L'interrupteur thermique : fonctionnement

Un interrupteur thermique s'ouvre ou se ferme au delà d'une certaine température. Cette remarquable propriété est due à un élément dont la forme change avec la température : le bilame. Voici donc le principe de fonctionnement des interrupteurs thermiques

Cet article présente la propriété mécanique du bilame et son fonctionnement dans un interrupteur thermique.

Principe physique de l'interrupteur thermique bilame

Un bilame est constitué de deux lames de métaux différents fixés l'un sur l'autre. La différence de dilatation de chacun des deux métaux (chaque face du bilame) crée une déformation du bilame tout entier lorsque sa température varie fortement, un peu comme une vieille planche de bois qui gondole sous l'action de l'humidité (qui fait gonfler le bois) ou de la chaleur (qui le fait se rétracter).

Tester un bilame

Pour constater le changement de forme du bilame venant de l'interrupteur thermique, on peut le chauffer au fer à souder.

Exemple d'un bilame provenant d'un interrupteur thermique :

Bilame démonté d'un interrupteur thermique : froid (température ambiante 25°C environ)

Après plusieurs secondes où le fer à souder chaud est en contact avec le bilame, la convexité s'inverse brutalement (c'est la température de déclenchement) :

Bilame chaud

Lorsqu'on retire le fer à souder, le bilame se refroidit : il reste dans l'état chaud quelques secondes :

Bilame encore chaud

Puis le bilame se refroidit et repasse dans son état initial :

Bilame refroidi : retour à l'état initial après 5 secondes environ

Un bilame est formé de deux métaux qui sont souvent du nickel et de l'invar (alliage de 64% de fer et 36% de nickel : « Fe-Ni36% »). L'invar a la propriété remarquable de ne quasiment pas se dilater avec la température. Son coefficient de dilatation est presque nul. Pourtant les coefficients de dilatation du fer et du nickel purs sont bien plus élevés.

Lorsque la température varie :

- la face du bilame en invar ne se dilate presque pas

- la face du bilame en nickel se dilate beaucoup plus

Et donc le bilame se déforme. Cette déformation est réversible : après avoir été chauffé, un bilame retrouve sa forme initiale en refroidissant.

La déformation du bilame est due à la différence de dilatation des deux faces, comme une vieille planche de bois qui se déforme à cause de l'humidité qu'elle subit d'un seul côté, ou encore une éponge qui se déforme lorsqu'on la mouille d'un côté.

En fait, la forme du bilame crée un effet de seuil pour basculer brutalement d'un état mécanique à l'autre (convexe ou concave par exemple) de façon binaire. Un hystérésis assure la stabilité d'un état ou l'autre. Par exemple, il faut chauffer jusqu'à 85°C pour basculer et redescendre en dessous de 70°C pour revenir à l'état initial. C'est idéal pour les interrupteurs thermiques.

Principe de fonctionnement de l'interrupteur thermique

La propriété mécanique du bilame est utilisée dans les interrupteurs thermiques. Le bilame est la pièce qui se déforme et qui transmet un mouvement à une lamelle de céramique qui presse ou relâche le contact entre les bornes de l'interrupteur.

Interrupteur thermique démonté : principe de fonctionnement

Interrupteurs thermique démonté

Principe de fonctionnement du bilame

Cette technique a l'avantage d'isoler électriquement le bilame et son support (ce qui est fixé à la pièce dont on mesure la température) et les bornes de l'interrupteur (qui peuvent être reliées au secteur). La lamelle de céramique sert d'isolation parce qu'elle est isolante en elle-même et qu'elle assure une distance entre le bilame et les bornes de l'interrupteur.

Exemples d'interrupteurs thermiques

Applications des interrupteurs thermiques

Un interrupteur thermique se fixe sur une pièce dont on souhaite limiter la température. L'interrupteur thermique assure la sécurité contre la surchauffe, ou éventuellement une régulation grossière de la température de la pièce sur laquelle il est fixé.

Electriquement, il existe 2 types d'interrupteurs thermiques :

- interrupteurs thermiques normalement fermés (NF). Ils s'ouvrent lorsque la température est dépassée. Il faut les brancher en série avec l'appareil, la résistance chauffante, etc.

- interrupteurs thermiques normalement ouverts (NO). Ils se ferment lorsque la température est dépassée. Il faut les brancher en série avec un ventilateur ou tout autre système de refroidissement puissant. Dès que la température est dépassée, le refroidissement se met en route et s'arrête lorsque la température est redescendue sous le seuil.

Les fabricants proposent une gamme d'interrupteurs thermiques sur une plage de températures de déclenchement, par exemple : 50°C, 90°C, 125°C et 150°C. Dans une même carcasse, chaque interrupteur thermique d'une gamme contient un bilame différent. Lorsque vous avez choisi un interrupteur thermique, il n'est pas possible de modifier sa température de déclenchement.

Interrupteur thermique pour protéger un ampli de la surchauffe

L'interrupteur thermique est relié vers la fonction silencieux de l'ampli.

Exemple de spécification d'interrupteurs thermiques

Un exemple permet d'illustrer le fonctionnement d'un interrupteur thermique.

Référence : http://www.farnell.com/datasheets/1661840.pdf

Température de fonctionnent : fixe dans la plage 50°C - 205°C

Tolérance sur la température : +/-5°C (+/-3°C sur demande)

Hystérésis : 10°C - 30°C

Ici, la différence entre la température du déclenchement de l'ouverture et celle du déclenchement de la fermeture va de 10°C à 30°C selon l'interrupteur thermique de cette référence. En soi, ce n'est pas très précis (par rapport à des résistances à 0.1% par exemple) !

Caractéristiques électriques

Tension et courant max de fonctionnement :

15A 125V (charge résistive)

10A 250V (charge résistive)

Rigidité diélectrique entre les bornes et la carcasse : 1000VAC / 1 minute

Ici, un test diélectrique consiste à appliquer 1000V alternatifs pendant 1 minute entre :

- le châssis métallique de l'interrupteur thermique (qui sera fixé sur une pièce accessible...)

- les bornes de l'interrupteur thermique reliées ensemble

Il ne doit pas y avoir claquage ni courant supérieur à un certain seuil (0,5mA) pendant ce test.

Résistance d'isolation : 100 MOhms minimum.

Nombre d'utilisations de l'interrupteur thermique

- 10k utilisations (15A 250V)

Le fabricant garantit au moins 10 000 utilisations à pleine charge (courant et tension max).

Pour la température de déclenchement, le fabricant propose 4 interrupteurs thermiques :

Interrupteurs thermiques : 50°C à 150°C

Chaque référence ne varie que sur la température, toutes les autres caractéristiques étant garanties identiques.

Conclusion

Un interrupteur thermique s'ouvre ou se ferme au delà d'une certaine température et assure ainsi le contrôle de la température de la pièce où il est monté. Son principe de fonctionnement repose sur la propriété mécanique du bilame qui se déforme avec la température.