디스크형 바이메탈 서모스탯

도입

이 글의 목적은 Digi-Key에서 제공되는 디스크형 바이메탈 서모스탯(온도 조절기/열 스위치/바이메탈 차단기로도 알려진) 제품들을 살펴보는 것입니다.

제품의 설계가 이해하기 쉽도록 되어 있지만, Digi-Key에서는 제품에 대한 여러 질문을 받습니다.

또한 부품이 불량이라고 주장하는 고객들의 전화가 고객 서비스 부서로부터 꽤 많이 걸려옵니다.

바이메탈 스트립/디스크

열 스위치에 있어 중요한 부품은 바이메탈 스트립입니다. 일반적인 바이메탈의 재료는 강철/구리 와 강철/황동이며, 서로 용접(welding), 땜질(brazing) 또는 기계적 결속(riveting)으로 접합되어 있습니다.

두 금속의 팽창 계수는 서로 달라서 온도가 변화되면 바이메탈 스트립은 한 쪽 또는 다른 쪽으로 구부러집니다(온도의 상승 또는 감소에 따라 다름).

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디스크형 바이메탈 서모스탯

바이메탈 차단기는 온도의 변화를 기계적 변위로 변환하기 위해서 바이메탈 디스크를 사용합니다. 이렇게 동작하기 위해서는 바이메탈 디스크를 접점, 단자 및 하우징과 결합시켜야 합니다.

Cantherm사 제품의 도면에서 볼 수 있듯이, 바이메탈 디스크가 접점(contacts)을 분리 또는 연결하는 구동 장치(actuator) 핀을 움직입니다.

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위의 그림은 이 글에서 사용되는 R 시리즈 바이메탈 차단기의 구조를 보여줍니다.
아래 그림은 Honeywell사의 스루홀 바이메탈 차단기중 하나입니다. 설계가 동일하지는 않지만 개념은 동일합니다.
바이메탈 디스크가 가열되어 구부러지면 접점은 분리됩니다.
바이메탈 차단기는 비교적 비쌉니다(크기와 제조사에 따라 $5-$40). 하지만 매우 사용하기 쉬운 온도 의존적 스위치입니다.

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응용 제품

다음은 바이메탈 차단기가 사용될 수 있는 몇 가지 일반적인 응용 제품입니다.

  • 공조 장비
  • 복사기
  • 의료 장비
  • 각종 소형 또는 대형 가전 제품
  • 모터 및 변압기
  • 화재/열 감지기
  • 전원 공급 장치

선택 기준

디스크형 바이메탈 서모스탯을 선택할 때 고려해야 할 사양이 몇 가지 있습니다.

  • 작동 온도
  • 주변 동작 온도
  • 접점 정격
  • 기대 수명
  • 습도
  • 종단 및 장착

작동 온도

  • 작동 온도는 단순히 서모스탯이 회로를 열거나 닫는 온도입니다. 열림 또는 닫힘 온도로 표현됩니다. 서모스탯은 상온에서의 상태에 따라 상시 열림 또는 상시 닫힘으로 표시됩니다.
  • 작동 또는 트립 온도는 리셋 온도와 동일하지 않습니다.
    예를 들어 아래 문서를 참고바랍니다:
  • 작동 온도에는 명시된 허용 오차가 있을 것입니다. 이 허용 오차는 °C/°F로 명시되며 제조사에 따라 다르게 표기됩니다.
    • 예를 들어 Cantherm사는 하나의 전체 시리즈에 대한 평균 허용 오차를 표기하는 반면, Sensata사는 하나의 시리즈 내에서도 몇 가지 다른 온도 범위의 허용 오차를 표기합니다. Honeywell사는 해당 정보가 부품 번호로 특정됩니다.
  • 작동 온도가 낮을수록 작동 온도 범위가 작아집니다. 그러나 10°C에서 3°C의 허용 오차는 100°C에서 6°C의 허용 오차보다 훨씬 더 주목할 만합니다.
자주 묻는 질문

바이메탈 차단기가 작동 온도 이하로 떨어진 직후에도 즉시 리셋 되지 않는 이유는 무엇인가요?

  • 바이메탈 디스크의 구조가 이 문제의 원인입니다. 바이메탈 디스크는 항상 평평하지 않은 돔 형태가 되도록 설계되어 있습니다.
  • 온도가 변화하면 (두 금속 간의)팽창 계수가 다름으로 인해 돔을 한 면에서 다른 한 면으로 충분히 당길 수 있을 때까지 힘이 형성될 것입니다.
  • 예를 들어, 디스크는 민트 캔디 뚜껑과 유사합니다. 충분한 힘을 가하면 돔은 한 쪽에서 다른 한 쪽으로 이동하지만 뚜껑은 절대 평평한 상태를 유지하지는 않습니다.
  • 돔을 원래의 위치로 되돌릴 수 있을 만큼 충분한 힘을 모으기 위해서는 온도가 작동 지점 아래로 상당히 내려가야 한다는 것은 일리가 있습니다.
  • 이 설계는 접점을 즉각 열고 닫기 위해 필요합니다. 만약 점진적인 온도 변화에 따라 접점이 같이 또는 따로 서서히 움직인다면, 아크 방전이 접점을 빠르게 파괴시킬 것입니다.

리셋 온도는 무엇인가요?

  • 이런 부품 중 일부는 작동 온도보다 5~50°C 낮은 지점에서 리셋 할 수 있기 때문에 이해할 만합니다.
  • 이 표현이 도움이 되는 유일한 방법은 이런 부품들은 작동 온도 이하로 떨어지는 즉시 재설정되지 않도록 되어 있다는 것을 설명하는 데 도움이 되는 문서를 제공하는 것입니다.

주변 동작 온도

다른 부품과 마찬가지로 디스크형 바이메탈 서모스탯도 과도한 온도로 인해 손상될 수 있습니다.

일부 응용 제품에서 바이메탈 차단기는 주요 열원에서 짧은 거리에 놓여있습니다. 그래서 회로가 열린 후에도 남아있는 열이 계속 복사/전도되어 더 나아가 서모스탯을 가열합니다.

서모스탯을 사용하여 냉각 시스템을 켤 경우 동일한 문제가 발생할 수 있습니다. 온도가 계속 상승한다면 냉각 메커니즘이 (온도를)따라 잡아 작동 온도 이하로 회로를 냉각시키는데 일이 분이 걸릴 수 있습니다.

바이메탈 차단기는 일반적으로 작동 온도가 높기 때문에 대부분의 응용 제품에서 이 부분이 문제가 되지는 않습니다. 이 글에서 사용된 차단기의 연속 최대 동작 온도는 최대 부하에서 170°C 입니다.

접점 정격

다른 기계식 스위치나 릴레이와 마찬가지로 접점 정격은 중요한 사양입니다.

전류 및 전압 정격이 고객이 필요로 하는 만큼을 감당할 수 있을까? 고려해야 할 사항은:

  • 부하의 전류/전압 요구 사양은 어떻게 되나요?
  • AC 제품인가요, 아니면 DC 제품인가요?
  • 부하는 저항성인가요, 아니면 유도성인가요?
  • 제품이 코일 구동용 부하(pilot duty)에 사용되나요? 예를 들어, 열 차단기가 실제 부하가 아닌 릴레이를 제어하나요?

기대 수명

서모스탯은 얼마나 오래 동작해야 할까요?

  • R53 시리즈 서모스탯은 구동용 부하(pilot duty)로 최대 10만 사이클까지 테스트되었습니다(R53은 이 글에서 사용되고 있습니다). 12VDC에서 15A의 부하라면, 수명 주기는 2만 사이클까지만 보장됩니다.

바이메탈 차단기는 작동 온도에 약간의 변동이 발생할 수 있습니다. 이러한 변동은 일반적으로 부하가 작거나 큰 경우 1만 에서 2만 사이클 사이에서 나타납니다. 변동의 양은 일반적으로 어느 쪽으로 든 5°C 미만입니다.

습도

특이한 점이 있지는 않습니다. 과도한 습도는 밀폐되지 않은 바이메탈 서모스탯에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 이 글에 사용된 Cantherm사 시리즈와 같은 서모스탯은 밀폐되어 있지 않습니다. 과도한 습도는 아래 사항들을 유발할 수 있습니다.

  • 아크 방전
  • 바이메탈 스트립의 산화
  • 고분자 물질(polymeric material)의 변형

Digi-Key에서는 과도한 습도와 자동 납땜/세척 공정을 견딜 수 있는 밀폐된 바이메탈 서모스탯도 일부 취급하고 있습니다.

물리적 크기

바이메탈 서모스탯 라인은 여러 패키지 형태로 제공됩니다. 접점 정격이 올라가면 서모스탯은 더 커지고 PCB 실장형에서 새시 실장형으로 바뀌는 경우가 많습니다.

불량 부품

디스크형 바이메탈 서모스탯에 있어 가장 일반적인 불만 사항은 부품이 NC 또는 NO여야 하는데 반대로 열림 또는 닫힘이라는 것입니다.

15°C~30°C의 저온 서모스탯을 취급하는 경우, (서모스탯을)고온의 차량으로 이동하거나 고온인 창고에 두었다면 서모스탯은 차단될 수 있습니다. 고객이 이 바이메탈 차단기를 설계에 포함시키면 현재 주변 온도가 10°C~25°C임에도 불구하고 차단기가 작동할 것입니다.

현 시점에서는 어떻게 이동/보관 온도가 서모스탯을 차단시키는지를 단순하게 설명하는 것만으로 충분합니다. 고치는 것은 간단합니다. 고객들에게 종종 부품을 냉장고에 잠시 넣어 두면 리셋 될 것이라고 제안합니다.

따라서 차단 지점과 리셋 지점 간의 차이를 인지하는 것이 중요합니다. 이것이 때로는 고객에게 문제가 될 수 있습니다. 단순한 바이메탈 차단기가 온도 차이로 인해 동작하지 않는다면 고객은 제품 설계를 보다 심화해야 합니다. 더 이상 단순한 스위치로는 작동하지 않을 것이라는 것을 알 것이기 때문에 고객은 서미스터, 열전대 또는 반도체 소자의 종류에 관계없이 (이들을 사용하여)회로 설계를 보다 심화해야 합니다.

많은 "불량 부품"과 관련한 문의가 저온 버전에 대한 것이지만, 동일한 문제가 고온 버전에서도 발생할 수 있습니다. 고객이 이런 소자를 사용하여 작업 온도를 면밀히 모니터링하기 위해 사용하려는 경우가 있었습니다.

예. 온도가 110°C 이하로 떨어지는 즉시 표시등이 다시 꺼질 것이라는 믿음으로 110°C를 넘어설 때 표시등을 켤 목적으로 바이메탈 서모스탯을 사용했을 것입니다. 그러나 알다시피, 온도는 작업자는 110°C 또는 그 이상이라고 믿고 있지만 작업자도 모르게 100°C 이하로 떨어질 수 있습니다.

다른 열 스위치 옵션

Digi-Key에는 몇 가지 다른 열 스위치 옵션들이 있습니다. 서미스터(NTC와 PTC 둘 모두) 기반의 열 스위치가 있습니다. 서미스터이기 때문에 서미스터의 스위칭 온도에 큰 영향을 미치지 않도록 동작 전류가 매우 낮아야 합니다. 이러한 특수 서미스터는 소형 디스크형 바이메탈 서모스탯과 가격이 비슷합니다.

돈을 절약하는 법을 고려한다면

  • 열 링크/퓨즈. 이 제품들 또한 특정 온도에서 개방됩니다. 이런 부품들은 훨씬 저렴하지만(1달러 이하) 한 번만 사용 할 수 있습니다.
  • 왼쪽의 두 개는 특정 온도에서 용해되는 가융 합금을 사용하고 있습니다. 녹색 에폭시로 덮혀있는 부품은 스프링 접점을 고정하기 위해 왁스 물질을 사용하고 있습니다. 차단 온도에 도달하면 왁스가 녹아 접점이 열립니다.


영문 원본: Disc Bimetallic Thermostats