圖片來源：Kemet

　　作者 | Randall Scasny

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

　　發熱是電子設備的主要問題，尤其是在工業自動化或機器人等高功率應用中。過熱不僅會縮短電子設備的壽命，還會迅速導致部件損壞、火災、爆炸，甚至導致運行人員受傷。

　　熱敏開關可減輕電子產品中的熱損傷。它們可以檢測異常溫度，并在任何損壞發生之前切斷系統。與熱熔絲不同(熱熔絲是一種耗材，在熔斷后必須更換)，熱敏開關在冷卻后即可復位。但在我們證明熱敏開關如何解決電子領域的現實挑戰之前，工程師們必須了解它們是如何工作的。

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

　　熱敏開關可以使用多種技術實現，包括雙金屬開關、熱簧片開關、水銀開關、具有不同溫度系數的桿和管開關以及氣動開關。下面列出了使用不同類型的熱敏開關來控制熱量積聚的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。熱敏電阻對溫度波動敏感，可以精確測量溫度。熱敏電阻可用于電路保護(電涌保護)、油溫測量和汽車冷卻液等應用。

　　工程師在設計產品時，應考慮熱敏電阻的兩個參數：負溫度系數(NTC)和正溫度系數(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換為電信號。分壓器將熱敏電阻的阻值轉換為電信號。當溫度變化時，電信號隨之變化，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

　　雙金屬開關由兩個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度粘合在一起，要么通過鉚釘、要么通過熔合連接。該結構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。雙金屬開關的特性可用于轉換電路或溫度計，其中指針指示表盤上的溫度。雙金屬開關通常用于恒溫器、溫度計、時鐘機構和熱機等。

　　鋼的熱膨脹系數為每攝氏度百萬分之十二(12 ppm/℃)。銅的系數為16.6ppm/℃，黃銅的系數為18.7ppm/℃。當加熱由鋼和銅、或鋼和黃銅構成的金屬條時，帶材將向鋼彎曲，因為鋼是熱膨脹系數較小的金屬。

　　03

　　簧片開關

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

　　

　　▲圖1：簧片開關結構。

　　簧片開關在磁場存在時打開和關閉。對于用作熱敏開關的簧片開關，必須與溫度變化能產生磁場的材料結合使用。

　　法國物理學家皮埃爾·居里發現的居里點，是某些磁體失去磁性的溫度。當用作熱簧片開關時，工程師發現添加定量的摻雜劑，可以有效地控制材料的居里點。

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

　　圖2顯示了一個斷開型開關，它是常閉的。如果工作溫度未超過觸發溫度，開關保持閉合(ON)。當溫度升高到等于或高于觸發溫度時，則打開(OFF)。

　　

　　▲圖2：斷開型熱簧片開關。

　　圖3展示了一個接通型開關。當工作溫度低于觸發溫度時，接通型開關打開(OFF)。當工作溫度高于觸發溫度時，開關閉合(ON)。

　　

　　▲圖3：接通型的Thermorite開關。

　　該圖還說明了接通型開關的運行機理。低于居里點的溫度時，熱鐵氧體產生環形磁場。該磁場在簧片開關內的觸點中，感應出N極和S極，并產生磁吸引力，使觸點尖端接觸，使開關處于閉合或接通狀態。

　　當熱鐵氧體的溫度達到居里點時，它失去磁通量，變成非磁性。由于不再存在磁吸引力，觸點尖端斷開，使開關處于斷開狀態。

　　接通型和斷開型開關的區別在于：在兩段熱鐵氧體之間增加了間隙墊片。如果溫度不超過觸發溫度，則會產生磁場，將簧片開關中的觸點分開。當溫度達到觸發點時，它變為非磁性。永久磁鐵在簧片開關的觸點中感應出N極和S極，產生磁吸引力，使觸點的尖端接觸，從而關閉開關(ON)。

　　04

　　熱敏開關為制造商帶來的好處

　　過熱對電子部件的壽命構成嚴重威脅，如果不加以控制，可能會傷害運行人員。熱敏開關在溫度監測中起著關鍵作用，當系統的工作溫度超過安全水平時，熱敏開關可以關閉系統。

　　在設計電子產品時，工程師應仔細考慮運行要求以確定適合的熱敏開關解決方案，該解決方案應該更簡單，節省更多成本，最重要的是具有更高的可靠性。

　　關鍵概念：

　　■ 熱敏開關是一種機電式溫度控制裝置，可在規定溫度下切斷電氣連接。

　　■ 熱敏開關具有更高的精度和整體魯棒性，以及更好的響應時間和相對較低的滯后性。

　　■ 在預防性維護中，用戶可以使用眾多工具，熱敏開關是其中之一。

　　思考一下：

　　熱敏開關為制造企業帶來哪些好處?