کلید مینیاتوری چیست: آشنایی با عملکرد و کاربردها

یکی از تجهیزات بسیار پر کاربرد در زمینه کنترل مدارهای الکتریکی، کلید مینیاتوری است. ردپای این کلیدها را می توان در پروژه های مسکونی، تجاری، صنعتی و به طور کلی هر جایی که یک مدار الکتریکی وجود دارد پیدا کرد. این کلیدها از جمله تجهیزات حفاظتی مدار الکتریکی هستند و وجود آن ها در مدار الزامی است. اطلاعات جامعی در مورد ساختار داخلی، عملکرد و استانداردهای این تجهیزات را در این مقاله گردآوری کرده ایم. با ما همراه باشید …

کلید مینیاتوری چیست؟

آیا تا به حال تصور کرده اید که در صورت اتصال کوتاه شدن یا افزایش جریان عبوری از لوازم خانگی مانند پنکه، ماشین لباسشویی، یخچال و … چه اتفاقی می افتد؟ در صورت بروز چنین حالتی لوازم خانگی شما می سوزند و احتمالا شاهد آتش سوزی خواهید بود. کلید مینیاتوری یک ابزار حفاظت از مدار الکتریکی با مکانیزم عمل الکترومکانیکی است که از بروز چنین حوادثی پیشگیری می کند.

کلیدهای مینیاتوری به منظور جلوگیری از آسیب های اضافه جریان مورد استفاده قرار می گیرند. این کلیدها در هنگام اضافه بار یا اتصال کوتاه، به منظور محافظت از مدار در برابر خطاهای الکتریکی و خرابی تجهیزات، خاموش می شوند یا به عبارت بهتر مسیر جریان را قطع می کنند. کلید مینیاتوری یا Miniatour Circuit Breaker را به اختصار MCB نیز می نامند.

برای محافظت از مدار در برابر اضافه جریان می توان از فیوز نیز استفاده کرد. فیوزها قادرند مدار را در برابر اضافه جریان محافظت کنند اما چالش اساسی فیوزها، یکبار مصرف بودن آن هاست. جریان بیش از حد تعیین شده از فیوز، سبب سوختن فیوز می شود. با سوختن فیوز مسیر جریان قطع شده و مصرف کننده ها در برابر آسیب اضافه بار محافظت می شوند. اما برای وصل دوباره مدار لازم است فیوز را تعویض کنید!

این چالش در استفاده از کلید مینیاتوری برطرف شده است. پس از هر بار قطع شدن مدار توسط کلید مینیاتوری، می توانید به صورت دستی وضعیت کلید را تغییر داده و عملکرد مدار را از سر بگیرید. همچنین در مواقع انجام عملیات تعمیر و نگه داری به کمک فیوز مینیاتوری می توانید برق را قطع کنید. بنابراین کلیدهای مینیاتوری هم در ایمنی تجهیزات و هم ایمنی تکنسین ها نقش پر رنگی دارند.

اهمیت MCB ها در مدار

MCB ها نقش مهمی در حفظ ایمنی و جلوگیری از حوادث الکتریکی دارند. اتصال کوتاه و اضافه بار رایج ترین خطاها در مدار الکتریکی هستند که کلید مینیاتوری قادر است در برابر آن ها از مدار محافظت کند. استفاده از این کلیدها خطر آتش سوزی الکتریکی و آسیب به دستگاه های الکتریکی را کاهش می دهد. علاوه بر این کلید مینیاتوری با قطع سریع مدار، از تشدید عیوب الکتریکی جلوگیری و قابلیت اطمینان و طول عمر سیستم الکتریکی را تضمین می کند.

مزایای استفاده از کلید مینیاتوری نسبت به فیوز

• زمان پاسخگویی سریع: MCB ها می توانند در عرض چند میلی ثانیه حرکت و محافظت سریع در برابر جریان اضافه و اتصال کوتاه را فراهم کنند.
• تنظیم مجدد آسان: برخلاف فیوزهای سنتی، MCB ها را می توان به راحتی پس از خاموش شدن، دوباره وصل و منبع تغذیه را بازیابی کرد.
• حساسیت افزایش یافته: MCB ها می توانند حتی اضافه جریان های کوچک را تشخیص دهند و حفاظت دقیقی از مدار الکتریکی ارائه دهند.
• جداسازی بخش آسیب دیده: MCB ها را می توان به صورت دستی قطع کرد. این قابلیت امکان ایزوله کردن بخش های آسیب دیده مدار را فراهم می کند.

ساختار کلید مینیاتوری

چیزی که در ظاهر کلیدهای مینیاتوری دیده می شود، یک محفظه عایق قالب‌گیری شده است. این قاب از استحکام مکانیکی و نارسانایی مناسبی برخوردار است. بخش های داخلی این کلیدها ممکن است تفاوت هایی با هم داشته باشند. این تفاوت ها از تکنولوژی ساخت، تیپ کاری و همچنین ملاحظات طراحی نمونه های مختلف موجود در بازار ناشی می شوند. شکل زیر ساختار کلی یک کلید مینیاتوری را نشان می دهد.

سیستم سوئیچینگ کلید شامل یک کنتاکت ثابت و یک کنتاکت متحرک است که سیم های ورودی و خروجی به آن متصل می شوند. قطعات فلزی یا حامل جریان بسته به تیپ کلیدها از مس الکترولیتی یا آلیاژ نقره ساخته می شوند.

با جدا شدن کنتاکت ها (پریدن فیوز) در صورت اضافه بار یا اتصال کوتاه، یک قوس الکتریکی تشکیل می شود. تمام کلیدهای مینیاتوری مدرن از یک مکانیزم کنترل جرقه بهره می برند. به صورت کلی قطع شدن جریان الکتریکی در یک مسیر با ایجاد جرقه همراه است. بنابراین تمام بریکرها از یک مکانیزم کنترل جرقه بهره می برند.

مشابه این مکانیزم را در مقاله “کنتاکتور چیست؟” برای کنتاکتور تشریح کرده ایم.

مکانیسم عملیاتی از دو بخش مغناطیسی و تریپ حرارتی تشکیل شده است. بخش مغناطیسی یک سیستم ترکیبی است و شامل یک فنر، یک سیم پیچ و یک هسته مغناطیسی است. در صورت اتصال کوتاه یا اضافه بارهای سنگین، میدان مغناطیسی قوی تولید شده توسط سیم‌پیچ‌ (سلونوئید) برای جذب هسته و قطع اتصال تیغه ها کافی است.

آرایش قطع حرارتی از یک نوار دو فلزی (بیمتال) تشکیل شده که یک کویل به دور آن پیچیده می شود. این کویل که از آن به عنوان هیتر نیز نامبرده می شود، وظیفه گرم کردن تیغه متناسب با جریان عبوری را بر عهده دارد. خم شدن بیمتال مکانیسم قطع در شرایط اضافه بار را فعال می کند.

نوارهای بیمتال از دو فلز مختلف، معمولاً برنج و فولاد، ساخته شده‌اند که ضریب انبساط متفاوتی دارند. این فلزات با پرچ و جوش در طول مسیر به هم متصل شده اند. گرمای ناشی از عبور جریان های معمولی تیغه بیمتال را تا نقطه قطع گرم نمی کند. با افزایش جریان عبوری از کلید مینیاتوری به بیش از مقدار نامی، نوار گرم شده و در اثر خم شدن آن مسیر عبور جریان قطع می شود. نوارهای دو فلزی به گونه ای انتخاب می شوند که تأخیرهای زمانی خاصی را برای اضافه بارهای مختلف ایجاد کنند.

عملکرد و کارایی کلید مینیاتوری

در شرایط کاری عادی، MCB  به عنوان یک سوئیچ (دستی) برای روشن و خاموش کردن مدار عمل می کند. این کلید در شرایط اضافه بار یا اتصال کوتاه، به طور خودکار خاموش شده و جریان مدار بار را قطع می کند.

نشانه ظاهری این فرآیند را می توان با حرکت خودکار شاسی به موقعیت OFF مشاهده کرد. فرایند قطع خودکار توسط  MCB در دو حالت اتفاق می افتد که با عنوان خاموش شدن مغناطیسی و خاموش شدن حرارتی شناخته می شوند.

کنترل اتصال کوتاه

در صورت وقوع اتصال کوتاه یا اضافه بار سنگین، آرایش مغناطیسی تغییر کرده و جریان قطع می شود. هنگامی که جریان اتصال کوتاه از کلید مینیاتوری عبور می کند، میدان مغناطیسی تولید شده توسط سیم پیچ برای غلبه بر نیروی فنری که شاسی را در موقعیت خود نگه می دارد، کافی است. در این حالت کنتاکت متحرک جابجا شده و اتصال قطع می شود.

کنترل جرقه

در اکثر کلیدهای مینیاتوری ترکیبی از هر دو مکانیزم قطع مغناطیسی و حرارتی اجرا می شود. در صورت عملکرد هریک از بخش های مغناطیسی یا حرارتی، در لحظه جدا شدن کنتاکت ها یک قوس الکتریکی (جرقه بزرگ) تشکیل می شود. در این زمان مکانیزم کنترل جرقه وارد عمل می شوند. در این مکانیزم ابتدا قوس از طریق هدایت کننده وارد صفحات شکافنده قوس می شود.

کنترل اضافه بار

در شرایط اضافه بار، جریان عبوری از بیمتال باعث افزایش دمای آن می شود. گرمای تولید شده در بیمتال سبب ایجاد انحراف یا خمیدگی آن می شود. دلیل این خمیدگی تفاوت ضریب انبساط فلز هاست. خمیدگی به سمت فلزی اتفاق می افتد که ضریب انبساط کمتری دارد. افزایش انحراف تیغه باعث آزاد شدن گیره اتصال و از هم جدا شدن کنتاکت ها می شود.

صفحات شکاف قوس، کانال قوس نیز نامیده می شوند. این کانال ها قوس الکتریکی را به جرقه های کوچک تبدیل کرده و انرژی آن را تخلیه می کنند. با اجرای فرآیند شکاف و تخلیه انرژی قوس، عملکرد مکانیزم کنترل جرقه کامل شده و از آسیب های احتمالی قوس به کنتاکت های کلید مینیاتوری پیشگیری می شود.

کلاس بندی کلید مینیاتوری براساس ویژگی های تریپ

براساس محدوده عملکرد و میزان افزایش جریانی که منجر به قطع مدار توسط کلیدهای مینیاتوری می شود، آن ها را در کلاس های مختلفی دسته بندی می کنند. در ادامه به معرفی مهمترین کلاس های (یا تیپ) فیوز مینیاتوری خواهیم پرداخت. جریان قطع و زمان عملکرد کلاس های مختلف در جدول زیر با هم مقایسه شده اند.

کلید مینیاتوری تیپ B

این نوع از MCB قابلیت قطع مدار در وضعیت عبور جریانی معادل 3 تا 5 برابر جریان کامل بار را دارند. کلید ‌های نوع B عمدتاً در کاربردهای مسکونی یا تجاری سبک استفاده می‌شوند. در این کاربردها بارهای موجود در مدار عمدتاً وسایل روشنایی، لوازم خانگی با عناصر عمدتاً مقاومتی هستند. همچنین برای رایانه و تجهیزات الکترونیکی با بارهای هجومی بسیار کم (سیم کشی PLC) از این تیپ استفاده می شود. MCB نوع B حفاظت و کنترل مدارها در برابر اضافه بار و اتصال کوتاه را به عهده دارد.

MCB تیپ C

این کلاس از قابلیت قطع مدار در وضعیت عبور جریانی معادل 5 تا 10 برابر جریان کامل بار را دارند این کلیدها در مصارف تجاری یا صنعتی که در آن احتمال وجود مقادیر بالاتر جریان اتصال کوتاه در مدار وجود دارد، مورد استفاده قرار می گیرند. عمدتا بارهایی با ماهیت القایی (مانند موتورهای القایی) یا نور فلورسنت به این کلیدها نیاز دارند. به عنوان نمونه های از کاربرد این تیپ می توان ترانسفورماتورهای کوچک، روشنایی، دستگاه های پایلوت، مدارهای کنترلی و سیم پیچ ها را نام برد

تایپ D

این نوع MCB قابلیت قطع مدار در وضعیت عبور جریانی معادل 10 تا 20 برابر جریان کامل بار را دارد. تایپ D در مصارف تخصصی صنعتی/تجاری که در آن جریان  اتصال کوتاه می تواند بسیار زیاد باشد استفاده می شود. به عنوان مثالی از کاربرد این گروه می توان به ترانسفورماتورها یا ماشین های اشعه ایکس، موتورهای بزرگ و غیره اشاره کرد.

کلید مینیاتوری کلاس K

عملکرد این کلیدها در شرایط جریانی 8 تا 12 برابر جریان بار اتفاق می افتد. کلیدهای این دسته برای بارهای القایی و موتوری که جریان های هجومی بالایی را به مدار تحمیل می کنند مناسب هستند. بریکرهای تیپ K و D برای کنترل بارهای موتوری طراحی شده‌اند. در هنگام راه‌اندازی این بارها جریان به سرعت و به طور لحظه‌ای افزایش می‌یابد.

کلاس Z

کلید مینیاتوری تیپ Z با رسیدن جریان بار به 2 تا سه برابر جریان نامی عمل می کند. این نوع MCB ها نسبت به اتصال کوتاه بسیار حساس هستند و برای محافظت از تجهیزات حساس مانند دستگاه های نیمه هادی استفاده می شوند.

دسته بندی کلید مینیاتوری براساس تعداد پل

روش عملی دیگر برای دسته بندی MCB ها، در نظر گرفتن تعداد پل است. بر این اساس می توان انواع زیر را معرفی کرد:

کلید یک پل مینیاتوری (SP):

این کلیدها تنها قادر به کنترل مسیر فاز هستند.

کلید دو پل مینیاتوری(DP) :

این کلیدها به صورت همزمان فاز و نول را کنترل می کنند.

کلید مینیاتوری سه پل(TP) :

این کلیدها به منظور کنترل فازها در مدار سه فاز مورد استفاده قرار می گیرند.

فیوز مینیاتوری 3 پل و نول (TPN):

این کلیدها اماکان کنترل همزمان فازها و نول را در مدار سه فاز فراهم می کند. در این کلیدها پل در نظر گرفته برای نول هیچ حفاظتی ندارد و صرفا امکان قطع و وصل را فراهم می کند.

کلید مینیاتوری 4پل (4P):

تفاوت این کلیدها با کلید سه پل و نول در این است که بر روی سیم نول هم حفاظت ایجاد می کنند. کاربرد این کلیدها در مواردی است که امکان عبور جریان های زیاد از سیم نول وجود دارد. مانند یک مدار نامتعادل.

برندهای کلید مینیاتوری موجود در بازار

تنوع برندهای تولید کننده کلید مینیاتوری در بازار بسیار زیاد است. اغلب برندها رسته خاصی از کلیدهای مینیاتوری را تولید می کنند. به عنوان مثال اگر قصد خرید کلید مینیاتوری برای کاربردهای مسکونی را داشته باشید، تنوع محصول بسیار زیادی شامل برندهای ایرانی و خارجی را در بازار شاهد خواهید بود.

با ورود به رسته کلید مینیاتوری صنعتی، تعداد برندها به صورت چشمگیری کاهش پیدا می کند. تکنولوژی بالاتر محصولات ایمنی در کنار ملاحظات سرمایه ای موجب کاهش تولید کنندگان محصولات صنعتی می شود. از جمله پرکاربردترین محصولات در این حوزه می توان کلید مینیاتوری زیمنس، اشنایدر الکتریک و LS را نام برد.

جمع بندی

خطرات ناشی از اتصال کوتاه شدن و افزایش جریان عبوری از مصرف کننده های الکتریکی، حفاظت از ان ها در برابر اضافه بار را ضروری می کند. در محیط های صنعتی با توجه به بالا بودن سطح ولتاژ و جریان این مساله جدی تر است. یکی از پرکاربردترین تجهیزات محافظت از مدار در برابر اضافه بار و اتصال کوتاه، کلید مینیاتوری است. این کلیدها انواع مختلفی دارند که کاربردهای متفاوتی دارد. برای خرید انواع کلید مینیاتوری زیمنس از فروشگاه زیمنس کالا دیدن کنید.