Muchos conductores tienen la experiencia compartida de encontrar y reemplazar fusibles quemados en los tableros de sus vehículos. Los fusibles cumplen una función importante: proteger los componentes posteriores en caso de cortocircuito. Sin embargo, nuevos tipos de fusibles pueden seguir funcionando, incluso sin necesidad de reemplazarlos, lo que ahorra tiempo y mantiene el equipo en línea durante más tiempo. Este artículo de Bel explora las diferencias entre los fusibles tradicionales y los fusibles PTC reiniciables.
¿Cuándo un fusible no es un fusible?
Las interfaces electrónicas de los productos electrónicos de consumo actuales ofrecen un mayor rendimiento y pueden suministrar corrientes más altas que nunca. Sin embargo, estas corrientes más altas pueden provocar que se fundan fusibles, que son difíciles, si no imposibles, de reemplazar. Para evitar la necesidad de reemplazar fusibles o circuitos completos, se pueden utilizar fusibles PTC reiniciables. Los fusibles PTC se reinician automáticamente y pueden continuar protegiendo circuitos sin necesidad de reemplazo, lo que reduce el tiempo de inactividad y extiende la vida útil de la aplicación.
¿Qué es un fusible tradicional?
Un fusible tradicional consiste en un trozo de cable u otro enlace conductor con una capacidad conocida de transporte de corriente colocado en serie con un circuito eléctrico. El fusible funciona únicamente como un dispositivo de seguridad diseñado para fundirse e interrumpir permanentemente el flujo de corriente. Al funcionar, los fusibles protegen los circuitos contra daños causados por sobrecarga o corriente de cortocircuito, evitando así el sobrecalentamiento e incluso el incendio si se produce una condición de falla.
Dependiendo del circuito a proteger, los fusibles pueden tener una capacidad nominal que va desde unos pocos miliamperios en pequeños productos electrónicos de consumo hasta cientos de amperios en aplicaciones industriales. El valor nominal de la corriente por sí solo no es suficiente para especificar un fusible para una aplicación particular; los fusibles también están clasificados en cuanto a tensión, CA o CC. El voltaje nominal es máximo y no se puede superar. Una vez que el fusible entra en funcionamiento, no hay posibilidad de que se produzca un arco eléctrico a través del mismo. Dependiendo de si la carga es resistiva o reactiva, existen fusibles que están diseñados para fundirse "rápidamente" en caso de una sobrecarga de corriente, o diseñados para permitir una breve sobrecarga durante un corto período de tiempo definido antes de fundirse, a menudo llamados fusibles "de retardo de tiempo" o "lentos".
¿Cómo afectan los parámetros del circuito a la selección de fusibles?
Los fusibles también deben seleccionarse de acuerdo con los parámetros del circuito. Ciertos circuitos semiconductores requieren que un fusible se funda muy rápidamente para evitar posibles daños significativos o costosos en los componentes. Por el contrario, los circuitos altamente inductivos o capacitivos, como los suministros de energía, pueden generar breves eventos de sobretensión en el “encendido”, donde la corriente del circuito se encuentra muy por encima del valor nominal de un fusible durante un tiempo muy corto. Circuitos como este requieren un fusible de tipo de “retardo” o de “fusión lenta” para permitirle resistir estas breves pero normales sobretensiones sin causar lo que se conoce como “desconexiones no deseadas”. Esto también es válido para las corrientes de entrada de motores y transformadores.
Lo que todos los fusibles tienen en común es que son dispositivos de “un solo uso”. Cuando el fusible se desconecta, la única manera de volver a alimentar el circuito protegido es instalando un repuesto idéntico después de reparar la falla subyacente. Pero a medida que los sistemas electrónicos continúan reduciéndose y evolucionando, la naturaleza de un solo uso del fusible se ha visto sometida a una presión cada vez mayor.
¿Es necesario reemplazar los fusibles quemados?
Antes de la llegada de la miniaturización y el auge de los microcircuitos, los fusibles de los equipos se sujetaban mecánicamente mediante soportes o clips. Una reparación consistió en determinar qué fusible se había fusionado; localizar/acceder al fusible fusionado; diagnosticar el problema subyacente y luego encontrar un fusible de reemplazo con las clasificaciones y el comportamiento de fusión adecuados. Hoy en día, la mayoría de los dispositivos electrónicos y pequeños electrodomésticos tienen un diseño demasiado compacto para acomodar fusibles tubulares de estilo antiguo y actualmente utilizan tipos SMT soldados en su lugar, por lo que el usuario no puede repararlos. El simple acto de reemplazar un fusible ahora se ha transformado en cambiar una tarjeta de circuito o devolver el dispositivo/aparato para que lo revisen en la fábrica. La mayoría de los productos electrónicos de consumo no están diseñados para brindar acceso a un fusible interno reemplazable, ya que los diseñadores de productos hacen todo lo posible para evitar el acceso al interior, con etiquetas que advierten "No hay piezas reparables por el usuario en el interior".
Las interfaces electrónicas entre los productos electrónicos de consumo actuales ofrecen un mayor rendimiento y pueden suministrar corrientes más altas que nunca, como con la última versión de la interfaz USB, por ejemplo. Los cables de interfaz y los conectores son cada vez más pequeños y se dañan con mayor facilidad por usuarios descuidados que conectan y desconectan a su antojo. El riesgo de que se conecte un dispositivo periférico defectuoso o incompatible a un producto host y lo dañe es preocupante. Ningún fabricante quiere devoluciones de productos, especialmente bajo garantía, y lo ideal es que aún se necesite algún tipo de componente de protección, como un fusible, pero tal vez no un fusible tradicional. Dado el camino que han tomado las cosas, ¿no sería bueno tener un "fusible" protector que se reiniciara automáticamente una vez que se eliminara una falla? ¡Los dispositivos PTC de Bel hacen exactamente eso!
¿Qué es un fusible PTC?
Un fusible PTC Bel tiene un funcionamiento similar al de un termistor de coeficiente de temperatura positivo (PTC); es decir, una resistencia dependiente de la temperatura cuya resistencia aumenta con el aumento de la temperatura. Sin embargo, un protector autorreiniciador Bel PTC se diferencia de un termistor en que no es simplemente un elemento de medición pasivo, sino que está diseñado para transportar la corriente del circuito y, por lo tanto, se autocalentará debido a la resistencia de su núcleo activo; un polímero infundido con partículas de carbono. Un fusible PTC aumenta su resistencia rápidamente en respuesta a una situación de sobrecorriente, cortocircuito o sobretemperatura para limitar el flujo de corriente. El fusible PTC no se destruye de manera permanente por el evento de fusión del fusible y se restablecerá después de que se corte la energía al circuito, se elimine la falla y se vuelva a aplicar la energía. La capacidad de reinicio permite que los productos electrónicos estén protegidos por un PTC pero elimina la necesidad de que el personal de servicio lo reemplace físicamente como un fusible tradicional.
En su diseño, un Bel PTC se compone de un bloque de material polimérico que contiene un relleno conductor unido entre dos placas conductoras. La corriente pasa entre ellos a través de miles de vías aleatorias en cadena de carbono formadas por el contacto físico de partículas de carbono adyacentes y aleatorias. Mientras la corriente a través del fusible PTC está por debajo de su clasificación IHOLD y su temperatura por debajo de 100 °C, las vías conductoras a través del dispositivo conducen corriente con una resistencia baja por debajo de su clasificación R1 MAX. A medida que la temperatura del fusible PTC se acerca a 130 °C, debido a un aumento en la temperatura ambiente o la corriente que excede su clasificación ITRIP, la expansión volumétrica del bloque de polímero lleno rompe la mayoría de las vías conductoras, lo que genera un aumento brusco en la resistencia del fusible PTC en varios órdenes de magnitud.
¿Cómo se reinician los fusibles PTC?
En el estado activado, el flujo de corriente está limitado por la nueva resistencia mucho más alta, pero todavía hay suficiente corriente de dispersión a través del fusible PTC para permitir que el autocalentamiento interno siga manteniendo el fusible PTC en estado activado hasta que se corte por completo la energía. Una vez que se corta la energía, el núcleo del PTC se enfría y se contrae, lo que permite que las cadenas conductoras se reformen y devuelvan el dispositivo al estado de baja resistencia.
Tenga en cuenta que el aumento de temperatura necesario para iniciar un evento de disparo puede deberse a un calentamiento interno (es decir, sobrecorriente) o al calor de una fuente externa adyacente (es decir, una carcasa del motor sobrecalentada). Los PTC responderán igualmente bien a cualquier condición, lo que los convierte en protectores versátiles además de proporcionar su función de reinicio automático.
Una hoja de datos de PTC de Bel especifica la potencia típica, Pd, necesaria para mantener un PTC en el estado activado en aire en calma a 23 °C. Como potencia (P) = corriente (I) * tensión (V) y por la tensión de la ley de Ohm (V) = corriente (I) * resistencia (R), tenemos que P = V^2/R; y por lo tanto, la resistencia aproximada de un PTC activado es R = V^2/Pd, donde Pd es la disipación en estado activado. Debido a que el PTC actúa para mantener una temperatura interna constante, su resistencia de estado activado aparente cambiará dependiendo de la tensión que se aplique.
Ejemplo 1: PTC de 1 W con alimentación de 60 V. R_tripped = 60^2/1 = 3600 ohmios.
Ejemplo 2: Mismo PTC de 1 W en un suministro de 12 V. R_tripped = 12^2/1 = 144 ohmios.
La cifra dada para la potencia típica es sólo "típica" porque cualquier factor físico que afecte la pérdida de calor, como el enfriamiento, alterará la disipación de potencia que necesita el PTC para mantener su temperatura interna. En resumen, los PTC no presentan una resistencia de disparo cuantificable constante.
Es importante tener en cuenta esta diferencia clave entre un fusible tradicional y un fusible PTC, específicamente que el circuito de carga no está completamente aislado durante una falla y que todavía existe una ruta de fuga de alta resistencia a través de él. Una aplicación típica de los PTC es en circuitos de seguridad como dispositivos limitadores para brindar protección contra sobrecorriente, como lo contemplan las normas UL1434 de UL y EN 60738-1-1 de TUV. Consulte las hojas de datos del dispositivo para obtener más información sobre las aprobaciones de la agencia por dispositivo.
Además de las interfaces USB, otras aplicaciones que se benefician de la protección del PTC incluyen:
- IEEE 1394 Firewire
- Alimentación a través de Ethernet (PoE)
- Paquetes de baterías de iones de litio
- Circuitos de cargadores de batería
- Periféricos de PC
- Interfaz de unidad de disco
- Transformador
- Interfaz de línea de telecomunicaciones
- Motores
- Suministros de energía
- Calentadores
- Juguetes
Fusibles PTC reiniciables
Los PTC reiniciables de Bel están diseñados para usarse en aplicaciones de -40 °C a +85 °C y están disponibles en paquetes con conductores radiales tradicionales y paquetes de chip de montaje superficial (SMD) que varían de tamaño 0603 a 2920.
La serie 0ZCM de dispositivos SMD 0603 ofrece un tamaño muy pequeño adecuado para aplicaciones de placas de circuito impreso (PCB) de mayor densidad. La disipación de potencia típica Pd para estos dispositivos es 0,5 W. Hay disponibles dispositivos individuales con una corriente de funcionamiento (retención) especificada que varía de 50 mA a 200 mA y una corriente de disparo correspondiente de 150 miliamperios a 450 mA respectivamente. Dependiendo del dispositivo seleccionado y las condiciones de operación reales, esta serie ofrece un tiempo de disparo rápido de menos de un segundo (0,1 s máx.) para corrientes en el rango de 500 mA a 2 A y un voltaje de operación máximo en el rango de 9 a 15 V.
En comparación, la serie 0ZCF más grande de dispositivos SMD 2920 se adapta a aplicaciones de PCB de mayor potencia. La disipación de potencia típica Pd para estos dispositivos es de 1,5 W. Hay disponibles dispositivos individuales con corriente de funcionamiento (retención) especificada que varía de 300 mA a 3 A y corrientes de disparo correspondientes de 600 mA a 5,2 A respectivamente. Dependiendo del dispositivo seleccionado y las condiciones de operación reales, esta serie ofrece voltajes de operación máximos de 6 a 60 V. Los PTC con conductores radiales se ofrecen en varias series con espaciado de conductores de 5,1 mm y 10,2 mm y pueden soportar voltaje y corriente de operación mucho más altos. Estos dispositivos son adecuados para aplicaciones de suministro e energía de tensión de línea, transformadores y electrodomésticos.
La serie 0ZRM admite un voltaje de funcionamiento máximo de 120 VCA/VCC con un máximo de 135 VCA/VCC. Hay disponibles dispositivos individuales con una corriente de funcionamiento (de retención) especificada que varía de 100 mA a 3,75 A y una corriente de disparo correspondiente de 200 mA a 7,5 A respectivamente.
La serie 0ZRE admite un voltaje de funcionamiento máximo de 240 VCA/VCC con un voltaje máximo de 265 VCA/VCC. Se encuentran disponibles dispositivos individuales con una corriente de funcionamiento (de retención) especificada que varía de 50 mA a 2 A y una corriente de disparo correspondiente de 120 mA a 4 A respectivamente.
La serie 0ZRA admite una corriente de funcionamiento (retención) muy alta de hasta 14 A y una corriente de disparo correspondiente de hasta 23,8 A.
Limitaciones de los fusibles PTC
Los dispositivos PTC de polímero solo están diseñados para brindar protección contra condiciones de falla ocasionales por sobrecorriente o sobretemperatura y pueden no ser adecuados para aplicaciones donde se anticipan condiciones de falla repetidas y/o prolongadas.
Es posible que los dispositivos PTC no sean adecuados para su uso en circuitos con gran inductancia, ya que el disparo del PTC puede generar picos de voltaje grandes, mayores que el voltaje nominal del PTC.