¿Qué es un fusible de corriente y su función?

En electrónica e ingeniería eléctrica, un fusible es un dispositivo de seguridad eléctrica que funciona para proporcionar protección contra sobrecorriente de un circuito eléctrico. Su componente esencial es un alambre o tira de metal que se derrite cuando fluye demasiada corriente a través de él, deteniendo o interrumpiendo la corriente. Es un dispositivo de sacrificio; una vez que un fusible ha funcionado es un circuito abierto y debe ser reemplazado o recableado, dependiendo de su tipo.

Los fusibles se han utilizado como dispositivos de seguridad esenciales desde los primeros días de la ingeniería eléctrica. Hoy en día existen miles de diseños de fusibles diferentes que tienen clasificaciones específicas de corriente y voltaje, capacidad de corte y tiempos de respuesta, según la aplicación. Las características de funcionamiento de tiempo y corriente de los fusibles se eligen para proporcionar una protección adecuada sin interrupciones innecesarias. Las regulaciones de cableado generalmente definen una clasificación de corriente máxima de fusible para circuitos particulares. Los cortocircuitos, las sobrecargas, las cargas no coincidentes o la falla del dispositivo son la causa principal o algunas de las razones del funcionamiento del fusible. Cuando un cable vivo dañado hace contacto con una caja de metal que está conectada a tierra, se formará un cortocircuito y el fusible se fundirá.

Un fusible es un medio automático para eliminar la energía de un sistema defectuoso; a menudo abreviado como ADS (Automatic Disconnection of Supply). Los disyuntores se pueden utilizar como alternativa a los fusibles, pero tienen características significativamente diferentes.

fusible electrico	Fusible de vidrio	Fusible de cerámica

Historial de fusibles

recomendó el uso de conductores de sección reducida para proteger las estaciones de telégrafo de los rayos; al derretirse, los cables más pequeños protegerían los aparatos y el cableado dentro del edificio. Ya en 1864 se utilizaba una variedad de elementos fusibles de alambre o papel de aluminio para proteger los cables de telégrafo y las instalaciones de iluminación. Thomas Edison patentó un fusible en 1890 como parte de su sistema de distribución eléctrica.

Construcción de alambre fusible

Un fusible consiste en una tira de metal o un elemento fusible de alambre, de sección transversal pequeña en comparación con los conductores del circuito, montado entre un par de terminales eléctricos y (generalmente) encerrado por una carcasa no combustible. El fusible está dispuesto en serie para transportar toda la corriente que pasa por el circuito protegido. La resistencia del elemento genera calor debido al flujo de corriente. El tamaño y la construcción del elemento se determinan (empíricamente) de modo que el calor producido para una corriente normal no haga que el elemento alcance una temperatura alta. Si fluye una corriente demasiado alta, el elemento se eleva a una temperatura más alta y se derrite directamente, o bien derrite una junta soldada dentro del fusible, abriendo el circuito.

El elemento fusible está hecho de zinc, cobre, plata, aluminio o aleaciones entre estos u otros metales para proporcionar características estables y predecibles. Idealmente, el fusible llevaría su corriente nominal indefinidamente y se derretiría rápidamente con un pequeño exceso. El elemento no debe ser dañado por sobrecargas de corriente leves e inofensivas y no debe oxidarse ni cambiar su comportamiento después de posiblemente años de servicio.

Los elementos fusibles se pueden moldear para aumentar el efecto de calentamiento. En fusibles grandes, la corriente se puede dividir entre múltiples tiras de metal. Un fusible de doble elemento puede contener una tira de metal que se derrite instantáneamente en un cortocircuito y también contener una junta de soldadura de bajo punto de fusión que responde a una sobrecarga a largo plazo de valores bajos en comparación con un cortocircuito. Los elementos fusibles pueden estar soportados por alambres de acero o nicromo, de modo que no se ejerza tensión sobre el elemento, pero se puede incluir un resorte para aumentar la velocidad de separación de los fragmentos del elemento.

El elemento fusible puede estar rodeado de aire o de materiales destinados a acelerar la extinción del arco. Se puede utilizar arena de sílice o líquidos no conductores.

Características de los fusibles

Corriente nominal IN
Una corriente máxima que el fusible puede conducir continuamente sin interrumpir el circuito.

Tiempo frente a características actuales
La velocidad a la que se funde un fusible depende de la cantidad de corriente que fluya a través de él y del material del que está hecho. Los fabricantes pueden proporcionar un gráfico de la corriente frente al tiempo, a menudo en escalas logarítmicas, para caracterizar el dispositivo y permitir la comparación con las características de los dispositivos de protección aguas arriba y aguas abajo del fusible.

El tiempo de funcionamiento no es un intervalo fijo, sino que disminuye a medida que aumenta la corriente. Los fusibles están diseñados para tener características particulares de tiempo de funcionamiento en comparación con la corriente. Un fusible estándar puede requerir el doble de su corriente nominal para abrirse en un segundo, un fusible de acción rápida puede requerir el doble de su corriente nominal para quemarse en 0.1 segundos, y un fusible de acción lenta puede requerir el doble de su corriente nominal durante decenas de segundos para quemarse. .

La selección del fusible depende de las características de la carga. Los dispositivos semiconductores pueden usar un fusible rápido o ultrarrápido ya que los dispositivos semiconductores se calientan rápidamente cuando fluye un exceso de corriente. Los fusibles que funden más rápido están diseñados para los equipos eléctricos más sensibles, donde incluso una breve exposición a una sobrecarga de corriente podría ser perjudicial. Los fusibles de acción rápida normales son los fusibles de uso más general. Un fusible de retardo de tiempo (también conocido como fusible anti-sobretensión o de acción lenta) está diseñado para permitir que una corriente que está por encima del valor nominal del fusible fluya durante un corto período de tiempo sin que el fusible se queme. Estos tipos de fusibles se utilizan en equipos como motores, que pueden generar corrientes mayores de lo normal durante varios segundos mientras se acelera.

El valor I²t
La clasificación I²t está relacionada con la cantidad de energía que deja pasar el elemento fusible cuando elimina la falla eléctrica. Este término se utiliza normalmente en condiciones de cortocircuito y los valores se utilizan para realizar estudios de coordinación en redes eléctricas. Los parámetros de I²t se proporcionan mediante gráficos en las hojas de datos del fabricante para cada familia de fusibles. Para la coordinación de la operación del fusible con dispositivos aguas arriba o aguas abajo, se especifican tanto I²t de fusión como I²t de compensación. El I²t de fusión es proporcional a la cantidad de energía necesaria para comenzar a fundir el elemento fusible. El I²t de compensación es proporcional a la energía total que deja pasar el fusible al eliminar una falla. La energía depende principalmente de la corriente y el tiempo de los fusibles, así como del nivel de falla disponible y la tensión del sistema. Dado que la clasificación I²t del fusible es proporcional a la energía que deja pasar, es una medida del daño térmico por el calor y las fuerzas magnéticas que se producirán por un extremo de falla.

Capacidad de ruptura de fusibles

Artículo principal: Capacidad de ruptura
La capacidad de corte es la corriente máxima que el fusible puede interrumpir con seguridad. Esto debería ser mayor que la posible corriente de cortocircuito. Los fusibles en miniatura pueden tener una clasificación de interrupción de solo 10 veces su corriente nominal. Los fusibles para sistemas de cableado pequeños, de bajo voltaje, generalmente residenciales, se clasifican comúnmente, en la práctica norteamericana, para interrumpir 10,000 amperios. Los fusibles para sistemas de energía comerciales o industriales deben tener clasificaciones de interrupción más altas, con algunos fusibles de interrupción altos limitadores de corriente de bajo voltaje clasificados para 300,000 amperios. Los fusibles para equipos de alto voltaje, hasta 115,000 voltios, están clasificados por la potencia aparente total (megavoltios-amperios, MVA) del nivel de falla en el circuito.

Algunos fusibles se designan con alta capacidad de ruptura (HRC) o alta capacidad de ruptura (HBC) y generalmente se rellenan con arena o un material similar.

Los fusibles de alta capacidad de ruptura (HRC) de bajo voltaje se utilizan en el área de los tableros de distribución principales en redes de bajo voltaje donde existe una alta corriente de cortocircuito potencial. Por lo general, son más grandes que los fusibles de tipo tornillo y tienen contactos de cuchilla o tapa de férula. Los fusibles de alta capacidad de ruptura se pueden clasificar para interrumpir la corriente de 120 kA.

Los fusibles HRC se utilizan ampliamente en instalaciones industriales y también se utilizan en la red eléctrica pública, p. Ej. en estaciones de transformación, cuadros de distribución principales o en cajas de conexiones de edificios y como fusibles de contadores.

En algunos países, debido a la alta corriente de falla disponible donde se utilizan estos fusibles, las regulaciones locales pueden permitir que solo personal capacitado cambie estos fusibles. Algunas variedades de fusibles HRC incluyen características de manejo especiales.

Fusible de alto voltaje	Fusible de plomo	Fusible bussmann

Fusible Tensión nominal

El voltaje nominal del fusible debe ser igual o mayor que el que se convertiría en el voltaje de circuito abierto. Por ejemplo, un fusible de tubo de vidrio de 32 voltios no interrumpiría de manera confiable la corriente de una fuente de voltaje de 120 o 230 V. Si un fusible de 32 V intenta interrumpir la fuente de 120 o 230 V, puede producirse un arco. El plasma dentro del tubo de vidrio puede continuar conduciendo corriente hasta que la corriente disminuya hasta el punto en que el plasma se convierta en un gas no conductor. La tensión nominal debe ser superior a la fuente de tensión máxima que tendría que desconectar. La conexión de fusibles en serie no aumenta la tensión nominal de la combinación ni de ningún fusible.

Los fusibles de media tensión clasificados para unos pocos miles de voltios nunca se utilizan en circuitos de baja tensión, debido a su costo y porque no pueden limpiar adecuadamente el circuito cuando operan a muy bajas tensiones.

Caída de voltaje del fusible

El fabricante puede especificar la caída de voltaje a través del fusible a la corriente nominal. Existe una relación directa entre la resistencia al frío de un fusible y su valor de caída de voltaje. Una vez que se aplica la corriente, la resistencia y la caída de voltaje de un fusible crecerán constantemente con el aumento de su temperatura de funcionamiento hasta que el fusible finalmente alcance el equilibrio térmico. Se debe tener en cuenta la caída de voltaje, particularmente cuando se usa un fusible en aplicaciones de bajo voltaje. La caída de voltaje a menudo no es significativa en los fusibles de tipo cable más tradicionales, pero puede ser significativa en otras tecnologías, como los fusibles de tipo reiniciable (PPTC).

Reducción de la temperatura del fusible

La temperatura ambiente cambiará los parámetros operativos de un fusible. Un fusible clasificado para 1 A a 25 ° C puede conducir hasta un 10% o un 20% más de corriente a -40 ° C y puede abrirse al 80% de su valor nominal a 100 ° C. Los valores operativos variarán con cada familia de fusibles y se proporcionan en las hojas de datos del fabricante.

Marcas de fusibles

Una muestra de las muchas marcas que se pueden encontrar en un fusible.
La mayoría de los fusibles están marcados en el cuerpo o en las tapas de los extremos con marcas que indican su clasificación. Los fusibles de "tipo chip" con tecnología de montaje en superficie presentan pocas o ninguna marca, lo que dificulta enormemente la identificación.

fusibles que aparecen similares pueden tener propiedades significativamente diferentes, identificados por sus marcas. Las marcas de fusibles generalmente transmitirán la siguiente información, ya sea explícitamente como texto o implícitamente con la marca de la agencia de aprobación para un tipo en particular:

Clasificación actual del fusible.
Voltaje nominal del fusible.
Característica de tiempo-corriente; es decir, velocidad del fusible.
Aprobaciones por organismos de normalización nacionales e internacionales.
Fabricante / número de pieza / serie.
Clasificación de interrupción (capacidad de corte)

Fusible redondo	Fusible SMD	fusible de resistencia de acción rápida

Fusibles Paquetes y materiales

Los fusibles vienen en una amplia gama de tamaños y estilos para servir en muchas aplicaciones, fabricados en diseños de paquetes estandarizados para que sean fácilmente intercambiables. Los cuerpos de los fusibles pueden estar hechos de cerámica, vidrio, plástico, fibra de vidrio, laminados de mica moldeada o fibra comprimida moldeada según la aplicación y la clase de voltaje.

Los fusibles de cartucho (casquillo) tienen un cuerpo cilíndrico terminado con tapas de metal. Algunos fusibles de cartucho se fabrican con tapas de extremo de diferentes tamaños para evitar la inserción accidental de un fusible de clasificación incorrecta en un soporte, dándoles forma de botella.

Los fusibles para circuitos eléctricos de bajo voltaje pueden tener terminales atornillados o de etiqueta que están asegurados con tornillos a un portafusibles. Algunos terminales de tipo cuchilla se sujetan mediante clips de resorte. Los fusibles tipo cuchilla a menudo requieren el uso de una herramienta extractora de propósito especial para quitarlos del portafusibles.

Los fusibles renovables tienen elementos fusibles reemplazables, lo que permite que el cuerpo del fusible y los terminales se reutilicen si no se dañan después de la operación del fusible.

Los fusibles diseñados para soldar a una placa de circuito impreso tienen conductores de cables radiales o axiales. Los fusibles de montaje en superficie tienen almohadillas de soldadura en lugar de cables.

Los fusibles de alto voltaje del tipo de expulsión tienen tubos de plástico reforzados con fibra de vidrio y un extremo abierto, y pueden reemplazar el elemento fusible.

Los fusibles semicerrados son portadores de cables de fusibles en los que se puede reemplazar el cable fusible en sí. La corriente de fusión exacta no se controla tan bien como un fusible cerrado, y es extremadamente importante usar el diámetro y el material correctos al reemplazar el cable del fusible, y por estas razones estos fusibles están perdiendo popularidad lentamente.

Estos todavía se utilizan en unidades de consumo en algunas partes del mundo, pero son cada vez menos comunes. Si bien los fusibles de vidrio tienen la ventaja de un elemento fusible visible para fines de inspección, tienen una baja capacidad de ruptura (clasificación de interrupción), que generalmente los restringe a aplicaciones de 15 A o menos a 250 VCA. Los fusibles cerámicos tienen la ventaja de una mayor capacidad de corte, lo que facilita su uso en circuitos con mayor corriente y voltaje. Llenar el cuerpo de un fusible con arena proporciona un enfriamiento adicional del arco y aumenta la capacidad de ruptura del fusible. Los fusibles de media tensión pueden tener envolturas llenas de líquido para ayudar a extinguir el arco. Algunos tipos de aparamenta de distribución utilizan cartuchos fusibles sumergidos en el aceite que llena el equipo.

Los paquetes de fusibles pueden incluir una función de rechazo, como una clavija, una ranura o una pestaña, que evita el intercambio de fusibles de apariencia similar. Por ejemplo, los portafusibles para fusibles de clase RK de América del Norte tienen un pin que evita la instalación de fusibles de clase H de apariencia similar, que tienen una capacidad de ruptura mucho menor y un terminal de hoja sólida que carece de la ranura del tipo RK.

Dimensiones del fusible

Los fusibles se pueden construir con carcasas de diferentes tamaños para evitar el intercambio de diferentes clasificaciones de fusibles. Por ejemplo, los fusibles tipo botella distinguen entre clasificaciones con diferentes diámetros de tapa. Los fusibles de vidrio para automóviles se fabricaron en diferentes longitudes para evitar que se instalen fusibles de alta clasificación en un circuito destinado a una clasificación más baja.