Come funziona il termostato di una stufa elettrica? Una guida per il produttore al controllo del calore

Un termostato è il silenzioso decisore all'interno di ogni riscaldatore elettrico. Non produce calore proprio, ma senza di esso un riscaldatore funzionerebbe continuamente o non si accenderebbe mai al momento giusto. Capire come funziona questo piccolo componente di controllo spiega molto sul motivo per cui un riscaldatore sembra stabile, perché fa clic e perché a volte una stanza supera il numero sul quadrante.

Dopo più di quattro decenni di costruzione di riscaldatori elettrici per acquirenti in tutta Europa, nelle Americhe e in Giappone, abbiamo visto le stesse domande ripresentarsi ancora e ancora da parte di clienti, distributori e utenti finali. Le risposte sono più semplici di quanto la maggior parte delle persone si aspetti.

Cosa fa realmente un termostato per riscaldatore elettrico

Un termostato è un interruttore controllato. Misura la temperatura circostante, confronta la lettura con il set point scelto e quindi apre o chiude il percorso elettrico verso l'elemento riscaldante.

Quando la temperatura misurata scende al di sotto del set point, il termostato chiude il circuito e l'elemento riceve alimentazione. Gli ingegneri la chiamano richiesta di calore. Quando la temperatura torna al di sopra del target, il circuito si apre e il riscaldamento si arresta. La ventola potrebbe continuare a girare, ma l'elemento rimane inattivo.

Questo ciclo si ripete finché l'unità è accesa. Un termostato del riscaldatore non è un dimmer e di solito non riduce gradualmente la potenza. Interrompe e ripristina semplicemente la corrente e la massa termica dell'elemento più il volume d'aria nella stanza attenua quelle interruzioni trasformandole in qualcosa di confortevole.

Il ciclo di controllo in tre fasi: rilevamento, confronto, commutazione

Qualunque sia il prezzo o lo stile, ogni termostato del riscaldatore esegue gli stessi tre passaggi nello stesso ordine.

Passaggio 1: rilevamento dell'aria

I termostati meccanici si basano su una striscia bimetallica, due metalli con diversi tassi di espansione legati insieme. Quando l'aria si riscalda, la striscia si arriccia e allontana un contatto elettrico; man mano che l'aria si raffredda, la striscia si raddrizza e il contatto si chiude nuovamente. I modelli più vecchi a volte utilizzano un bulbo capillare sigillato riempito con liquido o gas. Il fluido si espande in un soffietto e sposta il contatto, motivo per cui molti radiatori e scaldabagni riempiti di olio utilizzano ancora questo approccio.

I termostati elettronici utilizzano un termistore, normalmente di tipo NTC, la cui resistenza diminuisce all'aumentare della temperatura. Un piccolo microcontrollore legge la variazione di resistenza attraverso un partitore di tensione e la converte in un valore di temperatura. Poiché nulla si muove all'interno del sensore, il rilevamento elettronico è più veloce e molto più coerente nel tempo.

Passo 2: Confronto con il setpoint

In un'unità meccanica il confronto è integrato nell'hardware. Il quadrante fa ruotare una camma che cambia la distanza che deve percorrere la striscia bimetallica prima che i contatti si separino, quindi ruotando il quadrante si cambia letteralmente la temperatura di commutazione.

In un'unità elettronica il microcontrollore esegue un breve ragionamento logico: il valore misurato è inferiore al target? La risposta determina se l'output rimane alto o scende basso.

Passaggio 3: commutazione del carico

Gli elementi riscaldanti assorbono molta corrente. Un riscaldatore da 2000 W assorbe circa 8,7 A a 230 V e un contatto bimetallico può trasportarlo direttamente, il che è in gran parte il motivo per cui i termostati meccanici rimangono così economici. Lo svantaggio è che i contatti si arcuano leggermente ogni volta che si aprono, quindi si usurano gradualmente.

I controlli elettronici mantengono la corrente di rete lontana dal sensore. Il microcontrollore pilota un relè o un triac e il relè è il componente che senti scattare. I progetti migliori aggiungono un breve ritardo prima di rienergizzare l'elemento, prolungando la durata del relè e prevenendo cicli brevi e rapidi.

Termostati meccanici ed elettronici a confronto

Entrambe le famiglie sono ancora in produzione perché si adattano a prodotti e fasce di prezzo diverse. La tabella seguente riassume i punti in cui i due approcci divergono.

Isteresi: perché una stanza non si trova mai esattamente sul numero

Un riscaldatore non si spegne nell'istante in cui raggiunge il set point e si riavvia nell'istante in cui scende al di sotto di esso. Tra il punto di spegnimento e il punto di accensione c'è sempre una fascia, solitamente da uno a tre gradi. Questa è chiamata isteresi, o banda morta, ed è del tutto intenzionale.

Senza quella banda, i contatti e i relè si alternerebbero decine di volte all’ora e fallirebbero nel giro di una stagione. Una piccola variazione di temperatura è il prezzo di una lunga durata, ed è la ragione per cui un riscaldatore ben progettato dà una sensazione di calma anziché di nervosismo.

Il posizionamento del sensore è importante tanto quanto l’elettronica. La maggior parte dei riscaldatori posiziona il sensore vicino alla presa d'aria in modo che possa leggere l'aria aspirata anziché l'aria già espulsa. Se l'unità si trova in una corrente d'aria proveniente da una porta, accanto a un radiatore o alla luce diretta del sole, la lettura non rappresenta più la stanza e il termostato supererà o non raggiungerà l'obiettivo.

Gli elementi PTC aggiungono un secondo livello di autoregolamentazione

Molti riscaldatori moderni utilizzano elementi ceramici PTC invece del filo resistivo nudo. La resistenza di un elemento PTC aumenta notevolmente una volta superata una temperatura specifica, il che limita naturalmente sia la temperatura che la superficie diventa sia la quantità di corrente che assorbe. L'elemento e il termostato lavorano quindi come una squadra: il materiale PTC limita la temperatura superficiale, mentre il termostato decide quando l'intera unità deve smettere di assorbire energia.

Il risultato pratico è un riscaldatore che mantiene una potenza più stabile, funziona a una temperatura inferiore alla griglia e si comporta in modo più delicato se il flusso d'aria è parzialmente bloccato. Se desideri approfondire il lato materiale, il nostro articolo su come funziona un riscaldatore PTC lo copre passo dopo passo.

Riscaldatore PTC portatile HPC-D1504YL con termostato regolabile e oscillazione Questo riscaldatore PTC portatile offre impostazioni da 750 W e 1500 W, aria fredda o calda, un motore CC silenzioso e oscillazione. Illustra come un elemento in ceramica con controllo termostato mantiene un'uscita stabile, adattandosi alla discussione dell'articolo sulle prestazioni di riscaldamento stabili. Visualizza il prodotto →

I riscaldatori PTC portatili con termostato regolabile e flusso d'aria oscillante, come le unità della nostra gamma PTC portatile, mostrano chiaramente questa combinazione: l'elemento ceramico mantiene una temperatura interna stabile mentre il termostato elettronico gestisce la decisione a livello di stanza.

Dispositivi di sicurezza che non sono termostati

Ecco una distinzione che sorprende molte persone. Il quadrante regolabile o il pannello a sfioramento è il termostato di controllo. Non è un dispositivo di sicurezza.

Dietro si trovano almeno due protezioni indipendenti che operano secondo un principio completamente diverso:

• Un interruttore termico, solitamente un disco bimetallico che si apre a una temperatura fissa più elevata e si ripristina automaticamente una volta che l'apparecchio si raffredda.
• Un fusibile termico o un'interruzione non ripristinabile che si apre una volta e in modo permanente, proteggendo da un'interruzione guasta o da un percorso dell'aria bloccato.
• Un interruttore ribaltabile che interrompe l'alimentazione se l'unità viene sbattuta su un lato.
• Sui modelli per aree umide, alloggiamenti dei sensori sigillati e involucri resistenti agli schizzi attorno alla scheda di controllo.

Questo è il motivo per cui un riscaldatore che ha fatto scattare il fusibile termico deve essere sottoposto a manutenzione anziché semplicemente ripristinato. Il termostato potrebbe essere perfettamente sano mentre lo strato di sicurezza ha già svolto il suo lavoro.

Scaldabagno a parete HBH-2007 con timer e touch screen Uno scaldabagno da 2000 W con controllo touch LED, temperatura regolabile da 15 a 45 °C, timer e protezione dal surriscaldamento. Dimostra l'ingegneria dei termostati in ambienti umidi, poiché l'articolo rileva la necessità di sensori sigillati e strati di sicurezza vicino alle docce. Visualizza il prodotto →

I riscaldatori da bagno sono un buon esempio di quanta ingegneria circonda un termostato. Un'unità da bagno montata a parete deve combinare un controllo elettronico, un percorso del sensore sigillato, un timer e un alloggiamento resistente all'umidità prima di potersi avvicinare a una doccia.

Ottieni il massimo dal termostato del tuo riscaldatore

La maggior parte dei reclami sui termostati dei riscaldatori risultano essere problemi di posizionamento o aspettative piuttosto che guasti. Queste abitudini fanno una differenza misurabile:

1. Fornire aria pulita al sensore. Mantenere almeno 30 cm di spazio attorno alla griglia di aspirazione e aspirare la griglia all'inizio di ogni stagione di riscaldamento.
2. Posiziona la stufa in un punto in cui possa leggere la stanza, lontano da porte, dalla luce solare diretta e dallo spazio immediatamente di fronte a un'altra fonte di calore.
3. Stabilisci un obiettivo realistico. Una temperatura compresa tra 20 e 22 gradi C mantiene comodamente la maggior parte degli spazi abitativi e mantiene l'unità in un ciclo di lavoro ragionevole.
4. Utilizza il timer o la modalità eco, ove disponibile. Questi riducono il ciclo di lavoro medio anziché modificare il modo in cui rileva il termostato.
5. Chiudere la porta. Un termostato che funziona in un corridoio aperto mantiene il riscaldamento dell'aria che esce immediatamente dalla stanza.
6. Aspettatevi uno swing. Una variazione di uno o due gradi attorno al setpoint è un comportamento normale, non un difetto.

Riscaldatore ceramico PTC a parete BPT-2000B con potenza 1000 W/2000 W Questo riscaldatore PTC fisso a parete fornisce ventola selezionabile, aria calda o calda, con blocco bambini e alette oscillanti. Il suo design posiziona il sensore nel percorso di convezione naturale, riflettendo il punto dell'articolo sul posizionamento ottimale del termostato per una temperatura ambiente stabile. Visualizza il prodotto →

Le installazioni fisse traggono maggior vantaggio da un buon posizionamento del sensore. I riscaldatori ceramici PTC montati a parete, compresi i nostri modelli da 1.000 W a 2.000 W, sono progettati in modo che il punto di rilevamento si trovi nel percorso di convezione naturale della stanza anziché nel flusso caldo di scarico.

Cosa verifichiamo prima che un termostato lasci la linea

Il comportamento del termostato è una delle aree che testiamo più pesantemente, e per una buona ragione. La reputazione di un riscaldatore si basa sulla capacità di mantenere la temperatura in modo costante dopo cinquecento cicli, non solo nel primo pomeriggio.

Sulle nostre linee di produzione, i gruppi di controllo vengono controllati per quanto riguarda la precisione di commutazione a diversi punti di temperatura, la resistenza dei relè e dei contatti sotto cicli ripetuti, il tempo di risposta dopo un avvio a freddo e il comportamento coerente di disinserimento al limite di sicurezza superiore. Ogni unità finita viene quindi testata di routine prima dell'imballaggio e le approvazioni internazionali di cui disponiamo, tra cui CE, CB, GS ed EMC, stabiliscono lo standard minimo che il nostro processo deve superare.

Questa infrastruttura è anche ciò che ci consente di supportare lo sviluppo personalizzato. Se il vostro mercato necessita di un intervallo di set point diverso, una banda di isteresi diversa, una sequenza timer modificata o un sensore riposizionato per un involucro specifico, possiamo ingegnerizzarlo nella piattaforma anziché fissarlo successivamente.

Se desideri saperne di più su come lavoriamo con proprietari di marchi e importatori, puoi leggere di più sulla nostra fabbrica e sul team di ingegneri . Il termostato è una piccola parte di un riscaldatore, ma è la parte che decide se il prodotto è affidabile ogni singolo inverno.