La diferencia entre los fusibles tradicionales y los fusibles rearmables

¿Cuándo un fusible no es un fusible?

Las interfaces electrónicas en los productos electrónicos de consumo actuales ofrecen un rendimiento más alto y pueden suministrar corrientes mayores que nunca antes. Sin embargo, estas corrientes más altas pueden provocar la quema de 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 por sí mismos y pueden seguir protegiendo los circuitos sin necesidad de reemplazo, reduciendo el tiempo de inactividad y extendiendo la vida útil de la aplicación.

¿Qué es un fusible tradicional?

Un fusible tradicional consiste en un trozo de alambre u otro enlace conductor con una capacidad de transporte de corriente conocida, colocado en serie con un circuito eléctrico. El fusible funciona únicamente como un dispositivo de seguridad diseñado para fundirse e interrumpir de forma permanente el flujo de corriente. Al operar, los fusibles protegen los circuitos de daños causados por sobrecarga o corriente de cortocircuito, evitando así el sobrecalentamiento e incluso incendios en caso de que ocurra una condición de falla.

Según el circuito que se desea proteger, los fusibles pueden tener una capacidad nominal que varía desde unos pocos miliamperios en pequeños productos electrónicos de consumo hasta cientos de amperios en aplicaciones industriales. La clasificación de corriente por sí sola no es suficiente para especificar un fusible para una aplicación en particular; los fusibles también tienen una clasificación de voltaje, ya sea para corriente alterna (AC) y/o corriente continua (DC). La clasificación de voltaje es un máximo y no se puede exceder. Una vez que el fusible se activa, no existe posibilidad de que se produzca un arco eléctrico a través del fusible. Dependiendo de si la carga es resistiva o reactiva, existen fusibles diseñados para "fundirse rápidamente" en caso de una sobrecarga de corriente, o diseñados para permitir una breve sobrecarga durante un período de tiempo definido antes de activarse, comúnmente llamados fusibles de "retardo de tiempo" o fusibles "lentos".

¿Cómo afectan los parámetros del circuito a la selección del fusible?

Los fusibles también deben seleccionarse de acuerdo con los parámetros del circuito. Algunos circuitos de semiconductores requieren un fusible que se corte muy rápidamente para evitar posibles daños significativos o costosos a los componentes. Por el contrario, los circuitos altamente inductivos o capacitivos, como las fuentes de alimentación, pueden generar picos de corriente breves al encenderse (“power-up”), donde la corriente del circuito está muy por encima de la capacidad nominal del fusible durante un tiempo muy corto. Los circuitos de este tipo requieren un fusible del tipo “con retardo de tiempo” o “de acción lenta” para permitir que soporten estos picos breves pero normales sin provocar lo que se conoce como “activación por molestia”. Esto también se aplica a las corrientes de irrupción de motores y transformadores.

Una cosa que todos los fusibles tienen en común es que son dispositivos de “uso único”. Cuando un fusible convencional se ve obligado a desconectar, la única manera de volver a energizar el circuito protegido es instalar un reemplazo exacto después de reparar la falla subyacente. Pero a medida que los sistemas electrónicos continúan reduciéndose y evolucionando, la naturaleza de uso único del fusible ha estado bajo una creciente presión.

¿Es necesario reemplazar los fusibles fundidos?

Antes de la llegada de la miniaturización y el auge de los microcircuitos, los fusibles de los equipos se sostenían mecánicamente mediante soportes o clips. Una reparación consistía en determinar qué fusible había fallado; localizar/acceder al fusible quemado; diagnosticar el problema subyacente y luego encontrar un fusible de reemplazo con las calificaciones y el comportamiento de ruptura adecuados. Hoy en día, la mayoría de los dispositivos electrónicos y pequeños electrodomésticos están diseñados de manera demasiado compacta para acomodar los fusibles tubulares de estilo antiguo y, en la actualidad, utilizan tipos SMT soldados en su lugar, por lo que no son reparables por el usuario. El simple acto de reemplazar un fusible ha evolucionado hasta convertirse en el cambio de una tarjeta de circuito o la devolución del dispositivo/electrodoméstico para su reacondicionamiento en fábrica. La mayoría de los productos electrónicos de consumo no están diseñados para permitir el acceso a un fusible interno reemplazable, ya que los diseñadores de productos hacen todo lo posible para evitar el acceso interno, con etiquetas de producto que advierten: “No hay piezas reparables por el usuario en el interior”.

Las interfaces electrónicas de los productos electrónicos de consumo actuales ofrecen un rendimiento más alto y pueden suministrar corrientes mayores que nunca, como sucede con la última versión de la interfaz USB, por ejemplo. Los cables y conectores de las interfaces son cada vez más pequeños y se dañan con mayor facilidad por usuarios descuidados que conectan y utilizan los dispositivos sin precaución. Es preocupante el riesgo de que se conecte un dispositivo periférico defectuoso o incompatible que pueda dañar el producto principal. Ningún fabricante quiere devoluciones de productos, especialmente bajo garantía, y aún se necesita idealmente algún tipo de componente de protección como un fusible, aunque tal vez no un fusible tradicional. Dados los avances que se han logrado, ¿no sería estupendo contar con un “fusible” de protección que se reinicie automáticamente una vez que se elimine el fallo? ¡Los dispositivos PTC de Bel hacen justo eso!

¿Qué es un fusible PTC?

Un fusible PTC de Bel es similar en operación a un termistor de coeficiente de temperatura positivo (PTC); es decir, un resistor dependiente de la temperatura cuya resistencia aumenta con el incremento de la temperatura. Sin embargo, un protector autorecuperable PTC de Bel difiere de un termistor en que no es simplemente un elemento pasivo de medición, sino que está diseñado para transportar la corriente del circuito y, por lo tanto, se autocalienta 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 forma permanente por el evento de activación y se restablece después de que se elimina la alimentación del circuito, se corrige la falla y se vuelve a aplicar la energía. La capacidad de restablecimiento permite que los productos electrónicos sean protegidos por un PTC, pero elimina la necesidad de que el personal de servicio tenga que reemplazarlo físicamente como lo haría con un fusible tradicional.

En construcción, un Bel PTC consiste en un bloque de material polímero que contiene un relleno conductor unido entre dos placas conductoras. La corriente pasa entre ellas a través de miles de rutas aleatorias formadas por cadenas de carbón, producidas mediante el contacto físico de partículas de carbón aleatorias y adyacentes. Mientras la corriente a través del fusible PTC está por debajo de su clasificación IHOLD y su temperatura por debajo de 100°C, las rutas conductoras dentro del dispositivo conducen la corriente con una baja resistencia, inferior a su clasificación R1 MAX. Cuando la temperatura del fusible PTC se acerca a 130°C, debido a un aumento en la temperatura ambiental o a que la corriente excede su clasificación ITRIP, la expansión volumétrica del bloque de polímero relleno rompe la mayoría de las rutas conductoras, provocando un incremento brusco en la resistencia del fusible PTC de varios órdenes de magnitud.

¿Cómo se reinician los fusibles PTC?

En el estado disparado, el flujo de corriente está limitado por la nueva resistencia mucho más alta, pero aún hay suficiente corriente de fuga a través del fusible PTC para permitir el calentamiento interno continuo, manteniendo el fusible PTC en el estado disparado hasta que se elimine completamente la alimentación. Una vez que se elimina la alimentación, el núcleo del PTC se enfría y se contrae, lo que permite que las cadenas conductivas 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 originarse por calentamiento interno (es decir, sobrecorriente) o por calor de una fuente externa adyacente (es decir, la carcasa de un motor sobrecalentado). Los PTC responderán igualmente bien a cualquiera de estas condiciones, lo que los convierte en protectores versátiles, además de ofrecer su característica de reinicio automático.

Una hoja de datos de PTC de Bel especifica la potencia típica, Pd, necesaria para mantener un PTC en estado disparado en aire quieto a 23°C. Dado que la potencia (P) = corriente (I) * voltaje (V) y, según la ley de Ohm, el voltaje (V) = corriente (I) * resistencia (R), tenemos que P = V^2/R, y por lo tanto la resistencia aproximada de un PTC disparado es R = V^2/Pd, donde Pd es la disipación en estado disparado. Como el PTC actúa para mantener una temperatura interna constante, su resistencia aparente en estado disparado cambiará dependiendo del voltaje aplicado.

Ejemplo 1: PTC de 1W con un suministro de 60V. R_disparada = 60^2/1 = 3600 ohmios.

Ejemplo 2: El mismo PTC de 1W en una fuente de 12V. R_activado = 12^2/1 = 144 ohmios.

La cifra proporcionada para la potencia típica es solo "típica" porque cualquier factor físico que afecte la pérdida de calor, como la refrigeración, modificará la disipación de potencia necesaria por el PTC para mantener su temperatura interna. En resumen, los PTC no presentan una resistencia activada constante y cuantificable.

Es importante destacar 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 aún existe un camino de fuga de alta resistencia a través de él. Una aplicación típica para los PTC es en circuitos de seguridad como dispositivos limitadores para proporcionar protección contra sobrecorriente, tal como lo cubren UL con UL1434 y TUV con EN 60738-1-1. Consulte las hojas de datos de los dispositivos para obtener más información sobre las aprobaciones de organismos de seguridad para cada dispositivo.

Además de las interfaces USB, otras aplicaciones que se benefician de la protección PTC incluyen:

Fusibles PTC reiniciables

Los PTCs resetables de Bel están diseñados para su uso en aplicaciones desde -40°C hasta +85°C y están disponibles en paquetes tradicionales con terminales radiales y en paquetes de montaje en superficie (SMD) tipo chip con tamaños que van desde 0603 hasta 2920.

La serie 0ZCM de dispositivos SMD 0603 ofrece un tamaño muy pequeño adecuado para las aplicaciones de placas de circuito impreso (PCB) de mayor densidad. La disipación de potencia típica Pd para estos dispositivos es de 0.5 W. Están disponibles dispositivos individuales con una corriente de operación (retención) especificada que varía de 50 mA a 200 mA y una corriente de disparo correspondiente que va desde 150 miliamperios a 450 mA respectivamente. Dependiendo del dispositivo seleccionado y de las condiciones de operación, esta serie ofrece un tiempo de disparo rápido inferior al segundo (0.1 segundo 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 más grande 0ZCF de dispositivos SMD 2920 se adapta a aplicaciones de PCB de mayor potencia. La disipación de potencia típica Pd de estos dispositivos es de 1.5 W. Están disponibles dispositivos individuales con corriente operativa especificada (de mantenimiento) que varían desde 300 mA hasta 3 A y corrientes de disparo correspondientes desde 600 mA hasta 5.2 A, respectivamente. Según el dispositivo seleccionado y las condiciones de operación, esta serie ofrece voltajes máximos de operación que van de 6 a 60 V. Los PTC con terminales radiales se ofrecen en varias series con espaciamientos entre terminales de 5.1 mm y 10.2 mm y pueden soportar voltajes y corrientes de operación mucho más altos. Estos dispositivos son adecuados para aplicaciones de fuente de alimentación de línea, transformadores y electrodomésticos.

La serie 0ZRM admite un voltaje máximo de funcionamiento de 120 VAC/VDC con un máximo de 135 VAC/VDC. Están disponibles dispositivos individuales con una corriente de funcionamiento (retención) especificada que va desde 100 mA hasta 3,75 A y una corriente de disparo correspondiente de 200 mA a 7,5 A respectivamente.

La serie 0ZRE admite un voltaje máximo de operación de 240 VAC/VDC con un voltaje máximo de 265 VAC/VDC. Hay dispositivos individuales disponibles con una corriente de operación (de mantenimiento) especificada que varía desde 50 mA hasta 2 A, y una corriente de disparo correspondiente que va desde 120 mA hasta 4 A, respectivamente.

La serie 0ZRA admite una corriente de operación (retención) muy alta que alcanza hasta 14 A y una corriente de disparo correspondiente de hasta 23,8 A.

Limitaciones de los fusibles PTC

Los dispositivos PTC de polímero están diseñados únicamente para protección contra condiciones de falla ocasionales de sobrecorriente/sobretemperatura y pueden no ser adecuados para aplicaciones donde se anticipen condiciones de falla repetidas y/o prolongadas.

Los dispositivos PTC pueden no ser adecuados para su uso en circuitos con gran inductancia, ya que el disparo del PTC puede generar picos de voltaje grandes que superen el voltaje nominal del PTC.