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).
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.
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.
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