Temperaturschalter sind für die Regelung und Überwachung von Temperaturen in verschiedenen Systemen und Anwendungen konzipiert. Sie schalten bei Über- bzw. Unterschreitung einer bestimmten Temperatur einen elektrischen Kontakt und verhindern dadurch eine Überhitzung bzw. sorgen für eine ausreichende Erwärmung.
Dieser Beitrag behandelt mechanische Temperaturschalter, die sich die Ausdehnung von Metallen, Flüssigkeiten oder Gasen zu Nutze machen. Mit steigender Temperatur dehnen sich die Stoffe in einem Temperaturschalter immer weiter aus, bis mit dem Erreichen einer definierten Temperatur ein Schaltkontakt betätigt wird. Schaltströme von 10 A oder mehr sind für die meisten Temperaturschalter kein Problem. So können kleine Heizungen direkt angesteuert werden, für größere Anlagen muss ein Aktor zum Einsatz kommen wie beispielsweise ein Leistungsschütz. Mechanische Temperaturschalter sind auch passive Schalter und benötigen somit keine Versorgungsspannung.
Auf dem Markt sind weiterhin elektronische Temperaturschalter verfügbar. Diese messen die Temperatur mit einem Widerstandsthermometer und werten dessen Signal elektronisch aus. Der Schaltpunkt kann beispielsweise über die Tastatur eingestellt werden und sie können mit einem Display ausgestattet sein. Oft kann die Temperatur über ein Einheitssignal (bspw. 4 bis 20 mA) ausgegeben werden.
Der Schaltpunkt (bzw. die Schalttemperatur) eines Temperaturschalters ist die Temperatur, bei der mit steigender Temperatur ein Kontakt geöffnet und somit eine Heizung abgeschaltet wird. Der Schaltpunkt ist bei einigen Schaltern fest definiert, kann aber bei anderen Ausführungen auch frei eingestellt werden. Zusätzlich existiert bei den Temperaturschaltern ein sogenannter unterer Schaltpunkt (auch Rückschaltpunkt genannt). Das ist die Temperatur, bei der mit abkühlendem Prozess der Kontakt erneut geschlossen wird. Die Temperaturdifferenz der beiden Schaltpunkte ist die Schalthysterese oder auch Rückschaltwert.
Ein sehr exaktes Regelergebnis wird mit Temperaturreglern erreicht. Diese messen die Temperatur mit einem Temperatursensor und als PID-Regler regeln sie die Temperatur exakt auf den Sollwert. Im Fall einer binären Ansteuerung wird das genaue Ausregeln möglich, indem die relative Einschaltzeit des Aktors verändert wird. So kann die Heizleistung beispielsweise von 0 bis 10 kW variiert werden.
Demgegenüber sind Temperaturschalter den unstetigen Zweipunktreglern zugeordnet – die Prozesstemperatur schwankt mit ihnen um den Sollwert herum. In vielen Anwendungen sind solche Temperaturschwankungen akzeptabel, sodass mit Temperaturschaltern kostengünstig eine sehr robuste Temperaturregelung aufgebaut werden kann.
Wie es der Name bereits verrät, kommt in Bimetallschaltern ein Bimetall zum Einsatz. Die beiden aufeinander gewalzten Metalle (z. B. Kupfer und Nickel) verfügen über verschiedene Ausdehnungskoeffizienten. Mit steigender Temperatur dehnen sich die Metalle unterschiedlich stark aus, sodass eine Auslenkung geschieht und ein Kontakt geöffnet (NC) oder geschlossen (NO) wird.
Bimetallschalter im industriellen Umfeld sind sehr kompakt aufgebaut und werden in der Regel wie ein Sensor in den Prozess eingeschraubt. Ihr Schaltpunkt liegt mit der Produktion fest. Darüber hinaus sind sie sehr vibrationsbeständig – eine Schwingungsfestigkeit bis 10 g ist keine Seltenheit. Die Schalter werden in Richtung des Auswertesystems über eine Anschlussleitung angebunden. Zum Einsatz kommen Temperaturschalter mit einem Bimetall beispielsweise in Kompressoren – sie schalten den Kompressor bei Übertemperatur ab oder starten eine aktive Kühlung (z. B. Ventilator).
Diese Art der Temperaturschalter wird üblicherweise als Thermostat bezeichnet und besteht aus einem mit einem Gas oder einer Flüssigkeit gefüllten Fühler, der im Prozess platziert wird. Steigt die Temperatur am Fühler an, erhöht sich der Systemdruck. Da die Membran mit dem Sensor über die Kapillarleitung verbunden ist, stellt sich in dieser der gleiche Druck ein. Es kommt zur Ausdehnung der Membran und ein Schnappschalter wird ausgelöst. Der Innendurchmesser der Kapillarleitung beträgt mit beispielhaft 0,2 mm gerade den doppelten Wert eines Menschenhaares (bis zu 0,1 mm).
Der Fühler und das Thermostatgehäuse sind über die Kapillarleitung miteinander verbunden. Maximale Kapillarleitungslängen bis 5 m sind dabei als praxistauglich zu betrachten. Der Schaltpunkt kann in der Regel am Gehäuse eingestellt werden.
Die Abbildung zeigt einen Temperaturschalter zur Regelung der Raumtemperatur. Bei dieser Ausführung ist die Kapillare nur bis zu einem Wendelfühler geführt, welcher sich direkt am Thermostatgehäuse befindet.
In vielen Fällen regelt beispielsweise ein Kompaktregler die Prozesstemperatur, die durch ein elektrisches Thermometer erfasst wird. Am Regler wird ein Sollwert eingestellt, sodass die Temperatur im Prozess durch eine entsprechende Ansteuerung der Heizung über den Reglerausgang exakt auf den Sollwert geregelt wird. Ein Temperaturschalter misst ebenfalls die Temperatur und schaltet die Heizung bei einer Grenztemperatur (z. B. 1000 °C) ab.
Bei den Temperaturschaltern zum Regeln kann eine einfache Sollwertvorgabe – meist über einen Drehknopf – vorgenommen werden. Diese Komponenten werden als Temperaturregler bezeichnet.
Temperaturschalter für die Abschaltung bei einer definierten Grenztemperatur werden Temperaturwächter genannt. Bei diesen Temperaturschaltern ist die Sollwertvorgabe in der Regel nur mit einem Werkzeug möglich.
Bei den Temperaturschaltern für die Abschaltung existieren noch solche, für die eine Rücksetzung erfolgen muss. Wenn der Kontakt aufgrund einer Übertemperatur geöffnet wurde, schließt er sich bei diesen nicht automatisch, wenn die Temperatur in den Gutbereich zurückkehrt. Es muss zusätzlich ein Rückstellknopf oder auch Reset-Knopf betätigt werden. Diese sogenannten Temperaturbegrenzer kommen häufig in nicht überwachten Anlagen zum Einsatz, wo kein technisches Personal vor Ort ist.
Temperaturwächter und -begrenzer sind normalerweise mit einer zusätzlichen Sicherheitsfunktion ausgestattet und werden dann als Sicherheitstemperaturwächter bzw. als Sicherheitstemperaturbegrenzer bezeichnet.