KEMET's nieuwe Thermorite® Temperatuursensor met ingebouwde AAN/UIT-Reedschakelaar

Introductie

Temperatuursensoren worden op grote schaal gebruikt in vele toepassingen om de temperatuur van het systeem te regelen en te bewaken en dienovereenkomstig maatregelen te nemen.

In de meeste gevallen is de temperatuursensor een chip of module met geïntegreerde schakeling (IC) die de temperatuurinformatie via diverse interfaces doorgeeft aan een MCU die op basis van deze uitlezing beslist welke actie moet worden ondernomen.

Deze aanpak heeft veel voordelen, maar vereist inzicht in elektronica, betrokkenheid bij het ontwerpproces en tijd om te implementeren.

Als een eenvoudige AAN/UIT-functie nodig is, zoals bijvoorbeeld alleen de ventilator aanzetten of de voeding tijdelijk uitschakelen als een systeem heet wordt en weer normaal gaan werken als het weer koeler wordt, worden mechanische thermostaten zoals afgebeeld in figuur 1 al vele jaren gebruikt.

Figuur 1: Afbeeldingen van de mechanische thermostaten. (Bron afbeelding: DigiKey)

Deze mechanische thermostaten zijn gebaseerd op bimetalen elementen, d.w.z. twee stukken van verschillende metalen die bij verhitting met verschillende snelheid uitzetten en aan elkaar worden gelijmd tot een bimetalen schijf of strip.

De strip werkt als een brug in een elektrisch circuit dat verbonden is met de voedingsstroom. Normaal voert de strip elektriciteit door het circuit. Wanneer de strip heet wordt, zet een van de metalen meer uit dan het andere, zodat de hele strip buigt en de stroomkring breekt (opent) (figuur 2).

Figuur 2: Het principe van een bimetaalthermostaat. (Afbeelding bron: Chegg.com)

Enkele van de leveranciers van mechanische bimetaalthermostaten die DigiKey aanbiedt zijn Bourns, Cantherm, Honeywell Sensing, Littelfuse en Sensata.

In sommige andere gevallen worden thermistors (NTC of PTC) gebruikt (figuur 3). Zij bewaken de temperatuur door weerstandsverandering als gevolg van temperatuursverandering. Maar ze hebben nog steeds een besturingscircuit en een fysieke schakelaar nodig om aan of uit te kunnen schakelen.

Figuur 3: Afbeeldingen van de thermistors. (Afbeelding bron: Electrical4u.com)

KEMET introduceerde onlangs thermostaatschakelaars gebaseerd op een gepatenteerde technologie

van Tokin (een verkoper die in 2017 door KEMET is overgenomen). In een notendop is de technologie gebaseerd op de ontdekking van de Franse natuurkundige Pierre Curie dat een permanente magneet bij een bepaalde temperatuur zijn magnetische eigenschappen verliest. Deze temperatuur staat nu bekend als het zogenaamde "Curie-punt". Met behulp van enkele gepatenteerde technieken heeft TOKIN een materiaal gecreëerd dat dit "Curiepunt" kan controleren, bewaken en aanpassen. Dit materiaal, bekend als Thermorite®, in combinatie met een bekende reed-switch technologie, creëert een thermische schakelaar die opent of sluit wanneer deze zeer specifieke en strak gecontroleerde temperatuur (ook bekend als een "instelpunt" of "triggertemperatuur") wordt bereikt (figuur 4).

Figuur 4: Basisstructuur van de Thermorite® temperatuurschakelaar. (Bron afbeelding: KEMET)

Voordelen van thermorietschakelaar t.o.v. mechanische bi-metaalthermostaten

De voornaamste voordelen van Thermorite schakelaars zijn:

1. Hoge betrouwbaarheid (lange levensduur van het product)
2. Uitstekende omgevingsbestendigheid tegen stof, explosie, vocht en corrosie
3. Groot instelbereik temperatuur
4. Hoge precisie (nauwkeurigheid)
5. Snelle reactietijd
6. Stabiel in de tijd (geen veroudering)

Tabel 1 bevat de basisvergelijkingen tussen deze twee technologieën.

Tabel 1: Vergelijking van KEMET Thermorite schakelaars en bimetaalthermostaten.

KEMET thermische sensoren basisconstructie en werkingsprincipe

Er zijn twee soorten thermische sensoren van KEMET: "Break" type (SPST-NO) en "Make" type (SPST-NC).

Schakelaar van het onderbrekingstype (SPST-NO)

De onderbrekingsschakelaar bestaat uit een thermorietcilinder die het tongetje omgeeft. Aan beide uiteinden van de cilinder bevinden zich ringvormige permanente magneten, zoals afgebeeld in figuur 5.

Figuur 5: Structuur van de breuksensor. (Bron afbeelding: KEMET)

Onder de ingestelde temperatuur (activeringstemperatuur) werkt het thermoriet als een magnetisch materiaal en creëert het een enkel magnetisch veld dat inwerkt op de tegenover elkaar liggende permanente magneetpolen in het riet, waardoor deze worden verbonden en de schakelaar "AAN" wordt gezet.

Wanneer het temperatuurinstelpunt wordt overschreden, verliest het thermoriet zijn magnetische eigenschap. Op dit punt wordt het enkele magnetische veld twee afzonderlijke velden die verbonden zijn met de permanente magneten aan elk uiteinde van de schakelaar, waardoor de contacten worden gescheiden. Dit zet de schakelaar op "OFF".

Maak-type (SPST-NC) schakelaar

Het maak-type heeft een soortgelijke structuur als het breek-type, met uitzondering van een extra afstandsstuk (spleet) dat in het midden van de thermorietcilinder is aangebracht om een werking te verkrijgen die tegengesteld is aan die van het breek-type, zoals afgebeeld in figuur 6.

Figuur 6: Make-type schakelaar structuur. (Bron afbeelding: KEMET)

Onder het temperatuurinstelpunt (activeringstemperatuur) zorgt de afstandsbus ervoor dat de permanente magneten en het thermoriet twee onafhankelijke magnetische velden creëren die op dezelfde manier werken als die van de breuksensor in de hoge-temperatuurmodus. De contacten worden gescheiden en de schakelaar wordt "UIT" gezet.

Wanneer het temperatuurinstelpunt wordt overschreden, verliest het thermoriet zijn magnetische eigenschap. Op dit punt werken twee onafhankelijke velden van de permanente magneten in op de uiteinden van het riet, waardoor de contacten vastklikken en de schakelaar "AAN" wordt gezet.

Bij zowel het "break" als het "make" type komt de sensor, wanneer hij afkoelt, terug in zijn normale toestand ("ON" voor het "break" type en "OFF" voor het "make" type). Figuur 7 toont deze AAN/UIT-cyclus voor de "break" type sensor en figuur 8 toont deze UIT/AAN-cyclus voor de "make" type sensor.

Het temperatuurpunt waarbij de normale toestand wordt hervat, wordt de hersteltemperatuur of resettemperatuur genoemd. Het verschil tussen het instelpunt (activeringstemperatuur) en de herstellings-/reset-temperatuur wordt de verschiltemperatuur genoemd.

Figuur 7: AAN/UIT-cyclus voor de sensor van het "break"-type. (Bron afbeelding: KEMET)

Figuur 8: UIT/AAN-cyclus voor de sensor van het type "merk". (Bron afbeelding: KEMET)

Tabel 2 geeft een overzicht van de schakeltoestanden bij temperaturen boven en onder het door de samenstelling van het thermoriet bepaalde instelpunt.

Tabel 2: Overzicht van de schakelaarstatus bij temperaturen boven en onder het instelpunt.

KEMET thermische schakelaars productaanbod

KEMET biedt twee series aan: de TRS-serie en de OHD-serie. Beide series hebben een "break (ON/OFF)" en een "make (OFF/ON)" type.

In het algemeen worden break-schakelaars gebruikt voor verwarmingstoepassingen, terwijl make-schakelaars worden gebruikt voor de besturing van koelapparaten zoals ventilatoren of koelkasten.

De TRS-serie thermische reed-sensoren zijn uiterst nauwkeurige sensoren voor temperatuurregelingstoepassingen, met een standaardnauwkeurigheid van ±2,5°C. Er zijn zes productlijnen, die verkrijgbaar zijn in de volgende pakketten (figuur 9):

Figuur 9: Beschikbare pakketten voor de TRS-serie. (Bron afbeelding: KEMET)

Meer informatie over de TRS-serie is te vinden in de TRS-serie datasheet.

De TRS-serie is geschikt voor een breed bedrijfstemperatuurbereik van -10°C tot +130°C. Sommige TRS5-apparaten zijn gecertificeerd volgens UL-, CSA- en VDE-veiligheidsspecificaties. Ontwerpers kunnen kiezen uit spanningsbereiken van 100 V of 200 V en maximumvermogens van 6 W tot 72 W.

De OHD Thermische Beschermschakelaars worden gebruikt waar eenvoudige oververhittingsbeveiliging nodig is. OHD Thermal Guard schakelaars zijn nauwkeurig tot ±5°C en kunnen worden gebruikt met signalen van extreem lage vermogens van ongeveer 0,1 mW tot 6 W. Temperatuurinstelpunten zijn beschikbaar in stappen van 5°C van 30°C tot 130°C.

Er zijn drie verpakkingsstijlen beschikbaar:

• OHD3 bout-down pakket met soldeerlipjes
• OHD1 axial-leaded pakket voor through-hole printmontage
• OHD5R radiaal-geleid door-gat pakket dat ideaal is voor gebruik in kleine ruimtes.

Figuur 10 toont de beschikbare pakketten voor de OHD-serie.

Figuur 10: Beschikbare pakketten voor de OHD-serie. (Bron afbeelding: KEMET)

Meer informatie over de OHD serie is te vinden in de OHD serie datasheet.

Tabel 3 geeft een overzicht van de belangrijkste verschillen tussen de TRS- en de OHD-reeks.

Tabel 3: De verschillen tussen de TRS- en de OHD-reeks.

De experimenten

Bij een test van deze sensoren werd de nadruk gelegd op de twee in tabel 4 genoemde parameters.

Tabel 4: Temperatuurkenmerken TRS-serie. (Afbeelding bron: KEMET)

Experiment 1, TRS serie

De testapparatuur:

1. KEMET TRS5 sensoren:

• TRS5-60BLR00V(399-18231-ND): 60°C, 264 VAC, onderbrekingstype
• TRS5-100BLR00V(399-18235-ND: 100°C, 264 VAC, onderbrekingstype

Figuur 11: Een KEMET TRS5-sensor. (Bron afbeelding: DigiKey)

2. Klein gereedschap digitale thermometer, ET05(1742-1249-ND)

Figuur 12: Klein Tools ET05 digitale thermometer. (Afbeelding bron: Klein Tools)

3. 220 V gloeilamp met lamphouder

Figuur 13: 220 V gloeilamp en houder. (Bron afbeelding: DigiKey)

4. Kaars

TRS5 test procedure:

De TRS5-60BLR00V en TRS5-100BLR00V sensoren werden in serie geschakeld tussen de hete stroomdraad en de draad van de lamphouder.

Figuur 14: Lamp en houder aangesloten op netsnoer. (Bron afbeelding: DigiKey)

Het meten van de temperatuur van de sensor met behulp van Klein thermometer is nogal een uitdaging.

Figuur 15: Klein thermometer en KEMET TRS560BLR00V. (Bron afbeelding: DigiKey)

Om de temperatuurmeting te vergemakkelijken werden de sensor en de sonde van de Klein thermometer in aluminiumfolie gewikkeld om een min of meer uniforme omgevingstemperatuur te creëren met behulp van een "fornuisoven"-effect. Het is niet de meest efficiënte methode om de temperatuur te meten en de Klein thermometer is niet het beste of meest nauwkeurige instrument, maar omwille van de eenvoud geeft het toch goede resultaten bij het begrijpen van het gedrag van de sensor.

Figuur 16: De sonde van de Klein thermometer en de temperatuursensor in folie wikkelen om een "fornuisoven"-effect te creëren ter ondersteuning van de temperatuurmeting. (Bron afbeelding: DigiKey)

De uiteindelijke proefopstelling is als in onderstaande figuur 17.

Figuur 17: Experimentopstelling met TRS5-60BLR00V. (Bron afbeelding: DigiKey)

Door de lamp met de TRS5-60BLR00V of TRS5-100BLR00V sensor in serie op het lichtnet aan te sluiten, gaat de lamp aan. Daarna werd de kaars gebruikt om de sensor te verwarmen.

Zoals te zien is in Figuren 18 en 19, brandt de lamp bij 58,6°C voor de 60 graden sensor (TRS5-60BLR00V) en bij 98,8°C voor de 100 graden sensor (TRS5-100BLR00V) nog steeds.

Afbeeldingen 18 en 19: TRS5-60BLR00V en TRS5-100BLR00V (Beeldbron: DigiKey)

Dit experiment werd verschillende malen herhaald en de aan/uit-schakeling gebeurde zeer dicht bij de schakeltemperatuurwaarde van de sensoren: 59-62°C voor de 60°C-sensor en 99°C tot 102°C voor de 100°C-sensor. Aan de parameter voor de nauwkeurigheid van de schakeltemperatuur van ±2,5°C wordt dus volledig voldaan.

Video 1 toont de temperatuur waarbij de lamp werd uitgezet - tussen 59,4 en 60,1°C voor de 60 graden sensor (TRS5-60BLR00V).

De volgende stap was het controleren van de parameter "Differentiële temperatuur", die in tabel 4 is gespecificeerd als "10°C maximum".

Video 2 toont dit experiment. Nadat de sensor zijn schakeltemperatuur van 61,4°C voor de 60 graden sensor had bereikt, schakelden TRS5-60BLR00V en de lamp uit. Het verwarmingselement - de kaars - werd dan van de sensor weg bewogen.

Zoals verwacht, bleef de temperatuur een beetje stijgen en begon toen te dalen. Bij een temperatuur van 57,8°C ging de lamp weer branden, waarmee de cyclus van figuur 7 werd voltooid. Aan de hand van deze gegevens werd de "verschiltemperatuur" vastgesteld op 3,6°C. Aanvullende tests gaven soortgelijke resultaten te zien - de gemeten "Differentiële temperatuur"-parameter viel altijd binnen het bereik van 3°C tot 4°C.

Voor de 100 graden sensor TRS5-60BLR00V gaven de tests dezelfde resultaten te zien: de "Differentiële Temperatuur" werd vastgesteld op 3°C tot 4°C.

Experiment 2, OHD-sensor

De testapparatuur:

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

Figuur 20: KEMET OHD160M. (Bron afbeelding: DigiKey)

2. Klein gereedschap digitale thermometer, ET05 (1742-1249-ND)

Figuur 21: Klein Tools ET05 digitale thermometer. (Afbeelding bron: Klein Tools)

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

Figuur 22: Broadcom HLMP-3750 LED. (Beeldbron: Broadcom Limited)

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

Figuur 23: Twin Industries TW-E41-1020 breadboard (Afbeelding bron: DigiKey)

5. ADI actieve leermodule, ADALM2000(ADALM2000-ND) als een 5 V voeding

Figuur 24: ADI ADALM2000 actieve leermodule. (Afbeelding bron: Analog Devices Inc.)

6. Kaars

OHD1-60M test procedure:

De KEMET OHD 60 graden sensor OHD1-60M werd in serie geschakeld tussen de 5 V voeding van de ADALM2000 en de LED (figuur 25).

Figuur 25: Opstelling van het experiment met OHD1-60M. (Bron afbeelding: DigiKey)

Net als bij het eerste experiment werd de sensor OHD1-60M samen met de sonde van de Klein thermometer in aluminiumfolie gewikkeld.

Figuur 26: Sensor OHD1-60M en sonde van de Klein thermometer in folie gewikkeld. (Bron afbeelding: DigiKey)

Zolang de temperatuur van de sensor lager was dan 60°C, was de LED uit. Bij een temperatuur van 59,2°C ging de LED branden. Video 3 demonstreert dit proces.

Herhaalde tests toonden hetzelfde gedrag van de sensor aan. De LED gaat aan in het temperatuurbereik tussen 59 - 62°C, wat overeenkomt met de specificatie in het gegevensblad.

De "verschiltemperatuur" lag ook tussen 3 en 4°C onder de "schakeltemperatuur".

Conclusie

Het implementeren van KEMET's TRS en OHD serie temperatuursensoren als ON/OFF temperatuurschakelaars is zeer eenvoudig, en ze leveren nauwkeurige resultaten zonder in te boeten aan precisie, stabiliteit en betrouwbaarheid. Ze zijn verkrijgbaar in verschillende spanningsbereiken, vormfactoren en een groot aantal schakeltemperaturen. Ze zijn verkrijgbaar in normaal open (onderbrekingstype) of normaal gesloten (maak type) configuraties.