Devre Koruma Bileşenleri -1
Merhaba.
Daha önceki paylaşımımda da bahsettiğim gibi, devre koruma bileşenleri hakkında birkaç yazıdan oluşan bir seri hazırlıyorum. İlki en basit bileşenler olan sigorta ve sonrasında varistörler ile ilgili oldu. Bu malzemeler ile ilgili elbette birçok kaynak bulunmakta ancak ben tecrübelerimi de kullanarak bilinmesi gereken temel başlıkları, kullanım şekillerini, kullanırken dikkat edilmesi gereken noktaları sizler için özetlemeye gayret ettim.
Sıkılmadan okumanız dileğiyle.
Yoğunluğum sebebiyle uzun süredir bir paylaşım yapamadığımın farkındayım. Ancak yakında yayınlamayı planladığım bir yazı üzerinde çalışıyorum. Devre koruma elemanları, kullanıldığı yerler ve kullanım teknikleri üzerine damıtılmış bilgi kıvamındaki yazımı yakında yayınlayacağım. Hangi bileşenlerden bahsedeceğimi sorarsanız, TVS (Transzorb)’ler, Varistörler, FUSES, PPTC(Resetable Fuses), GDT, ESD Diodes, Zener Diodes, TSS vs. Bu bileşenler hakkında elbet bir çoğumuzun teoride de olsa bilgisi vardır. Ancak bu can dostlarının bazen proje bazen de hayat kurtardığı anlara şahitlik ettiğinizde kendilerini daha da bir seviyorsunuz. Örneğin PPTC? Hiç kullandık mı bu elemanı? PPTC, yani sıfırlanabilir sigortalar. Dağ başında çalışan bir cihazınız olsun ve cihazınızın sigortası bir enerji problemi sonucu atsın. Bu durumda cihazın sigortasını yenilemenin bir maliyeti var değil mi? Peki cihaz koruma sonrasında kendiliğinden devreye girseydi. Ne hoş olurdu değil mi? İşte bu elemanlar tam da bu işe yarıyorlar. Belli limitler içinde kalan geçici problemler sonrası cihaza tekrar enerji veren bu sevimli dostlar doğru kullanılırsa candırlar. İşte bu ve yukarıda belirttiğim elemanlardan bahsettiğim yazımı kısa süre içinde paylaşmış olacağım.
Devre Koruma Bileşenleri
Herhangi bir güç devresi, kumanda devresi, gömülü sistemler, bilgisayarlar, sürücüler, ev elektroniği kısaca içinde elektronik devre içeren tüm cihazlar (Bu yazımda elektronik cihazlar olarak kullanacağım) bir şekilde istenmeyen girişimlere maruz kalırlar ve sebeple istenilen görevi yerine getirmekte zorlanırlar, resetlenebilirler, hata yapabilirler hatta arızalanarak tümüyle devre dışı kalabilirler. Bu girişimler sonucu oluşan sorunlar kimi zaman zararsız bir sonuç doğururken, kimi zaman cihaz kaybına, yangına, yaralanmalara hatta sonucu can kaybına varan sonuçlara yol açabilirler. Bu tip sorunlar basit ve ucuz bir müdahale ile çözülebildiği gibi, yer yer cihaz maliyetini aşan maliyet ve zaman kayıplarına yol açarak ta çözülebilirler. Bu nedenledir ki tasarlanan her cihaz çalışacağı alana ve çalışma şartlarına göre teste tabi tutulurlar ve bu şartlara uygun bileşenler ile imal edilirler. Test konusu farklı bir yazı konusudur ve bu yazımda buna detaylı olarak değinmeyeceğim.
Elektronik cihazlar kullanım amacına göre farklı saha ve çalışma şartlarında görev yaparlar. Her cihaz, çalışma şartları gereği maruz kaldığı veya kalacağı bu girişimlere karşı belirli yöntemlerle korunurlar. Devre koruma bileşenleri dendiğinde çoğu zaman güç katında sistemin şebekeye karşı korunmasını sağlayan bileşenler akla gelir. Bir yere kadar doğrudur ancak koruma bileşeni dediğimizde kapsam aslında biraz daha geniştir. Öyle olsaydı pil ile çalışan cihazlarda koruma bileşenlerinden bahsediyor olmazdık.
Güvenli cihaz dendiğinde, maruz kaldığı istenmeyen girişimlere karşı kararlılığını koruyan, gerektiğinde devre dışı kalarak cihaza ve cihazın dahil olduğu sisteme zarar vermeyen, çalışma süresince bağlı bulunduğu şebeke ile uyumlu ve şebekeyi olumsuz etkilemeyen, can güvenliğini en üst düzeyde tutan, çevre ile uyumlu, ilgili standartlara uygun cihazlar akla gelmelidir. Buradan anlaşılacak olan, koruma bileşenleri dendiğinde aslında sadece cihazı korumak değil tüm sistemi, çevreyi ve can güvenliğini korumak amacıyla kullanılan bileşenler akla gelmelidir. Tabi ki tüm bunlara bu yazımda değinmem zor. Bu yazımda elektronik cihazı korumaya yönelik bileşenlerden bahsedeceğiz. Diğer konulara da yeri geldikçe farklı başlıklar altında değinmek doğru olacaktır.
Bu yazımda sıra ile;
Sigorta ve Varistörden ve de birlikte kullanımlarından bahsetmek istiyorum. Konuya geçmeden şu notu da hatırlatmak istedim. Koruma bileşenleri temelde akım, gerilim veya termal sınırlama esaslarına göre çalışmaktadır. Bu durum devreye bağlantı şekillerinden de anlaşılabilir. Akım sınırlaması prensibine göre çalışan ürünlerin devrede seri bağlandığı, gerilim sınırlaması prensibine göre çalışan bileşenlerin ise paralel bağlandığı görülür. Termal koruma konusuna ayrıca değinilecektir.
Sigortalar (Fuses)
En temel akım koruma elemanıdır ve devreye seri bağlanırlar. Telli, termik ve elektromanyetik türleri mevcuttur. Elektronik tasarımlarda kullanılan formları genelde kendini kurban eden ve açık devreye dönen telli modellerdir. Bu tip sigortalar açık devre olduğunda düzeltmenin tek yolu onu birebir aynı özellikle yenisi ile değiştirmektir. Sigortalar bir elektronik cihazın besleme girişinde olabileceği gibi yük bağlantı noktalarında da kullanılabilir. Böylelikle sistemdeki herhangi bir yükte oluşan sorunun tüm elektronik cihazı etkilemesi engellenmiş ve sistemin üzerinde daha büyük bir sorun oluşturmasının önüne geçilmiş olur. Bu, evlerimizdeki sigorta sisteminin minyatüre edilmiş bir formudur aslında. Bina girişinde bir ana sigorta ve bina içinde daha kılcal noktalar için planlanmış daha düşük akıma sahip sigortalar bulunur. Böylelikle herhangi bir kılcal noktadaki sorun tüm binada oluşabilecek bir kesintiyi engeller. Bu sigortaların elektronik cihazlar dışında kumanda sistemlerini korumak maksadıyla da kullanımları söz konusudur. Kumanda sistemlerinde telli sigorta türlerine ek olarak termik ve elektromanyetik gibi metotlarla çalışan türleri de mevcuttur. Bu türlerin değişimi yerine gerekli kontroller sonrası yeniden devreye alınması mümkündür. Sigortaların seçilmesinde kullanılan temel parametreler şöyledir.
Akım Türü (AC/DC) : Akım türü, sigortanın kullanıldığı yere ve yüke göre önemli olabilir. DC sigorta ile AC sigorta karakteristikleri farklı olabilmektedir. Örneğin 250VAC de 1A kırılma akımı sunan bir sigorta, DC de kullanılması durumunda anma gerilimi için 125VDC olarak garanti verebilir.
Anma Gerilimi: Seçilecek sigortanın anma gerilimi önemlidir. Sigortanın boyutlarından üretim materyaline kadar değişim gerektiren bu parametreye dikkat edilmelidir. Sigorta anma gerilimimin, uygulama noktasındaki gerilim değerinin altında olmamasına dikkat edilmelidir.
Kırılma Akımı: Sigortanızın dayanabileceği maksimum akımdır. Bu akım değerine ulaştığında sigorta elemanı erime sıcaklığına ulaşarak açık devreye gider.
Tepki Hızı: Sigortanın kırılma akımına ulaştığında açık devreye geçebilmek için ihtiyaç duyduğu süredir. Sigorta seçiminde önemli bir parametredir. İhtiyaca göre belirlenmelidir. Örneğin geçici enerji dalgalanmalarının yoğun olduğu projelerde diğer koruma devre elemanlarınca (Varistör gibi) bastırılabilecek girişimlerde sigortanın hemen atması istenmeyebilir. Bu durumda daha geç tepkime süresine sahip bir sigorta tercih edilmelidir. Ancak insan sağlığını ilgilendiren (kaçak akım korumaları gibi) durumlarda ise bu tepki süresinin hızlı olması oldukça kritiktir.
Yapısı (Cam, Seramik) : Çoğu zaman birbirinin yerine kullanılabilseler de özellikle termal yapılarındaki farklılıklar sebebiyle yüksek sıcaklık altındaki çalışmalarda seramik türdeki sigortalar önerilir. Seramik sigortalar, cam sigortalara göre daha yüksek sıcaklıklara karşı dayanıklıdırlar ve çevresel sıcaklık şartlarına karşı çalışma değerlerini koruyabilirler. Cam sigorta yerine seramik sigorta kullanılabilir ancak seramik sigorta yerine cam sigorta kullanılması önerilmez.
Varistörler:
Varistörler, elektronik cihazların gerilim dalgalanmalarından en az düzeyde etkilenmesi için kullanılan gerilime duyarlı yarı iletkenlerdir. İnbilizce “Voltage Dependent Resistor” kelimelerinin baş harflerinden oluşan VDR kısaltması ile de bilinirler. Silikon karpit, titanyum oksit ve son dönemlerde Metal Oksit (MOV) gibi maddelerin birleşiminden oluşur. Yüksek tepkime hızı ve son derece düşük bekleme akımı sunması sebebiyle MOV’ lar son dönemlerim popüler varistörleridir.
Temelde kırılma gerilimine kadar direnç değeri neredeyse sonsuz olan ancak kırılma gerilimine ulaştığında nano saniyeler mertebesinde yüksek bir tepkime hızı ile direnç değeri düşen bu bileşenler sigortanın aksine devreye paralel bağlanırlar. Çalışma şekli olarak bir zener diyoda benzetilebilir. Aşağıda grafikte 250V kırılma gerilimine sahip bir varistörün üzerinden kırılma gerilimine kadar neredeyse sıfıra yakın bir akım geçerken, kırılma gerilimine ulaştığında bir anda maksimum akımı akıtabildiği görülmektedir. Varistörleri AC sistemlerde Faz — Faz, Faz-Notr , Faz-Toprak, Notr — Toprak arasına bağlayabiliriz. DC uygulamalarda ise pozitif ve negatif arasında kullanılabilirler.
Yıldırım sebepli şebeke dalgalanmalarının, bobin ve transformatör mıknatıslanma akımlarının, ark kaynak makinelerinin, DC motor anahtarlama uygulamalarının, flüoresan aydınlatma devrelerinin oluşturduğu bu ani gerilim yükselmelerinin bastırılması en temel görevidir. Binlerce volt sevilerine ulaşan bu kısa süreli girişimlerin bastırılamaması durumunda devreye vereceği zarar kestirilemez.
Varistörü seçerken;
VAC(RMS) : AC sistemlerde kullanımı durumunda kırılmanın başlayacağı gerilimin RMS değerini verir. Varistör bu gerilime ulaştığında tepki süresi içinde empedansını sıfıra doğru hızla çekerek görevini yerine getirir.
VDC : DC sistemlerde kullanımı durumunda kırılmanın başlayacağı gerilimin değerini verir. Varistör bu gerilime ulaştığında tepki süresi içinde empedansın sıfıra doğru hızla çekerek görevini yerine getirir.
I_MAX : Varistörün kırılma sonrasında, belirli bir süre içinde ( 8uS — 20uS) üzerinden akıtabileceği maksimun akımı ifade eder. Bu da paralelinde bu süre zarfında ne kadarlık bir enerjiyi bastırabileceği veya üzerine alabileceğini gösterir. Bu maksimum akımın yükselmesi ile birlikte varsitörün paketinin büyüdüğünü görürsünüz.
ENERGY(J): Varistörün kırılma sonrasında, belirli bir süre içinde ( 10uS — 2mS) üzerinde ne kadarlık bir enerjiyi üzerine alabileceğini gösterir. Joule cinsinden verilen bu değerin yükselmesi ile birlikte varsitörün paketinin büyüdüğünü görürsünüz.
Uygulamaya uygun doğru varistörün seçilmesi sisteminizi bu tip ani gerilim patlamalarından (SURGE) koruyacaktır. Yanlış varistör seçimi ise sisteminizi korumayacağı gibi aksine gereksiz durumda devreye girerek sistemin kararlı çalışmasını etkileyecek sonuçlar da doğurabilir.
Bir örnek üzerinden gidelim;
Örneğin geniş aralık girişe sahip bir güç kaynağınız olsun ve aralığı 80–400VAC olsun. Bu girişinizi bir varistör ile korumak istediniz ve varistöre seri bir sigorta ile de ayrıca önlem aldınız. Kullandığınız varistörün V_RMS değeri şebekenize uygun olarak 275V seçilmiş olsun. Şebeke geriliminiz 220V-230V aralığında olacağından normal şartlarda sorun yaşamayacaksınız. Hatta doğru güçte bir seçim yapılmış ise surge patlamalarına karşı sistemi korumaya devam edecektir. Ancak güç kaynağınız 80–400VAC girişe sahip iken güç kaynağını varistör ile sınırlamış oldunuz. Gerilim çökmeleri, nötr kaybı gibi uç durumlarda anlık olarak gerilimin 300V civarlarına kısa süreli de olsa çıktığını düşünelim. Bu durumda varistörünüz devreye girdi ve sigortanız da düşük tepki süresine sahip ise sistemi devre dışı bıraktı. Aslında güç kaynağınız bu geçici dalgalanmayı göğüsleyebilecek ve sonrasında çalışmasına devam edebilecek bir tasarıma sahipti ancak haricen veya dahili olarak kullandığınız yanlış varistör buna izin vermeyerek sistemi OFF duruma çekti. Şimdi birilerinin bu cihaza ait sigortayı yenilemesi gerekecek. Günün sonunda cihaz müşteri tarafında arıza yapmış olarak bilinecektir.
Varistör Uygulama Örnekleri :
Tek Faz veya DC Besleme Girişi Uygulaması.
Tek faz veya DC besleme girişine paralel olarak uygulanır.
Topraklı Tek Faz veya DC Besleme Girişi Uygulaması.
Endüktif yüklerin yarı iletkenler ile sürülmesi durumunda anahtarlama elemanın korunmasına bir örnek.
Yine endüktif yüklerin Röle ile sürülmesinde kontakların oluşabilecek arklara karşı korunması maksadıyla varisyör uygulaması
Besleme girişlerinde sigorta ile birlikte uygulama örneği
3 Faz Uygulama Örneği
3 FAZ kullanımlarda fazlar arası kullanımlarda varistör gerekli baskılama görevini yerine getiremeyecektir. Doğru kullanım her fazdan toprağa veya Nötre şeklide ya da RST-N ‘den toprağa doğru bağlanması şeklinde olur.
Uğur TARLACI // 2020
ugurtarlaci@yahoo.com
