A proteção de circuitos não precisa ser complicada, mas diferentes casos de uso e ambientes exigem projetos e engenharia mais inteligentes para garantir que a eletrônica, os computadores e as máquinas delicadas de hoje não sejam queimados durante eventos de sobrecorrente. (Imagem cortesia de Carling.)

A eletrônica em nossos dispositivos, máquinas e infraestruturas tornou-se menor, mais complicada e mais delicada. Embora essa tendência de miniaturização tenha nos permitido incorporar dispositivos mais potentes, inteligentes e rápidos em quase tudo, ela também tornou nossos dispositivos mais sensíveis a picos imprevisíveis de energia e outros eventos de sobrecorrente.

Não são apenas os eletrônicos de consumo ou a fiação doméstica que precisam de proteção. Desde a eletrificação dos Estados Unidos da América no século19 , a eletrificação e a consequente automação em nossas fábricas e linhas de montagem — e, nas últimas décadas, os enormes data centers. No geral, essas demandas por energia elétrica superaram tudo o que qualquer pessoa nos anos 1800 poderia ter previsto. Esse crescimento sem precedentes no uso de energia — de nossos PCs domésticos aos CLPs em nossas fábricas — exige proteção confiável contra sobrecorrente para garantir o modo de vida dos nossos cidadãos, bem como a produtividade de nossas economias.

Ambientes de alta tensão e alta amperagem podem ser perigosos para os trabalhadores. A proteção de circuitos não protege apenas os ativos que consomem energia, mas também protege vidas.

Entre as muitas vulnerabilidades da eletrônica moderna, dois eventos de sobrecorrente são os mais comuns. Um dos eventos de sobrecorrente mais comuns é o curto-circuito. O curto-circuito ocorre quando há um laço da fonte de energia de volta a si mesma, onde pouca ou nenhuma impedância age sobre a corrente. Isso transforma o circuito em um ciclo de retroalimentação positiva, com os elétrons no circuito ressoando e se tornando mais energizados ao longo do tempo. O único destino para essa energia crescente é transformá-la em energia térmica. Esse aumento de calor pode danificar eletrônicos e circuitos sensíveis, podendo até levar a explosões.

O segundo evento de sobrecorrente mais comum são os picos de energia. Isso ocorre quando aumentos anormais de corrente são adicionados a um circuito que excede a carga de corrente esperada para a qual o circuito foi projetado. Um exemplo disso é um raio atingindo perto de uma infraestrutura de energia elétrica.

Além disso, proteger-se contra eventos de sobrecorrente não é apenas um esforço para proteger eletrônicos ou máquinas industriais; também serve para proteger trabalhadores e usuários. Ou seja, a proteção de circuitos também atua como uma medida de segurança para garantir a integridade de pessoas como trabalhadores de fábricas, consumidores — e aqueles nas proximidades. Eventos de sobrecorrente podem causar explosões, incêndios e exceder níveis de amperagem além do que o corpo humano pode suportar. No caso de uma sobrecorrente energizada, a proteção de circuitos é a última linha de defesa contra lesões ou acidentes com risco de vida.

Como Funciona a Proteção de Circuitos

A proteção de circuitos é construída em torno da ideia de projetar um ponto fraco ao longo de um circuito, de modo que eventos de sobrecorrente que ultrapassem um limite de corrente acionem um disjuntor ou interruptor para abrir o circuito e interromper a corrente.

Os fusíveis estavam entre os primeiros métodos amplamente aceitos de proteção de circuitos. Normalmente, os fusíveis são peças finas ou tiras de metal com um ponto de fusão próximo às temperaturas que sua resistência produziria com uma quantidade inaceitável de corrente. A energia térmica da corrente faz com que o fusível metálico derreta e abra o circuito, interrompendo toda a corrente. Embora os fusíveis cumpram bem seu propósito, seu design relativamente simples pode variar em eficácia dependendo do caso de uso específico. Às vezes, é necessário usar métodos de proteção de circuitos mais complicados que oferecem vantagens em casos de uso mais complexos.

Entram em cena os disjuntores.

Os disjuntores foram projetados como uma fonte mais confiável de proteção de circuitos e eletrônicos. Um disjuntor contém várias partes que podem ser calibradas por usuários ou fabricantes para atender às necessidades de casos de uso individuais — em vez de depender da resistividade de uma fina tira de metal, como faz um fusível. O design dos disjuntores pode variar conforme os usos e condições, mas a ideia geral é que um componente seja afetado pela corrente (monitorando-a), enquanto outro componente (às vezes conhecido como atuador) interrompe o circuito no caso de sobrecorrente.

Hardware Moderno Disponível

Existem três principais categorias de hardware usado para a proteção de circuitos contra eventos de sobrecorrente: hidráulico-magnético, térmico e de fuga (às vezes conhecido como falha de aterramento).

Os disjuntores hidráulico-magnéticos são compostos por um componente hidráulico e um componente magnético. Eles utilizam a teoria do eletromagnetismo que rege solenoides e hastes de núcleo de ferro para controlar o fluxo de eletricidade através do solenoide à medida que a haste de núcleo de ferro envolvida pelo solenoide se move. O tempo de reação desses disjuntores depende da viscosidade do líquido usado, que atua como meio entre a haste de núcleo de ferro e o solenoide. Quanto mais viscoso o líquido usado, maior o limite para um evento de sobrecorrente.

Um disjuntor hidráulico-magnético simples enquanto a corrente está nos valores nominais ou abaixo. (Imagem cortesia de Carling Electronics.)

Os disjuntores térmicos utilizam tiras bimetálicas e usam um processo semelhante ao encontrado nos termostatos. Os dois metais da tira respondem de forma diferente às condições térmicas, com um metal expandindo mais rapidamente que o outro. Isso faz com que a tira se curve para o lado do metal bimetálico que se expande mais lentamente, e abre o circuito se a corrente estiver produzindo calor excessivo.

Uma coleção de disjuntores térmicos, incluindo a série CMB, que possui uma capacidade máxima de interrupção de 2500A a 32VDC. (Imagem cortesia de Carling.)

Disjuntores de fuga de equipamentos e de falha de aterramento utilizam medições da força eletromotriz (FEM). As correntes de entrada e saída produzem FEMs iguais em magnitude, mas opostas em sinal (positivo ou negativo). Durante o fluxo normal, a soma da entrada e da saída se cancela mutuamente, e o circuito permanece fechado. No caso de uma sobrecorrente, uma dessas FEMs seria maior que a outra, resultando em uma FEM líquida diferente de zero que é detectada e aciona a abertura do circuito.

Uma imagem de uma chave da série PC que mescla os melhores recursos de um disjuntor de falha de aterramento com um disjuntor normal. (Imagem cortesia de Carling.)

Cada tipo de disjuntor moderno tem suas vantagens e desvantagens, e oferece soluções para diferentes casos de uso. Ao escolher um tipo de proteção de circuitos, é melhor entender os prós e contras de cada tipo para ver qual satisfaria as condições do caso de uso. Por exemplo, disjuntores térmicos não são ideais para locais com temperaturas ambientes muito altas ou muito baixas, que podem causar acionamentos falsos (temperatura muito alta) ou fazer com que o disjuntor nunca dispare (temperatura muito baixa).

Eletrônicos e máquinas em ambientes hostis precisam de soluções de proteção de circuitos que não falhem nessas condições. Por exemplo, se as condições forem subaquáticas ou o ar tiver alta concentração de partículas, então um disjuntor certificado como selado no painel e na alavanca funcionaria melhor.

Para situações não tripuladas, em que a eletrônica ou as máquinas não estão sendo observadas por usuários ou trabalhadores, a proteção de circuitos também é muito importante. Nesses casos, eventos de sobrecorrente podem passar despercebidos por longos períodos, o que pode levar a danos em unidades e circuitos caros, além de iniciar e espalhar incêndios. Um exemplo dessa situação seria o número crescente de arranjos em instalações de energia solar. Não é incomum que engenheiros nesses arranjos depositem sua confiança em disjuntores hidráulico-magnéticos devido à capacidade de suportar temperaturas extremas melhor do que os disjuntores bimetálicos. No entanto, devido às condições frequentemente extremas em que os arranjos solares podem ser instalados, é necessário algum projeto extra para evitar o superaquecimento causado pela presença de arcos após a interrupção do circuito.

O primeiro passo para uma proteção de circuitos mais inteligente é investigar qual disjuntor oferece a melhor solução. Para qualquer caso de uso ou condição ambiental, provavelmente existe um disjuntor que reduzirá custos, diminuirá a probabilidade de falha crítica, aumentará a segurança e satisfará quaisquer normas e certificações regionais. Além disso, assim como nossas máquinas e eletrônicos estão ficando mais inteligentes e melhores a cada dia, as tecnologias e a engenhosidade por trás da proteção de circuitos também estão crescendo, então fique de olho em novos avanços!

Para saber mais sobre os componentes de proteção de circuitos da Carling, visite https://www.onlinecomponents.com/productsearch/circuit-protection/overcurrent-protection/circuit-breakers/.

A OnlineComponents.com patrocinou esta postagem. Todas as opiniões são minhas. --Mitchell Gracie