Circuitbeveiliging hoeft niet ingewikkeld te zijn, maar verschillende toepassingen en omgevingen vragen om slimmere ontwerpen en engineering om ervoor te zorgen dat de kwetsbare elektronica, computers en machines van tegenwoordig 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 naar miniaturisering ons in staat heeft gesteld om sterkere, slimmere en snellere apparaten in bijna alles onder te brengen, heeft het onze apparaten ook gevoeliger gemaakt voor onvoorspelbare stroompieken en andere overstroomgebeurtenissen.

Het is niet alleen consumentenelektronica of huishoudelijke bedrading die bescherming 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 vragen naar elektrisch vermogen overtroffen wat iemand in de jaren 1800 had kunnen voorspellen. Deze ongekende groei in stroomverbruik—van onze huishoudelijke pc's tot de PLC's in onze fabrieken—vereist betrouwbare bescherming tegen overstroom om zowel de levensstijl van onze burgers als de productiviteit van onze economieën te waarborgen.

Van de vele kwetsbaarheden van moderne elektronica zijn twee belangrijke overstroomgebeurtenissen het meest voorkomend. 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 na verloop van tijd meer energie krijgen. De enige afvoer 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 zelfs tot explosies leiden.

De op één na meest voorkomende overstroomgebeurtenissen zijn stroompieken. Deze treden op wanneer abnormale stroomtoenames aan een circuit worden toegevoegd die de verwachte stroombelasting overschrijden waarvoor het circuit is ontworpen. Een voorbeeld hiervan is een blikseminslag in de buurt van 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, circuitbeveiliging fungeert ook als veiligheidsmaatregel om het welzijn te waarborgen van mensen zoals fabrieksarbeiders, consumenten—en omstanders. Overstroomgebeurtenissen kunnen explosies en branden veroorzaken en stroomsterkteniveaus overschrijden die het menselijk lichaam niet kan verdragen. In het geval van een onder spanning staande overstroom is circuitbeveiliging de laatste verdedigingslinie tegen levensbedreigend letsel of ongevallen.

Hoe circuitbeveiliging werkt

Circuitbeveiliging is opgebouwd rond het idee om een zwak punt in een circuit te ontwerpen, zodat overstroomgebeurtenissen die een drempelstroom overschrijden een stroomonderbreker of schakelaar activeren om het circuit te openen en de stroom te stoppen.

Zekeringen behoorden tot de eerste algemeen aanvaarde methoden van circuitbeveiliging. 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 stopt. Hoewel zekeringen hun doel goed vervullen, kan hun relatief eenvoudige ontwerp variëren in effectiviteit afhankelijk van de specifieke toepassing. Soms is het nodig om meer complexe methoden van circuitbeveiliging te gebruiken die voordelen bieden in complexere toepassingen.

Dan komen de stroomonderbrekers.

Stroomonderbrekers zijn ontworpen als een betrouwbaardere bron voor de bescherming van bedrading en elektronica. Een stroomonderbreker bevat meerdere onderdelen die door gebruikers of fabrikanten kunnen worden gekalibreerd om aan de behoeften van individuele toepassingen 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 per toepassing en omstandigheden, maar het algemene idee is dat één component wordt beïnvloed door stroom (waardoor de stroom wordt gemonitord), terwijl een ander component (soms een actuator genoemd) het circuit verbreekt bij een overstroomgebeurtenis.

Beschikbare moderne hardware

Er zijn drie belangrijke stromingen van moderne hardware die wordt gebruikt voor de bescherming van circuits tegen overstroomgebeurtenissen: hydraulisch-magnetisch, thermisch en lekkage (soms aardlek genoemd).

Hydraulisch-magnetische stroomonderbrekers bestaan uit een hydraulisch component en een magnetisch component. Ze maken gebruik van de elektromagnetismetheorie die solenoïden en ijzerkernstaven regelt om de stroom van elektriciteit door de solenoïde te sturen naarmate de door de solenoïde omringde ijzerkernstaaf beweegt. De reactietijd van deze stroomonderbrekers hangt af van de viscositeit van de gebruikte vloeistof die als medium fungeert 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 of onder de nominale waarden ligt. (Afbeelding met dank aan Carling Electronics.)

Thermische stroomonderbrekers maken gebruik van bimetalen strips en een proces vergelijkbaar met dat in thermostaten. De twee metalen van de strip reageren elk verschillend op thermische omstandigheden, waarbij het ene metaal sneller uitzet dan het andere. Hierdoor buigt de strip naar de kant van de bimetalen strip die langzamer uitzet, en opent het circuit als de stroom te veel warmte produceert.

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

Lekstroom- en aardlekstroomonderbrekers maken gebruik van metingen van de elektromotorische kracht (EMK). Input- en outputstromen produceren EMK's die gelijk zijn in grootte maar tegengesteld in teken (positief of negatief). Tijdens normale stroming heffen de som van de input en output elkaar op, en blijft het circuit gesloten. In het geval van een overstroom zou een van die EMK's groter zijn dan de andere, wat resulteert in een niet-nul netto EMK die wordt gedetecteerd en het circuit activeert om te openen.

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

Elk type moderne stroomonderbreker heeft zijn voor- en nadelen en biedt oplossingen voor verschillende toepassingen. Bij het kiezen van een type circuitbeveiliging is het het beste om de voor- en nadelen van elk type te begrijpen om te zien welke aan de omstandigheden van de toepassing voldoet. Thermische stroomonderbrekers zijn bijvoorbeeld niet ideaal voor plaatsen met te hoge of te lage omgevingstemperaturen, wat kan leiden tot valse activeringen (bij te hoge temperatuur) of ertoe kan leiden dat de onderbreker nooit activeert (bij te lage temperatuur).

Elektronica en machines in zware omgevingen hebben circuitbeveiligingsoplossingen nodig die niet falen onder die omstandigheden. Als de omstandigheden bijvoorbeeld onderwater zijn of de lucht