私たちのデバイス、機械、インフラに搭載される電子機器は、より小型化し、より複雑に、より繊細になっています。この小型化の傾向により、より強力でスマート、そして高速なデバイスをほぼあらゆるものに搭載できるようになった一方で、予測不能な電力サージやその他の過電流イベントに対してデバイスがより敏感になっています。

保護が必要なのは、家庭用電子機器や家庭内配線だけではありません。19世紀 にアメリカ合衆国で電化が進んで以来、工場や組立ラインにおける電化とそれに続く自動化、そしてここ数十年では巨大なデータセンターが登場しています。総じて、こうした電力需要は1800年代の誰もが予想しなかったレベルにまで拡大しました。家庭用パソコンから工場のPLCに至るまでの、この前例のない電力使用の増加は、 過電流に対する信頼性の高い保護 を必要としており、市民の生活水準と経済の生産性を確保するために不可欠です。

現代の電子機器が抱える多くの脆弱性の中でも、特に多いのが2つの過電流イベントです。最も一般的な過電流イベントの一つが短絡（ショート）です。短絡は、電源から自身へ戻るループが形成され、そこにほとんど、あるいはまったくインピーダンスが作用しない場合に発生します。これにより回路は正のフィードバックループとなり、回路内の電子が共振しながら時間とともにエネルギーを増していきます。この増大するエネルギーの唯一の逃げ道は、熱エネルギーへと変換されることです。この熱の増加は、繊細な電子機器や回路を損傷させ、爆発につながることさえあります。

2番目に多い過電流イベントは電力サージです。これは、回路が設計時に想定した電流負荷を超える異常な電流増加が回路に加わったときに発生します。この一例が、電力インフラの近くへの落雷です。

さらに、過電流イベントからの保護は、電子機器や産業機械を保護するためだけのものではありません。作業員や利用者を保護するためのものでもあります。つまり、回路保護は、工場作業員、消費者、そして周囲にいる人々の安全を確保するための安全対策としても機能します。過電流イベントは爆発や火災を引き起こし、人体が耐えられる限界を超える電流レベルに達する可能性があります。通電状態での過電流が発生した場合、回路保護は生命を脅かすけがや事故を防ぐ最後の防衛線となります。

回路保護の仕組み

回路保護は、回路上に弱点を意図的に設計するという考え方に基づいています。これにより、しきい値電流を超える過電流イベントが発生すると、ブレーカーやスイッチが作動して回路を開き、電流を停止させます。

ヒューズは、広く受け入れられた最初期の回路保護方法の一つです。通常、ヒューズは薄い金属片または帯状の金属で作られており、許容できない量の電流によってその抵抗が生み出す温度に近い融点を持っています。電流による熱エネルギーが金属製のヒューズを溶かして回路を開き、すべての電流を停止させます。ヒューズはその役割を十分に果たしますが、比較的単純な設計であるため、特定の用途によって効果に差が出ることがあります。場合によっては、より複雑な用途で利点をもたらす、より高度な回路保護方法を使用する必要があります。

ここで登場するのがサーキットブレーカーです。

サーキットブレーカーは、回路や電子機器をより確実に保護するための手段として設計されました。サーキットブレーカーは、ヒューズのように薄い金属片の抵抗率に頼るのではなく、ユーザーやメーカーが個々の用途のニーズに合わせて調整できる複数の部品で構成されています。サーキットブレーカーの設計は用途や条件によって異なりますが、基本的な考え方としては、一方の部品が電流の影響を受け（それにより電流を監視し）、もう一方の部品（アクチュエーターと呼ばれることもあります）が過電流発生時に回路を遮断するというものです。

利用可能な最新のハードウェア

過電流イベントから回路を保護するために使用される最新の ハードウェア には、油圧マグネット式、熱動式、漏電式（アース故障とも呼ばれる）の3つの主要な系統があります。

油圧マグネット式サーキットブレーカー は、油圧コンポーネントと磁気コンポーネントで構成されています。ソレノイドと鉄心ロッドを制御する電磁気理論を利用し、ソレノイドに囲まれた鉄心ロッドが動くことでソレノイド全体の電流の流れを制御します。これらのサーキットブレーカーの反応時間は、鉄心ロッドとソレノイドの間の媒体として機能する液体の粘度に依存します。使用する液体の粘度が高いほど、過電流イベントのしきい値も高くなります。

熱動式サーキットブレーカー は、バイメタル片を利用し、サーモスタットに見られるものと同様のプロセスを用います。バイメタル片を構成する2種類の金属はそれぞれ熱条件に対して異なる反応を示し、一方の金属がもう一方より速く膨張します。これにより、バイメタル片は膨張の遅い側に向かって曲がり、電流が過剰な熱を発生させている場合には回路を開きます。

機器漏電および地絡サーキットブレーカー は、起電力（EMF）の測定を利用します。入力電流と出力電流は、大きさが等しく符号が逆（正または負）のEMFを発生させます。通常の電流の流れでは、入力と出力の合計が互いに打ち消し合い、回路は閉じたままになります。過電流が発生した場合、これらのEMFの一方がもう一方より大きくなり、ゼロではない正味のEMFが検出され、回路を開くトリガーとなります。

最新のサーキットブレーカーにはそれぞれ長所と短所があり、異なる用途に対するソリューションを提供します。回路保護のタイプを選ぶ際には、各タイプの長所と短所を理解し、どれが用途の条件を満たすかを見極めることが最善です。例えば、熱動式サーキットブレーカーは、周囲温度が高すぎたり低すぎたりする場所には適していません。温度が高すぎると誤作動を引き起こし、低すぎるとブレーカーが決して作動しない原因となることがあります。

過酷な環境で使用される電子機器や機械には、そうした条件下でも故障しない 回路保護ソリューション が必要です。例えば、水中環境や、空気中に高濃度の粒子が含まれる環境の場合、パネルとトグルの部分が密封されていることが認証されたサーキットブレーカーが最適です。

電子機器や機械がユーザーや作業員に監視されていない無人の状況においても、回路保護は非常に重要です。このような場合、過電流イベントが長期間発見されないまま放置されることがあり、高価なユニットや回路の損傷、さらには火災の発生・延焼につながる可能性があります。この状況の一例が、太陽光発電設備におけるアレイ数の増加です。こうしたアレイの技術者が、バイメタル式サーキットブレーカーよりも極端な温度に対する耐性が高いという理由から、油圧マグネット式サーキットブレーカーを信頼するのは珍しいことではありません。しかし、太陽光アレイが設置される環境はしばしば非常に過酷であるため、回路遮断後のアークの発生による過熱を防ぐための追加設計が必要となります。

よりスマートな回路保護への第一歩は、どのサーキットブレーカーが最適なソリューションを提供するかを調査することです。どのような用途や環境条件であっても、コストを削減し、重大な故障の可能性を低減し、安全性を高め、各地域の規格や認証を満たすサーキットブレーカーがおそらく存在します。さらに、私たちの機械や電子機器が日々よりスマートで優れたものになっているのと同様に、回路保護を支える技術と創意工夫も進化を続けていますので、新たなブレークスルーにも注目してください。

Carlingの回路保護コンポーネントの詳細については、こちらをご覧ください。 https://www.onlinecomponents.com/productsearch/circuit-protection/overcurrent-protection/circuit-breakers/。

 

この投稿はOnlineComponents.comの提供によるものです。すべての見解は筆者個人のものです。--Mitchell Gracie