Stroombeveiliging hoeft niet ingewikkeld te zijn, maar verschillende toepassingen en omgevingen vereisen slimmere ontwerpen en engineering om ervoor te zorgen dat de kwetsbare elektronica, computers en machines van vandaag niet doorbranden tijdens overstroomgebeurtenissen. (Afbeelding met dank aan Carling.)

De elektronica in onze apparaten, machines en infrastructuren is kleiner, complexer en kwetsbaarder geworden. Hoewel deze trend richting miniaturisatie ons in staat heeft gesteld om sterkere, slimmere en snellere apparaten in bijna alles te integreren, heeft het onze apparaten ook gevoeliger gemaakt voor onvoorspelbare spanningspieken en andere overstroomgebeurtenissen.

Het is niet alleen consumentenelektronica of huishoudelijke bedrading die beveiliging nodig heeft. Sinds de elektrificatie van de Verenigde Staten van Amerika in de 19e eeuw, de elektrificatie en daaropvolgende automatisering in onze fabrieken en assemblagelijnen—en in de laatste decennia, enorme datacenters. Al met al hebben deze vraag naar elektrisch vermogen alles overtroffen wat iemand in de jaren 1800 zou hebben voorspeld. Deze ongekende groei in stroomgebruik—van onze huishoudelijke pc's tot de PLC's in onze fabrieken—vereist betrouwbare bescherming tegen overstroom om de levensstijl van onze burgers en de productiviteit van onze economieën te waarborgen.

Hoogspannings- en hoogstroomomgevingen kunnen gevaarlijk zijn voor werknemers. Stroombeveiliging beschermt niet alleen apparatuur die stroom gebruikt, het beschermt ook levens.

Van de vele kwetsbaarheden van moderne elektronica komen twee hoofdtypen overstroomgebeurtenissen het meest voor. Een van de meest voorkomende overstroomgebeurtenissen is kortsluiting. Kortsluiting treedt op wanneer er een lus is van de stroombron terug naar zichzelf, waarbij weinig tot geen impedantie op de stroom inwerkt. Dit verandert het circuit in een positieve terugkoppelingslus waarbij de elektronen in de bedrading resoneren en steeds meer energie krijgen. De enige uitweg voor deze toenemende energie is om die energie om te zetten in thermische energie. Deze toename in warmte kan gevoelige elektronica en bedrading beschadigen, en kan zelfs tot explosies leiden.

De tweede meest voorkomende overstroomgebeurtenis is een stroomstoot (spanningspiek). Dit gebeurt wanneer abnormale toenames in stroom aan een circuit worden toegevoegd die de verwachte stroombelasting waarvoor het circuit is ontworpen, overschrijden. Een voorbeeld hiervan is een blikseminslag nabij een elektrische energie-infrastructuur.

Bovendien is bescherming tegen overstroomgebeurtenissen niet alleen een poging om elektronica of industriële machines te beschermen; het is ook bedoeld om werknemers en gebruikers te beschermen. Dat wil zeggen, stroombeveiliging dient ook als veiligheidsmaatregel om het levensonderhoud te waarborgen van mensen zoals fabrieksmedewerkers, consumenten—en omstanders. Overstroomgebeurtenissen kunnen explosies en branden veroorzaken en stroomsterkteniveaus overschrijden die het menselijk lichaam niet kan verdragen. In het geval van een geactiveerde overstroom is stroombeveiliging de laatste verdedigingslinie tegen levensbedreigend letsel of ongevallen.

Hoe stroombeveiliging werkt

Stroombeveiliging is gebaseerd op het idee om een zwak punt in een circuit te engineeren, zodat overstroomgebeurtenissen die een drempelstroom overschrijden een onderbreker of schakelaar activeren om het circuit te openen en de stroom te stoppen.

Zekeringen waren een van de eerste algemeen aanvaarde methoden van stroombeveiliging. Meestal zijn zekeringen dunne stukjes of strips metaal met een smeltpunt dat dicht bij de temperaturen ligt die de weerstand zou produceren bij een onaanvaardbare hoeveelheid stroom. Thermische energie van de stroom zorgt ervoor dat de metalen zekering smelt en het circuit opent, waardoor alle stroom wordt gestopt. Hoewel zekeringen hun doel goed vervullen, kan hun relatief eenvoudige ontwerp qua effectiviteit variëren, afhankelijk van het specifieke toepassingsgeval. Soms is het nodig om meer geavanceerde methoden van stroombeveiliging te gebruiken die voordelen bieden in complexere toepassingsgevallen.

Dan komen de stroomonderbrekers (circuit breakers) in beeld.

Stroomonderbrekers zijn ontworpen als een betrouwbaardere manier om bedrading en elektronica te beschermen. Een stroomonderbreker bestaat uit meerdere onderdelen die door gebruikers of fabrikanten kunnen worden gekalibreerd om aan de behoeften van individuele toepassingsgevallen te voldoen—in plaats van te vertrouwen op de weerstand van een dunne metalen strip, zoals bij een zekering. Het ontwerp van stroomonderbrekers kan variëren naargelang het gebruik en de omstandigheden, maar het algemene idee is dat één onderdeel wordt beïnvloed door de stroom (en deze zo bewaakt), terwijl een ander onderdeel (soms een actuator genoemd) het circuit onderbreekt bij een overstroomgebeurtenis.

Beschikbare moderne hardware

Er zijn drie hoofdstromingen van moderne hardware voor de bescherming van circuits tegen overstroomgebeurtenissen: hydraulisch-magnetisch, thermisch en lekstroom (soms aardlek genoemd).

Hydraulisch-magnetische stroomonderbrekers bestaan uit een hydraulisch en een magnetisch onderdeel. Ze maken gebruik van de elektromagnetismetheorie die solenoïden en ijzerkernstaven regelt, om de stroom van elektriciteit door de solenoïde te regelen terwijl de door de solenoïde omringde ijzerkernstaaf beweegt. De reactietijd van deze stroomonderbrekers is afhankelijk van de viscositeit van de gebruikte vloeistof, die als medium dient tussen de ijzerkernstaaf en de solenoïde. Hoe viskeuzer de gebruikte vloeistof, hoe hoger de drempel voor een overstroomgebeurtenis.

Een eenvoudige hydraulisch-magnetische stroomonderbreker terwijl de stroom op nominale waarden of lager is. (Afbeelding met dank aan Carling Electronics.)

Thermische stroomonderbrekers maken gebruik van bimetalen strips en gebruiken een proces zoals dat in thermostaten. De twee metalen van de strip reageren elk anders op thermische omstandigheden, waarbij het ene metaal sneller uitzet dan het andere. Dit zorgt ervoor dat de strip buigt naar de kant van de bimetalen strip die trager uitzet, en het circuit opent als de stroom te veel warmte produceert.

Een verzameling thermische stroomonderbrekers, waaronder de CMB-serie die een maximale onderbrekingscapaciteit heeft van 2500A bij 32VDC. (Afbeelding met dank aan Carling.)

Lekstroom- en aardlekonderbrekers maken gebruik van metingen van de elektromotorische kracht (EMK). Ingangs- en uitgangsstromen produceren EMK's die gelijk zijn in omvang maar tegengesteld in teken (positief of negatief). Tijdens normale stroming heffen de som van de ingang en uitgang elkaar op, en blijft het circuit gesloten. Bij een overstroom zou een van deze EMK's groter zijn dan de andere, wat resulteert in een netto EMK die niet nul is, wordt gedetecteerd en ervoor zorgt dat het circuit wordt geopend.

Een afbeelding van een PC-serie schakelaar die de beste eigenschappen van een aardlekonderbreker combineert met een normale stroomonderbreker. (Afbeelding met dank aan Carling.)

Elk type moderne stroomonderbreker heeft zijn voor- en nadelen, en biedt oplossingen voor verschillende toepassingsgevallen. Bij het kiezen van een type stroombeveiliging is het het beste om de voor- en nadelen van elk type te begrijpen om te zien welke aan de omstandigheden van het toepassingsgeval voldoet. Thermische stroomonderbrekers zijn bijvoorbeeld niet ideaal voor plaatsen met te hoge of te lage omgevingstemperaturen, die valse triggers kunnen veroorzaken (bij te hoge temperatuur) of ervoor kunnen zorgen dat de onderbreker nooit activeert (bij te lage temperatuur).

Elektronica en machines in extreme omgevingen hebben stroombeveiligingsoplossingen nodig die onder die omstandigheden niet zullen falen. Als de omstandigheden bijvoorbeeld onderwater zijn of de lucht een hoge concentratie deeltjes heeft, dan zou een stroomonderbreker die gecertificeerd verzegeld is bij het paneel en de schakelaar het beste werken.

Voor onbemande situaties waarbij de elektronica of machines niet door gebruikers of werknemers worden geobserveerd, is stroombeveiliging ook zeer belangrijk. In zulke gevallen kunnen overstroomgebeurtenissen langere tijd onopgemerkt blijven, wat kan leiden tot schade aan dure eenheden en bedrading, en tot het ontstaan en verspreiden van branden. Een voorbeeld van deze situatie is het groeiende aantal arrays in zonne-energie-installaties. Het is niet ongewoon dat ingenieurs bij deze arrays vertrouwen op hydraulisch-magnetische stroomonderbrekers, vanwege hun vermogen om extreme temperaturen beter te weerstaan dan bimetalen stroomonderbrekers. Door de vaak extreme omstandigheden waarin zonne-arrays kunnen worden geïnstalleerd, is echter extra ontwerp nodig om overhitting door de aanwezigheid van vonkbogen na een circuitonderbreking te voorkomen.

De eerste stap naar slimmere stroombeveiliging is het onderzoeken welke stroomonderbreker de beste oplossing biedt. Voor elk toepassingsgeval of elke omgevingsomstandigheid is er waarschijnlijk een stroomonderbreker die de kosten verlaagt, de kans op kritieke storingen vermindert, de veiligheid verhoogt en voldoet aan regionale normen en certificeringen. Daarnaast groeien, net zoals onze machines en elektronica elke dag slimmer en beter worden, ook de technologieën en het vernuft achter stroombeveiliging, dus houd oog voor nieuwe doorbraken!

Voor meer informatie over Carling's stroombeveiligingscomponenten, bezoek https://www.onlinecomponents.com/productsearch/circuit-protection/overcurrent-protection/circuit-breakers/.

OnlineComponents.com heeft deze bijdrage gesponsord.  Alle meningen zijn van mij.  --Mitchell Gracie