Devre koruması karmaşık olmak zorunda değildir, ancak farklı kullanım senaryoları ve ortamlar, günümüzün hassas elektroniklerinin, bilgisayarlarının ve makinelerinin aşırı akım olayları sırasında yanmamasını sağlamak için daha akıllı tasarımlar ve mühendislik gerektirir. (Görsel Carling’in izniyle kullanılmıştır.)

Cihazlarımızdaki, makinelerimizdeki ve altyapılarımızdaki elektronik bileşenler daha küçük, daha karmaşık ve daha hassas hale geldi. Minyatürleşmeye yönelik bu eğilim, neredeyse her şeye daha güçlü, daha akıllı ve daha hızlı cihazlar sığdırmamıza olanak tanısa da, cihazlarımızı öngörülemeyen güç dalgalanmalarına ve diğer aşırı akım olaylarına karşı daha hassas hale getirdi.

Korumaya ihtiyaç duyan yalnızca tüketici elektroniği veya ev içi kablo tesisatı değildir. Amerika Birleşik Devletleri’nin 19yüzyılda elektrifikasyonundan bu yana, fabrikalarımızda ve montaj hatlarımızdaki elektrifikasyon ve bunu izleyen otomasyon—ve son birkaç on yılda ise devasa veri merkezleri gelişti. Sonuç olarak, elektrik gücüne yönelik bu talepler, 1800’lerde herhangi birinin öngörebileceğinin ötesine geçti. Ev bilgisayarlarımızdan fabrikalarımızdaki PLC’lere kadar uzanan bu benzeri görülmemiş güç kullanımı artışı, vatandaşlarımızın yaşam tarzını ve ekonomilerimizin üretkenliğini güvence altına almak için aşırı akıma karşı güvenilir koruma gerektirmektedir.

Yüksek voltaj ve yüksek amperajlı ortamlar işçiler için tehlikeli olabilir. Devre koruması yalnızca güç kullanan varlıkları değil, hayatları da korur.

Modern elektroniğin sahip olduğu birçok zayıf noktanın arasında iki ana aşırı akım olayı en yaygın olanlarıdır. En yaygın aşırı akım olaylarından biri kısa devredir. Kısa devre, güç kaynağından kendisine geri dönen ve akım üzerinde çok az ya da hiç empedans etkisinin olmadığı bir döngü oluştuğunda meydana gelir. Bu durum, devreyi, devredeki elektronların rezonansa girdiği ve zamanla daha fazla enerjilendiği pozitif bir geri besleme döngüsüne dönüştürür. Bu artan enerji için tek çıkış yolu, bu enerjiyi termal enerjiye dönüştürmektir. Bu ısı artışı hassas elektronik bileşenlere ve devrelere zarar verebilir, hatta patlamalara yol açabilir.

İkinci en yaygın aşırı akım olayı ise güç dalgalanmalarıdır. Bunlar, bir devreye, o devrenin tasarlandığı beklenen akım yükünü aşan anormal akım artışlarının eklenmesiyle meydana gelir. Bunun bir örneği, bir elektrik altyapısının yakınına düşen yıldırımdır.

Ayrıca, aşırı akım olaylarına karşı koruma sağlamak yalnızca elektronik veya endüstriyel makineleri korumaya yönelik bir çaba değildir; aynı zamanda işçileri ve kullanıcıları korumaya da yöneliktir. Yani devre koruması, fabrika işçileri, tüketiciler ve yakınlardaki kişiler gibi insanların güvenliğini sağlamak için bir güvenlik önlemi olarak da işlev görür. Aşırı akım olayları patlamalara, yangınlara neden olabilir ve insan vücudunun dayanabileceği seviyelerin ötesine geçen amperaj düzeylerine ulaşabilir. Enerjilenmiş bir aşırı akım durumunda, devre koruması, hayati tehlike arz eden yaralanmalara veya kazalara karşı son savunma hattıdır.

Devre Koruması Nasıl Çalışır

Devre koruması, bir devre boyunca zayıf bir nokta tasarlama fikri üzerine kuruludur; böylece bir eşik akımını aşan aşırı akım olayları bir kesici veya şalteri tetikleyerek devreyi açar ve akımı durdurur.

Sigortalar, devre korumasının ilk yaygın olarak kabul gören yöntemlerinden biriydi. Genellikle sigortalar, direncinin kabul edilemez miktarda akımla üreteceği sıcaklıklara yakın bir erime noktasına sahip ince metal parçaları veya şeritleridir. Akımdan gelen termal enerji, metal sigortanın erimesine ve devrenin açılmasına neden olarak tüm akımı durdurur. Sigortalar amaçlarına iyi hizmet etse de, nispeten basit tasarımları belirli kullanım senaryosuna bağlı olarak etkinlik açısından değişiklik gösterebilir. Bazen, daha karmaşık kullanım senaryolarında avantajlar sağlayan daha karmaşık devre koruma yöntemlerinin kullanılması gerekir.

Devre kesiciler devreye giriyor.

Devre kesiciler, devreleri ve elektroniği korumak için daha güvenilir bir kaynak olarak tasarlanmıştır. Bir devre kesici, bir sigortanın yaptığı gibi ince bir metal şeridin direncine güvenmek yerine, kullanıcılar veya üreticiler tarafından bireysel kullanım senaryolarının ihtiyaçlarını karşılayacak şekilde kalibre edilebilen birden fazla parça içerir. Devre kesicilerin tasarımı kullanımlara ve koşullara göre değişebilir, ancak genel fikir, bir bileşenin akımdan etkilenmesi (böylece akımı izlemesi), diğer bileşenin (bazen aktüatör olarak bilinir) ise aşırı akım olayında devreyi kesmesidir.

Mevcut Modern Donanım

Aşırı akım olaylarına karşı devrelerin korunması için kullanılan modern donanımın üç ana akımı vardır: hidrolik-manyetik, termal ve kaçak akım (bazen toprak kaçağı olarak da bilinir).

Hidrolik-manyetik devre kesiciler hidrolik bir bileşen ile manyetik bir bileşenden oluşur. Solenoid tarafından çevrelenen demir çekirdekli çubuk hareket ederken solenoid boyunca elektrik akışını kontrol etmek için solenoidleri ve demir çekirdekli çubukları yöneten elektromanyetizma teorisinden yararlanırlar. Bu devre kesicilerin tepki süresi, demir çekirdekli çubuk ile solenoid arasında bir ortam görevi gören sıvının viskozitesine bağlıdır. Kullanılan sıvı ne kadar viskoz olursa, aşırı akım olayı için eşik değeri o kadar yüksek olur.

Akım anma değerlerinde veya daha düşük seviyelerdeyken basit bir hidrolik-manyetik devre kesici. (Görsel Carling Electronics’in izniyle kullanılmıştır.)

Termal devre kesiciler bimetalik şeritler kullanır ve termostatlarda bulunana benzer bir süreç izler. Şeridin iki metali termal koşullara farklı tepki verir; bir metal diğerinden daha hızlı genleşir. Bu durum, şeridin daha yavaş genleşen bimetalik şerit tarafına doğru bükülmesine neden olur ve akım çok fazla ısı üretiyorsa devreyi açar.

32VDC’de 2500A maksimum kesme kapasitesine sahip CMB serisi de dahil olmak üzere bir dizi termal devre kesici. (Görsel Carling’in izniyle kullanılmıştır.)

Ekipman kaçağı ve toprak kaçağı devre kesicileri elektromotor kuvvet (EMF) ölçümlerinden yararlanır. Giriş ve çıkış akımları, büyüklük olarak eşit ancak işaret olarak zıt (pozitif veya negatif) EMF’ler üretir. Normal akış sırasında, giriş ve çıkışın toplamı birbirini iptal eder ve devre kapalı kalır. Bir aşırı akım durumunda, bu EMF’lerden biri diğerinden daha büyük olur ve bu da algılanan ve devrenin açılmasını tetikleyen sıfır olmayan net bir EMF ile sonuçlanır.

Toprak kaçağı devre kesicisinin en iyi özelliklerini normal bir devre kesiciyle birleştiren bir PC serisi şalterin görseli. (Görsel Carling’in izniyle kullanılmıştır.)

Modern devre kesicilerin her türünün kendine has avantajları ve dezavantajları vardır ve farklı kullanım senaryoları için çözümler sunar. Bir devre koruma türü seçerken, her türün artılarını ve eksilerini anlayarak hangisinin kullanım senaryosunun koşullarını karşılayacağını görmek en iyisidir. Örneğin, termal devre kesiciler, yanlış tetiklemelere (çok yüksek sıcaklık) veya kesicinin hiç tetiklenmemesine (çok düşük sıcaklık) neden olabilecek, ortam sıcaklığının çok yüksek veya çok düşük olduğu yerler için ideal değildir.

Zorlu ortamlardaki elektronik ve makineler, bu koşullar altında arızalanmayacak devre koruma çözümlerine ihtiyaç duyar. Örneğin, koşullar su altındaysa veya havada yüksek konsantrasyonda partikül varsa, panel ve anahtar kısmında sızdırmazlığı sertifikalandırılmış bir devre kesici en iyi sonucu verecektir.

Elektroniğin veya makinelerin kullanıcılar ya da işçiler tarafından gözlemlenmediği insansız durumlarda da devre koruması son derece önemlidir. Bu tür durumlarda, aşırı akım olayları uzun süre fark edilmeden kalabilir; bu da pahalı ünitelere ve devrelere zarar vermenin yanı sıra yangınların başlamasına ve yayılmasına neden olabilir. Bu duruma bir örnek, güneş enerjisi tesislerindeki artan sayıda dizi olabilir. Bu dizilerdeki mühendislerin, bimetalik devre kesicilere kıyasla aşırı sıcaklıklara daha iyi dayanabilme özelliği nedeniyle hidrolik-manyetik devre kesicilere güvenmesi sık görülen bir durumdur. Ancak, güneş dizilerinin kurulabileceği genellikle aşırı koşullar nedeniyle, devrenin kesilmesinin ardından oluşan arklardan kaynaklanan aşırı ısınmayı önlemek için bazı ek tasarımlara ihtiyaç duyulmaktadır.

Daha akıllı devre korumasına giden ilk adım, hangi devre kesicinin en iyi çözümü sunduğunu araştırmaktır. Herhangi bir kullanım senaryosu veya çevresel koşul için, maliyetleri azaltacak, kritik arıza olasılığını düşürecek, güvenliği artıracak ve bölgesel standartları ve sertifikasyonları karşılayacak bir devre kesici muhtemelen mevcuttur. Ayrıca, makinelerimiz ve elektroniklerimiz her geçen gün daha akıllı ve daha iyi hale gelirken, devre korumasının arkasındaki teknolojiler ve yaratıcılık da gelişmeye devam ediyor, bu yüzden yeni gelişmeleri gözden kaçırmayın!

Carling’in devre koruma bileşenleri hakkında daha fazla bilgi için lütfen şu adresi ziyaret edin: https://www.onlinecomponents.com/productsearch/circuit-protection/overcurrent-protection/circuit-breakers/.

Bu yazı OnlineComponents.com tarafından sponsorluk almıştır. Tüm görüşler bana aittir. --Mitchell Gracie