). Ценю чувство юмора автора; или он это всерьез? Судя по фото с тепловизора, температура медной пластины, к которой реле прикручено- где-то 30 градусов. Что там будет срабатывать? Термореле (как и любой термодатчик) крепится к неизолированному радиатору рядом с теплонагруженными элементами через изолирующую термопрокладку (по крайней мере, я так делаю уже лет 40- видимо, делаю неправильно). Про «небольшой приоритет подложки» и «обволакивающее тепло» лучше умолчу…
Hans-Kristian
Попробуйте изучить вопрос, почему тепловизоры показывают неправильно температуру блестящих металлических поверхностей. Подсказка: существует такое понятие, как «коэффициент эмиссии».
Кстати, эта тема подробно затронута в обзоре тепловизора (ссылка в самом конце статьи).
S
Попробуйте изучить вопрос

Нет, не буду. Мне вполне достаточно картинки, на которой видно, как закреплено реле.
Hans-Kristian
А зря. Век живи — век учись! :)
B
«Если же тепло поступает только с одной стороны (от подложки), то температура срабатывания может сильно уходить от желаемой.» — насколько я понимаю в электронике, раз уж в датчике есть специальная площадка (подошва) для теплообмена и крепления, то именно ее температура и должна нормироваться по даташиту. То, что есть несовпадение реальности с паспортными данными именно на этом темореле, говорит только о качестве его изготовления. Впрочем, я допускаю, что они все там «недомерки», по старой китайской традиции. Хотя, в инете есть аналогичный тест, там автор намерял Тсрабатывания:
KSD-01F H 40°C 44.4
KSD-01F H 50°C 55.2
KSD-01F H 60°C 56.9
Такие вот разбросы. Не удивлюсь, если со временем эти цифры еще уплывут, от приработки/износа/старения. Механика же-ж.
--
Все термо датчики НЕОБХОДИМО ставить как можно ближе к точке с максимальной контролируемой температурой. Подвижка в сторону (ради удобства и прочего) ведет к тому, что резко растет запаздывание реакции на повышение Т. На быстрых процессах это может оказаться фатально. Кроме того, потери тепла при его передаче датчику могут сильно завышать критическую точку работы: усилок уже «захрипел» от перегрева, а датчик так и не нагрелся...
Судя по фото, «медяшка» практически бесполезна, а датчику она и вредна, снимайте ее и крепите датчик прямо на фланец крепления усилителя, под общий болт.
— Брюзжание на вскидку :-)
То, что МС усилка прогрета до 120 градусов — не нормально. Перегруза по нагрузке нет?
Либо совсем хреновый тепловой контакт корпуса микрухи с радиатором (горб на радиаторе у винта, изгиб фланца МС), может без пасты. Плюс к тому:
Радиатор налеплен «как вышло», точка максимального тепла на МС, попала на самый край радиатора, да еще не вся ширина фланца задействована для передачи тепла. Не здорово.
Ну и то, что на фланце у TDA7294 присутствует не земля, а -Vs, надо учитывать при монтаже-креплении радиатора в корпус (электроизолирующие термопрокладки под эти МС не нужны).
Кстати, по даташиту, TDA7294 требуется два крупных кондера по питанию, на + и -, по 1000 мкФ на каждую МС. На плате вижу пару от силы 680, судя по размеру, хотя должно быть 2200, хотя бы :-)
На нагрев не влияет, но…
Hans-Kristian
То, что МС усилка прогрета до 120 градусов — не нормально. Перегруза по нагрузке нет?

Каюсь, грешен. У TDA7294 заявлена долговременная мощность на нагрузке 70 Вт, а я из него выжал 77 Вт. Но это только ради теста. :)

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Как быстро отпаривать одежду? Обзор бюджетного отпаривателя для одежды Futula ST1200

В этом коротком обзоре речь будет идти о бюджетном отпаривателе для одежды от компании Futula. На момент публикации это устройство стоит около 800 рублей, и скоро узнаем, на что оно способно....

Изучаем конструкторы в стиле Lego от Яндекс Фабрики: серия «Город в деталях»

В продажу поступила линейка из трех коллекционных конструкторов «Город в деталях» от Яндекс Фабрики.Сразу уточню, что Яндекс Фабрика — это отдельное бизнес-направление, в котором Яндекс...

Черный квадрат Малевича стал часами: обзор новинки из Углича

В год 145-летия Казимира Малевича Угличский часовой завод представил новинку под брендом Lincor: часы «Черный квадрат». Я искренне думаю, что это одна из самых интересных кварцевых моделей года, но...

KZ Saga (Bass Improved Version) — музыкальная мощь — обзор динамических внутриканальных наушников

KZ Saga — новая модель от уже известного в широких кругах производителя портативного аудио, главная специализация которого — внутриканальные наушники. В этот раз KZ не...

Как правильно выбрать и носить термобелье: избегаем частых ошибок

Думаю, уже все готовы к холодам и успели пополнить гардероб новым термобельем. Те, кто пользовался, знают, что этот элемент гардероба не просто согревает, но и помогает оставаться сухими в любых...

Аль-Натах — затерянный город Аравии: археологи обнаружили 4000-летнее поселение

Северо-Западная Аравия, регион между Меккой и Акабой, долгое время оставалась белым пятном на карте археологических исследований. Сложность рельефа, климатические условия и ограниченный доступ к...