一文彻底搞懂“热敏开关”

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　　发热是电子设备的主要问题，尤其是在工业自动化或机器人等高功率应用中。过热不仅会缩短电子设备的寿命，还会迅速导致部件损坏、火灾、爆炸，甚至导致运行人员受伤。

　　热敏开关可减轻电子产品中的热损伤。它们可以检测异常温度，并在任何损坏发生之前切断系统。与热熔丝不同（热熔丝是一种耗材，在熔断后必须更换），热敏开关在冷却后即可复位。但在我们证明热敏开关如何解决电子领域的现实挑战之前，工程师们必须了解它们是如何工作的。

　　热敏开关可以使用多种技术实现，包括双金属开关、热簧片开关、水银开关、具有不同温度系数的杆和管开关以及气动开关。下面列出了使用不同类型的热敏开关来控制热量积聚的3种方法。

　　01 热敏电阻和微控制器

　　热敏电阻是一种电阻，其阻值随温度变化而变化。热敏电阻对温度波动敏感，可以精确测量温度。热敏电阻可用于电路保护（电涌保护）、油温测量和汽车冷却液等应用。

　　工程师在设计产品时，应考虑热敏电阻的两个参数：负温度系数（NTC）和正温度系数（PTC）。NTC热敏电阻阻值随着温度升高而降低；相反，PTC热敏电阻阻值随着温度的升高而增加。

　　热敏电阻中的阻值变化，可以用惠斯通电桥或分压器电路转换为电信号。分压器将热敏电阻的阻值转换为电信号。当温度变化时，电信号随之变化，其值可由微控制器的模拟输入读取，并显示在LCD屏幕上。

　　02 双金属开关

　　双金属开关由两个具有不同热性能的金属条组成，通常是黄铜与钢或铜与钢的组合。这些金属条带沿其长度粘合在一起，要么通过铆钉、要么通过熔合连接。该结构的形状可以是扁平条带或同心线圈。

　　随着温度的升高，两种金属以不同的速率膨胀，使带材弯曲。双金属开关的特性可用于转换电路或温度计，其中指针指示表盘上的温度。双金属开关通常用于恒温器、温度计、时钟机构和热机等。

　　钢的热膨胀系数为每摄氏度百万分之十二（12 ppm/℃）。铜的系数为16.6ppm/℃，黄铜的系数为18.7ppm/℃。当加热由钢和铜、或钢和黄铜构成的金属条时，带材将向钢弯曲，因为钢是热膨胀系数较小的金属。

　　03 簧片开关

　　簧片开关是一种磁反应开关，包含两块小的铁镍（Fe-Ni）合金板。如图1所示，簧片开关可以封装在充满惰性气体的玻璃管内，从而降低簧片开关的金属疲劳风险并延长其寿命。封闭式簧片开关具有防尘、防潮、防爆和耐腐蚀等特性。

▲图1：簧片开关结构。

　　簧片开关在磁场存在时打开和关闭。对于用作热敏开关的簧片开关，必须与温度变化能产生磁场的材料结合使用。

　　法国物理学家皮埃尔·居里发现的居里点，是某些磁体失去磁性的温度。当用作热簧片开关时，工程师发现添加定量的掺杂剂，可以有效地控制材料的居里点。

　　工程师可以选择两类热簧片开关：断开类型（break-type）和接通类型（make-type）。两者都由热铁氧体、簧片开关和永磁体组成。在温度变化时，热铁氧体的磁特性会发生变化www.cechina.cn，簧片开关可以据此打开或关闭。

　　图2显示了一个断开型开关，它是常闭的。如果工作温度未超过触发温度，开关保持闭合（ON）。当温度升高到等于或高于触发温度时，则打开（OFF）。

▲图2：断开型热簧片开关。

▲图3：接通型的Thermorite开关。

　　该图还说明了接通型开关的运行机理。低于居里点的温度时，热铁氧体产生环形磁场。该磁场在簧片开关内的触点中，感应出N极和S极，并产生磁吸引力，使触点尖端接触，使开关处于闭合或接通状态。

　　当热铁氧体的温度达到居里点时，它失去磁通量，变成非磁性。由于不再存在磁吸引力，触点尖端断开，使开关处于断开状态。

　　04 热敏开关为制造商带来的好处

　　过热对电子部件的寿命构成严重威胁，如果不加以控制，可能会伤害运行人员。热敏开关在温度监测中起着关键作用，当系统的工作温度超过安全水平时，热敏开关可以关闭系统。

　　在设计电子产品时，工程师应仔细考虑运行要求以确定适合的热敏开关解决方案，该解决方案应该更简单，节省更多成本，最重要的是具有更高的可靠性。（作者 | Randall Scasny）

　　关键概念：

　　■ 在预防性维护中，用户可以使用众多工具，热敏开关是其中之一。

　　思考一下：

　　热敏开关为制造企业带来哪些好处？

图说工控