圖片來(lái)源：Kemet

　　作者 | Randall Scasny

　　熱敏開關(guān)有助于減輕電子產(chǎn)品的損壞，防止工況惡化。本文重點(diǎn)介紹了用熱敏開關(guān)控制熱量積聚的3種方法。

　　發(fā)熱是電子設(shè)備的主要問(wèn)題，尤其是在工業(yè)自動(dòng)化或機(jī)器人等高功率應(yīng)用中。過(guò)熱不僅會(huì)縮短電子設(shè)備的壽命，還會(huì)迅速導(dǎo)致部件損壞、火災(zāi)、爆炸，甚至導(dǎo)致運(yùn)行人員受傷。

　　熱敏開關(guān)可減輕電子產(chǎn)品中的熱損傷。它們可以檢測(cè)異常溫度，并在任何損壞發(fā)生之前切斷系統(tǒng)。與熱熔絲不同(熱熔絲是一種耗材，在熔斷后必須更換)，熱敏開關(guān)在冷卻后即可復(fù)位。但在我們證明熱敏開關(guān)如何解決電子領(lǐng)域的現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)之前，工程師們必須了解它們是如何工作的。

　　熱敏開關(guān)是一種機(jī)電式溫度控制裝置，在特定溫度下可以斷開電氣連接。熱敏開關(guān)通常是可重復(fù)使用的，可防止出現(xiàn)需要用戶糾正的情況。

　　熱敏開關(guān)可以使用多種技術(shù)實(shí)現(xiàn)，包括雙金屬開關(guān)、熱簧片開關(guān)、水銀開關(guān)、具有不同溫度系數(shù)的桿和管開關(guān)以及氣動(dòng)開關(guān)。下面列出了使用不同類型的熱敏開關(guān)來(lái)控制熱量積聚的3種方法。

　　01

　　熱敏電阻和微控制器

　　熱敏電阻是一種電阻，其阻值隨溫度變化而變化。熱敏電阻對(duì)溫度波動(dòng)敏感，可以精確測(cè)量溫度。熱敏電阻可用于電路保護(hù)(電涌保護(hù))、油溫測(cè)量和汽車?yán)鋮s液等應(yīng)用。

　　工程師在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)，應(yīng)考慮熱敏電阻的兩個(gè)參數(shù)：負(fù)溫度系數(shù)(NTC)和正溫度系數(shù)(PTC)。NTC熱敏電阻阻值隨著溫度升高而降低;相反，PTC熱敏電阻阻值隨著溫度的升高而增加。

　　熱敏電阻中的阻值變化，可以用惠斯通電橋或分壓器電路轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。分壓器將熱敏電阻的阻值轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。當(dāng)溫度變化時(shí)，電信號(hào)隨之變化，其值可由微控制器的模擬輸入讀取，并顯示在LCD屏幕上。

　　02

　　雙金屬開關(guān)

　　雙金屬開關(guān)由兩個(gè)具有不同熱性能的金屬條組成，通常是黃銅與鋼或銅與鋼的組合。這些金屬條帶沿其長(zhǎng)度粘合在一起，要么通過(guò)鉚釘、要么通過(guò)熔合連接。該結(jié)構(gòu)的形狀可以是扁平條帶或同心線圈。

　　隨著溫度的升高，兩種金屬以不同的速率膨脹，使帶材彎曲。雙金屬開關(guān)的特性可用于轉(zhuǎn)換電路或溫度計(jì)，其中指針指示表盤上的溫度。雙金屬開關(guān)通常用于恒溫器、溫度計(jì)、時(shí)鐘機(jī)構(gòu)和熱機(jī)等。

　　鋼的熱膨脹系數(shù)為每攝氏度百萬(wàn)分之十二(12 ppm/℃)。銅的系數(shù)為16.6ppm/℃，黃銅的系數(shù)為18.7ppm/℃。當(dāng)加熱由鋼和銅、或鋼和黃銅構(gòu)成的金屬條時(shí)，帶材將向鋼彎曲，因?yàn)殇撌菬崤蛎浵禂?shù)較小的金屬。

　　03

　　簧片開關(guān)

　　簧片開關(guān)是一種磁反應(yīng)開關(guān)，包含兩塊小的鐵鎳(Fe-Ni)合金板。如圖1所示，簧片開關(guān)可以封裝在充滿惰性氣體的玻璃管內(nèi)，從而降低簧片開關(guān)的金屬疲勞風(fēng)險(xiǎn)并延長(zhǎng)其壽命。封閉式簧片開關(guān)具有防塵、防潮、防爆和耐腐蝕等特性。

　　▲圖1：簧片開關(guān)結(jié)構(gòu)。

　　簧片開關(guān)在磁場(chǎng)存在時(shí)打開和關(guān)閉。對(duì)于用作熱敏開關(guān)的簧片開關(guān)，必須與溫度變化能產(chǎn)生磁場(chǎng)的材料結(jié)合使用。

　　法國(guó)物理學(xué)家皮埃爾·居里發(fā)現(xiàn)的居里點(diǎn)，是某些磁體失去磁性的溫度。當(dāng)用作熱簧片開關(guān)時(shí)，工程師發(fā)現(xiàn)添加定量的摻雜劑，可以有效地控制材料的居里點(diǎn)。

　　工程師可以選擇兩類熱簧片開關(guān)：斷開類型(break-type)和接通類型(make-type)。兩者都由熱鐵氧體、簧片開關(guān)和永磁體組成。在溫度變化時(shí)，熱鐵氧體的磁特性會(huì)發(fā)生變化，簧片開關(guān)可以據(jù)此打開或關(guān)閉。

　　圖2顯示了一個(gè)斷開型開關(guān)，它是常閉的。如果工作溫度未超過(guò)觸發(fā)溫度，開關(guān)保持閉合(ON)。當(dāng)溫度升高到等于或高于觸發(fā)溫度時(shí)，則打開(OFF)。

　　▲圖2：斷開型熱簧片開關(guān)。

　　圖3展示了一個(gè)接通型開關(guān)。當(dāng)工作溫度低于觸發(fā)溫度時(shí)，接通型開關(guān)打開(OFF)。當(dāng)工作溫度高于觸發(fā)溫度時(shí)，開關(guān)閉合(ON)。

　　▲圖3：接通型的Thermorite開關(guān)。

　　該圖還說(shuō)明了接通型開關(guān)的運(yùn)行機(jī)理。低于居里點(diǎn)的溫度時(shí)，熱鐵氧體產(chǎn)生環(huán)形磁場(chǎng)。該磁場(chǎng)在簧片開關(guān)內(nèi)的觸點(diǎn)中，感應(yīng)出N極和S極，并產(chǎn)生磁吸引力，使觸點(diǎn)尖端接觸，使開關(guān)處于閉合或接通狀態(tài)。

　　當(dāng)熱鐵氧體的溫度達(dá)到居里點(diǎn)時(shí)，它失去磁通量，變成非磁性。由于不再存在磁吸引力，觸點(diǎn)尖端斷開，使開關(guān)處于斷開狀態(tài)。

　　接通型和斷開型開關(guān)的區(qū)別在于：在兩段熱鐵氧體之間增加了間隙墊片。如果溫度不超過(guò)觸發(fā)溫度，則會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，將簧片開關(guān)中的觸點(diǎn)分開。當(dāng)溫度達(dá)到觸發(fā)點(diǎn)時(shí)，它變?yōu)榉谴判?。永久磁鐵在簧片開關(guān)的觸點(diǎn)中感應(yīng)出N極和S極，產(chǎn)生磁吸引力，使觸點(diǎn)的尖端接觸，從而關(guān)閉開關(guān)(ON)。

　　04

　　熱敏開關(guān)為制造商帶來(lái)的好處

　　過(guò)熱對(duì)電子部件的壽命構(gòu)成嚴(yán)重威脅，如果不加以控制，可能會(huì)傷害運(yùn)行人員。熱敏開關(guān)在溫度監(jiān)測(cè)中起著關(guān)鍵作用，當(dāng)系統(tǒng)的工作溫度超過(guò)安全水平時(shí)，熱敏開關(guān)可以關(guān)閉系統(tǒng)。

　　在設(shè)計(jì)電子產(chǎn)品時(shí)，工程師應(yīng)仔細(xì)考慮運(yùn)行要求以確定適合的熱敏開關(guān)解決方案，該解決方案應(yīng)該更簡(jiǎn)單，節(jié)省更多成本，最重要的是具有更高的可靠性。

　　關(guān)鍵概念：

　　■ 熱敏開關(guān)是一種機(jī)電式溫度控制裝置，可在規(guī)定溫度下切斷電氣連接。

　　■ 熱敏開關(guān)具有更高的精度和整體魯棒性，以及更好的響應(yīng)時(shí)間和相對(duì)較低的滯后性。

　　■ 在預(yù)防性維護(hù)中，用戶可以使用眾多工具，熱敏開關(guān)是其中之一。

　　思考一下：

　　熱敏開關(guān)為制造企業(yè)帶來(lái)哪些好處?