KEMETS nye Thermorite®-temperatursensor med indbygget on/off-knap

Introduktion

Temperatursensorer er meget udbredt i mange applikationer til at styre og overvåge systemets temperatur og træffe foranstaltninger i overensstemmelse hermed.

I de fleste tilfælde er temperatursensoren en integreret kredsløbschip eller et modul, der via forskellige grænseflader udsender temperaturoplysningerne til en MCU, som på grundlag af disse oplysninger beslutter, hvilken handling der skal iværksættes.

Denne fremgangsmåde har mange fordele, men kræver forståelse for elektronik, inddragelse i designprocessen og tid til at gennemføre den.

Hvis der kræves en simpel ON/OFF-funktion, f.eks. blot for at tænde for ventilatoren eller midlertidigt slukke for strømforsyningen, hvis et system bliver varmt, og vende tilbage til normal drift, når det bliver køligere igen, har mekaniske termostater som dem, der er vist i figur 1, været anvendt i mange år.

Figur 1: Billeder af de mekaniske termostater. (Billedkilde: DigiKey)

Disse mekaniske termostater er baseret på bimetalliske elementer, som er to stykker af forskellige metaller, der udvider sig med forskellige hastigheder, når de opvarmes, og som er bundet sammen til en bimetallisk skive eller et bånd.

Båndet fungerer som en bro i et elektrisk kredsløb, der er forbundet med strømforsyningsstrømmen. Normalt transporterer strimlen elektricitet gennem kredsløbet. Når strimlen bliver varm, udvider det ene metal sig mere end det andet, så hele strimlen bøjes og bryder (åbner) kredsløbet (figur 2).

Figur 2: Princippet for bimetaltermostaten. (Billedkilde: Chegg.com)

Nogle af de leverandører af mekaniske bimetaltermostater, som DigiKey fører, omfatter Bourns, Cantherm, Honeywell Sensing, Littelfuse og Sensata.

I nogle andre tilfælde anvendes termistorer (NTC eller PTC) (figur 3). De overvåger temperaturen ved hjælp af modstandsændringer som følge af temperaturændringer. Men de har stadig brug for et kontrolkredsløb og en fysisk kontakt for at give ON eller OFF-funktionen.

Figur 3: Billeder af termistorerne. (Billedkilde: Electrical4u.com)

KEMET har for nylig introduceret termostatkontakter baseret på en patenteret teknologi

fra Tokin (en leverandør, der blev overtaget af KEMET i 2017). Kort fortalt er teknologien baseret på den franske fysiker Pierre Curies opdagelse af, at en permanent magnet ved en vis temperatur mister sine magnetiske egenskaber. Denne temperatur er nu kendt som det såkaldte "Curiepunkt". Ved hjælp af nogle patenterede teknikker har TOKIN skabt et materiale, som kan kontrollere, overvåge og justere dette "Curiepunkt". Dette materiale, Thermorite®, kombineret med en velkendt reed switch-teknologi skaber en termisk switch, der åbner eller lukker, når denne meget specifikke og nøje kontrollerede temperatur (også kendt som "set point" eller "triggertemperatur") nås (figur 4).

Figur 4: Grundstruktur af Thermorite®-temperaturafbryderen. (Billedkilde: KEMET)

Fordele ved termoritafbrydere i forhold til mekaniske bi-metallic termostater

De primære fordele ved Thermorite-kontakter er:

1. Høj pålidelighed (lang produktlevetid)
2. Fremragende miljømæssig modstandsdygtighed over for støv, eksplosion, fugt og korrosion
3. Bredt temperaturindstillingsområde
4. Høj præcision (nøjagtighed)
5. Hurtig responstid
6. Tidsstabilitet (ingen ældning)

Tabel 1 viser de grundlæggende sammenligninger mellem disse to teknologier.

Tabel 1: Sammenligning af KEMET Thermorite-kontakter og bimetaltermostater.

KEMET termiske sensorer Grundlæggende opbygning og funktionsprincip

Der findes to typer af KEMET termiske sensorer: Der findes to typer af følere: "Break"-typen (SPST-NO) og "Make"-typen (SPST-NC).

Afbryder (SPST-NO)

Afbryderen består af en termoritcylinder, der omslutter rørbladene. I begge ender af cylinderen er der ringformede permanente magneter som vist i figur 5.

Figur 5: Opbygning af en brud-type sensor. (Billedkilde: KEMET)

Under det indstillede temperaturpunkt (udløsningstemperatur) virker termoritten som et magnetisk materiale og skaber et enkelt magnetfelt, der virker på de modsatte permanente magnetpoler i rørbladene, hvilket får dem til at blive forbundet og dermed tænder kontakten "ON".

Når temperaturindstillingen overskrides, mister termoritten sin magnetiske egenskab. På dette tidspunkt bliver det enkelte magnetfelt til to separate felter, der er forbundet med de permanente magneter i hver ende af kontakten, hvilket får kontakterne til at adskille sig. Dette slår kontakten på "OFF".

Make-type (SPST-NC) Afbryder

Afbryderen af typen "make-type" har samme opbygning som afbryderen af typen "break-type", bortset fra en ekstra afstandsstykke (mellemrum), der er indsat i midten af termoritcylinderen for at skabe en virkning modsat af afbryderens adfærd, som vist i figur 6.

Figur 6: Struktur af en make-type switch. (Billedkilde: KEMET)

Under temperaturindstillingspunktet (udløsningstemperatur) får afstandsstykket permanentmagneterne og Thermorite til at skabe to uafhængige magnetfelter, der virker på samme måde som for en brudføler i høj temperaturtilstand. Kontakterne er adskilt, og kontakten er slået "OFF".

Når temperaturindstillingen overskrides, mister termoritten sin magnetiske egenskab. På dette tidspunkt virker to uafhængige felter fra de permanente magneter på enderne af rørbladene, hvilket får kontakterne til at holde fast og dermed tænder kontakten "ON".

I både "break"- og "make"-typerne vender sensoren tilbage til sin normale tilstand ("ON" for break-type og "OFF" for "make-type), når den køler af. Figur 7 viser denne ON/OFF-cyklus for sensoren af "break"-typen og figur 8 viser denne OFF/ON-cyklus for sensoren af "make"-typen.

Temperaturpunktet for genoptagelse af den normale tilstand kaldes genoprettelsestemperaturen eller nulstillingstemperaturen. Forskellen mellem setpunktet (udløsningstemperaturen) og genopretnings-/tilbagejusteringstemperaturen kaldes differenstemperaturen.

Figur 7: ON/OFF-cyklus for sensoren af typen "break". (Billedkilde: KEMET)

Figur 8: OFF/ON-cyklus for sensoren af typen "make". (Billedkilde: KEMET)

Tabel 2 opsummerer skiftetilstandene ved temperaturer over og under det setpunkt, der er defineret af termoritsammensætningen.

Tabel 2: Oversigt over status for kontakten ved temperaturer over og under setpunktet.

KEMET termiske afbrydere produktudbud

KEMET tilbyder to serier: TRS-serien og OHD-serien. Begge serier har "break (ON/OFF)" og "make (OFF/ON)"-typer.

Generelt anvendes afbrydere af break-type til styring af varmeapparater, mens afbrydere af make-type anvendes til styring af køleapparater som f.eks. ventilatorer eller køleskabe.

TRS-serien af termiske reedafbrydere er sensorer med høj præcision til temperaturstyringsapplikationer med en standardnøjagtighed på ±2,5 °C. Der er seks produktlinjer, som er tilgængelige i følgende pakker (figur 9):

Figur 9: Tilgængelige pakker til TRS-serien. (Billedkilde: KEMET)

Du kan finde flere oplysninger om TRS-serien i TRS-seriens datablad.

TRS-serien understøtter en bred vifte af driftstemperaturer fra -10 °C til +130 °C. Nogle TRS5-enheder er certificeret i henhold til UL-, CSA- og VDE-sikkerhedsspecifikationer. Designere kan vælge 100 V eller 200 V spænding og maksimal effekt fra 6 W til 72 W.

OHD Thermal Guard-kontakterne anvendes, når der er behov for simpel overophedningsbeskyttelse. OHD Thermal Guard-switche har en nøjagtighed på ±5 °C og kan anvendes med signaler fra ekstremt lave effektniveauer på ca. 0,1 mW op til 6 W. Temperaturindstillingspunkterne fås i 5 °C intervaller fra 30 °C til 130 °C.

Der findes tre pakningsvarianter:

• OHD3 bolt-down-pakke med loddefaner
• OHD1 aksial ledet pakning til montering i gennemgående hul på printkort
• OHD5R radialt ledet gennemgående hulpakke, der er ideel til brug i trange rum.

Figur 10 viser de tilgængelige pakker til OHD-serien.

Figur 10: Tilgængelige pakker til OHD-serien. (Billedkilde: KEMET)

Du kan finde flere oplysninger om OHD-serien i OHD-seriens datablad.

Tabel 3 opsummerer de vigtigste forskelle mellem TRS- og OHD-serierne.

Tabel 3: Forskellene mellem TRS- og OHD-serierne.

Eksperimenterne

I en test af disse sensorer blev der fokuseret på de to parametre, der er fremhævet i tabel 4.

Tabel 4: TRS-seriens temperaturkarakteristika. (Billedkilde: KEMET)

Forsøg 1, TRS-serien

Testudstyret:

1. KEMET TRS5-sensorer:

• TRS5-60BLR00V(399-18231-ND): 60°C, 264_VAC, break type
• TRS5-100BLR00V(399-18235-ND: 100°C, 264_VAC, break type

Figur 11: En KEMET TRS5-sensor. (Billedkilde: DigiKey)

2. Klein Tools digitalt termometer, ET05 (1742-1249-ND)

Figur 12: Klein Tools ET05 digitalt termometer. (Billedkilde: Klein Tools)

3. 220 V pære med pæreholder

Figur 13: 220 V-pære og fatning. (Billedkilde: DigiKey)

4. Stearinlys

TRS5-testprocedure:

TRS5-60BLR00V- og TRS5-100BLR00V-sensorerne blev sat i serie mellem den varme netledning og pæreholderledningen.

Figur 14: Pære og holder tilsluttet til strømkablet. (Billedkilde: DigiKey)

Måling af sensortemperaturen ved hjælp af Klein-termometeret er ret udfordrende.

Figur 15: Klein-termometer og KEMET TRS560BLR00V. (Billedkilde: DigiKey)

For at lette temperaturmålingerne blev sensoren og Klein-termometersonden pakket ind i aluminiumsfolie for at skabe en mere eller mindre ensartet omgivelsestemperatur ved hjælp af en "ovnovneeffekt". Det er ikke den mest effektive metode til at måle temperaturen, og Klein-termometeret er ikke det bedste eller mest præcise værktøj, men for enkelhedens skyld giver det stadig gode resultater til at forstå sensorens adfærd.

Figur 16: Klein-termometersonden og temperaturføleren pakkes ind i folie for at skabe en "ovnovnseffekt", der letter temperaturmålingen. (Billedkilde: DigiKey)

Den endelige forsøgsopstilling er som vist i figur 17 nedenfor.

Figur 17: Forsøgsopstilling med TRS5-60BLR00V. (Billedkilde: DigiKey)

Når pæren med TRS5-60BLR00V- eller TRS5-100BLR00V-sensoren sættes i serie til lysnettet, tændes pæren. Derefter blev stearinlyset brugt til at opvarme sensoren.

Som det fremgår af figur 18 og 19, er pæren stadig tændt ved 58,6 °C for 60-gradersensoren (TRS5-60BLR00V) og ved 98,8 °C for 100-gradersensoren (TRS5-100BLR00V).

Figur 18 og 19: TRS5-60BLR00V og TRS5-100BLR00V (Billedkilde: DigiKey)

Dette forsøg blev gentaget flere gange, og tænd/sluk-omskiftningen skete meget tæt på sensorernes omskiftningstemperaturværdi: 59-62 °C for 60 °C-sensoren og 99-102 °C for 100 °C-sensoren. Så parameteren for præcision af koblingstemperaturen på ±2,5 °C er fuldt ud opfyldt.

Video 1 viser den temperatur, hvor pæren blev slukket - mellem 59,4 og 60,1 °C for 60 graders sensoren (TRS5-60BLR00V).

Det næste skridt var at kontrollere parameteren "Differentialtemperatur", som i tabel 4 er angivet som "10°C maksimum".

Video 2 viser dette eksperiment. Efter at sensoren havde nået sin koblingstemperatur på 61,4 °C for 60-graders sensoren, slukkede TRS5-60BLR00V og pæren. Varmeelementet - stearinlyset - blev derefter flyttet væk fra sensoren.

Som forventet steg temperaturen en smule og begyndte derefter at falde. Ved en temperatur på 57,8 °C tændte pæren igen, hvilket beviser cyklussen som vist i figur 7. Ud fra disse data blev "differencetemperaturen" fastsat til 3,6 °C. Yderligere test viste lignende resultater - den målte parameter "Differentialtemperatur" lå altid i intervallet 3 °C til 4 °C.

For 100 graders sensoren TRS5-60BLR00V viste testene de samme resultater: "Differentialtemperaturen" blev bestemt til at ligge i intervallet 3 °C til 4 °C.

Forsøg 2, OHD-sensor

Testudstyret:

1. KEMET OHD-sensor, OHD1-60M(399-12143-ND): 60°C, 6 W, fabrikat type

Figur 20: KEMET OHD160M. (Billedkilde: DigiKey)

2. Klein Tools digitalt termometer, ET05 (1742-1249-ND)

Figur 21: Klein Tools ET05 digitalt termometer. (Billedkilde: Klein Tools)

3. LED, 5 mm T-1 3/4 (Broadcom HLMP-3750(516-1345-ND) blev anvendt)

Figur 22: Broadcom HLMP-3750 LED. (Billedkilde: Broadcom Limited)

4. Twin Industries, breadboard, TW-E41-1020(438-1046-ND)

Figur 23: Twin Industries TW-E41-1020 breadboard (Billedkilde: DigiKey)

5. ADI Active Learning Module, ADALM2000(ADALM2000-ND) som en 5 V strømforsyning

Figur 24: ADI ADALM2000 aktivt læringsmodul. (Billedkilde: Analog Devices Inc.)

6. Stearinlys

OHD1-60M testprocedure:

KEMET OHD 60 graders OHD1-60M-sensoren OHD1-60M blev sat i serie mellem 5 V-strømforsyningen fra ADALM2000 og LED'en (figur 25).

Figur 25: Forsøgsopstilling med OHD1-60M. (Billedkilde: DigiKey)

Ligesom i det første forsøg blev OHD1-60M-sensoren pakket ind i aluminiumsfolie sammen med Klein-termometersonden.

Figur 26: OHD1-60M-sensor og Klein-termometersonde pakket ind i folie. (Billedkilde: DigiKey)

Så længe sensortemperaturen var mindre end 60 °C, blev LED'en slukket. Ved en temperatur på 59,2 °C tændte LED'en. Video 3 demonstrerer denne proces.

Gentagne test viste den samme opførsel af sensoren. LED'en tændes i temperaturområdet mellem 59 og 62 °C, hvilket opfylder specifikationen i databladet.

"Differentialtemperaturen" lå også i intervallet 3 - 4 °C under "Skiftetemperaturen".

Konklusion

Det er meget enkelt at implementere KEMET's TRS og OHD-serier af temperatursensorer som ON/OFF temperaturkontakter, og de giver nøjagtige resultater uden at gå på kompromis med præcision, stabilitet og pålidelighed. De fås i forskellige spændingsværdier, formfaktorer og et bredt udvalg af koblingstemperaturer. De fås i normalt åbne (break type) eller normalt lukkede (make type) konfigurationer.