Protección de fusibles y circuitos

Sobrecorrientes

Una sobrecorriente es una condición que se produce en un circuito eléctrico cuando se excede la corriente de carga normal. Las dos formas básicas de una sobrecorriente son las sobrecargas y los cortocircuitos. La función principal de los fusibles y los disyuntores de un circuito es la de proteger al personal y al equipo en los momentos en los que se producen las peligrosas sobrecorrientes.

Cortocircuito

Un cortocircuito es una condición de sobrecorriente que se genera cuando se introduce en el circuito una ruta de circuito anormal y de baja resistencia. Esta ruta de baja resistencia desvía la carga normal y puede crear corrientes extremadamente altas (más de 1000 veces la corriente normal bajo determinadas circunstancias). En condiciones normales, un circuito típico se puede describir mediante la Ley de Ohm de la siguiente manera:

Cuando se produce un cortocircuito, se crea una ruta de baja resistencia anormal que causa que la corriente del circuito aumente mientras que la resistencia del circuito disminuye. La corriente cuando se produce un cortocircuito puede exceder 1000 veces la corriente normal del circuito. A continuación se muestra el diagrama de un circuito con cortocircuito:

Sobrecarga

Una sobrecarga es una condición de sobrecorriente en la que la corriente supera la capacidad de carga total de un circuito pero en la que no se presenta ninguna condición de fallo (cortocircuito). También se puede producir una condición de sobrecarga momentánea (también conocida como corriente transitoria) cuando un circuito se inicia por primera vez debido a la carga del condensador y/o el arranque del motor. A continuación se muestra el diagrama de un circuito con una sobrecarga:

Parámetros y criterios

Para poder seleccionar el dispositivo de protección adecuado, se deben tomar en consideración los siguientes parámetros y criterios:

1. ¿Cuál es la corriente operativa normal del circuito?

2. ¿Cuál es el voltaje operativo?

3. ¿Se trata de un cirtuito de CA o de CC?

4. ¿Cuál es la temperatura ambiente operativa?

5. ¿Se va a usar el dispositivo como protección contra los cortocircuitos, como protección contra las sobrecargas, o ambas?

6. ¿Cuáles son las limitaciones físicas de tamaño?

7. El fusible, ¿tiene que ser "reemplazable en el campo"?

8. ¿Que sea reajustable supone algún problema?

9. ¿Cómo se va a montar el dispositivo?

10. ¿Cuáles son las consideraciones respecto al costo?

1. ¿Cuál es la corriente operativa normal del circuito?

Para poder seleccionar el amperaje correcto del fusible, primero debe conocer la corriente de estado estable de plena carga del circuito a una temperatura ambiente de 20°C (68°F). Cuando se haya determinado el valor de la corriente, se deberá seleccionar la calificación del fusible de acorde al 135% de este valor (tomado del siguiente valor estándar).

Por ejemplo, si se calcula que la corriente en estado estable normal es de 10 amperios, entonces se debe seleccionar un fusible con calificación de 15 A [10 amperios x 135% = 13.5 amperios, el siguiente tamaño estándar mayor es 15A].

Es importante señalar que si el fusible se pretende utilizar en un ambiente con posibles temperaturas ambiente muy altas o muy bajas, entonces la corriente nominal del fusible debería ser considerablemente más alta o más baja.

2. ¿Cuál es el voltaje operativo?

La regla general es que la calificación de voltaje de un fusible siempre debe ser más alta a la la calificación de voltaje del circuito que se va a proteger. Por ejemplo, si el voltaje del circuito es de 24 V, entonces la calificación de voltaje del circuito debe ser superior a 24 V (sí… puede ser de 250 V… siempre y cuando sea superior al voltaje del circuito).

3. ¿Se trata de un cirtuito de CA o de CC?

Existen dos tipos de circuitos distintos: de CA (corriente alterna) y de CC (corriente continua). La alimentación de CA es la que se encuentra habitualmente en una casa y que proviene de los servicios eléctricos públicos. La alimentación de CA se crea básicamente al mover máquinas como generadores y transportar esa energía a través de un sistema eléctrico. La alimentación de CC se utiliza habitualmente en aplicaciones electrónicas y para automóviles. La alimentación de CC se crea generalmente a través de una reacción química (como baterías y alternadores de células solares) o al convertir la alimentación de CA mediante el uso de fuentes de alimentación de CA a CC. Con alimentación de CA la corriente y el voltaje oscilan de un lado a otro. Esta oscilación favorece que el fusible despeje la falla rápidamente. Por otra parte, la alimentación de CC no oscila, por lo que el fusible debe encontrar otro modo de despejarse al abrirse.

Dadas estas diferencias, algunos fusibles están diseñados específicamente para ser usados en aplicaciones de CC (como por ejemplo los fusibles para automóviles). Algunos fusibles con calificación CA se pueden utilizar en aplicaciones de CC, aunque en tales casos puede haber una reducción en la potencia de voltaje.

4. ¿Cuál es la temperatura ambiente operativa?

La temperatura ambiente es una buena manera de comprobar el "aire exterior" que rodea al fusible. Normalmente, los fusibles son probados en "condiciones de laboratorio" por agencias de seguridad como UL y CSA. Las condiciones de laboratorio suelen configurarse habitualmente a 20°C o 77°F. Lamentablemente, las condiciones más habituales en el mundo real no son las que se simulan en el laboratorio.

Los fusibles son dispositivos sensibles al calor, lo que significa que captan el calor (a través de la sobrecorriente) para poder derretir el elemento de fusión del interior del fusible. A más calor, más rápido se derrite el elemento de fusión. A menos calor, mayor es el tiempo que necesita para derretir el elemento de fusión.

Si un fusible está sujeto a una temperatura mayor a los 20°C, en ese caso el amperaje del fusible deberá ser incrementado para compensar la alta temperatura (y así evitar "falsas interrupciones"). Del mismo modo, si el fusible se utiliza a una temperatura más baja, entonces el amperaje del fusible deberá reducirse (si no, puede que nunca llegue a abrirse).

La regla general es que por cada 20°C más o menos en la temperatura, el fusible deberá ser recalificado en un 10-15% más o menos.

Un ejemplo de recalificación del fusible cuando se presentan temperaturas ambiente más altas:

Corriente normal de plena carga: 1 A

Tamaño normal del fusible: 1.5 A (135% de la corriente de plena carga llevado a la siguiente calificación estándar más alta)

Temperatura ambiente: 65°C

Recalificación : 2 A (130% de la calificación normal del fusible)

A la inversa, cuando se pretende utilizar un fusible en condiciones de temperaturas extremadamente bajas, el fusible tiene que disponer de una calificación más baja que la que tendría en condiciones normales. Un ejemplo de recalificación del fusible cuando se presentan temperaturas ambiente más bajas:

Corriente normal de plena carga: 1 A

Tamaño normal del fusible: 1.5 A (135% de la corriente de plena carga llevado a la siguiente calificación estándar más alta)

Temperatura ambiente: -15°C

Recalificación : 1.2 A (70% de la calificación normal del fusible llevado a la siguiente calificación estándar más alta)

5. ¿Se va a usar el dispositivo como protección contra cortocircuitos, contra sobrecargas, o ambas?

Si se va a usar el dispositivo como protección contra los cortocircuitos, el fusible o el disyuntor deben interrumpir la falla rápidamente (generalmente en menos de 4 milisegundos) para poder ofrecer la máxima protección al equipo y al personal.

Si se pretende que el fusible o el disyuntor protejan contra las sobrecargas únicamente, en ese caso pueden ser mucho más lentos en su reacción frente a una sobrecorriente: segundos, o incluso minutos, en comparación con unos milisegundos...

Todos los fusibles ofrecen alguna o ambas formas de protección contra cortocircuitos, así como protección contra las sobrecargas, mientras que muchos disyuntores, por el contrario, SOLO ofrecen protección contra las sobrecargas y no tienen capacidad de proteger contra los peligrosos cortocircuitos.

6. ¿Cuáles son las limitaciones físicas de tamaño?

En muchas ocasiones el fusible o el disyuntor deben ser instalados en un lugar con limitaciones físicas de tamaño. Esta es la razón por la que los fabricantes de fusibles y disyuntores han creado una amplia selección de componentes con tamaños físicos diferentes. Sin embargo, normalmente existen compensaciones que un ingeniero debería tener en cuenta.

En términos generales, cuanto más pequeño sea el fusible, el fusible o el disyuntor deberán disponer de menos corriente y/o capacidades. Por ejemplo, un fusible subminiatura podría estar limitado a 15 A mientras que un fusible con tubo de cristal de 1/4″ x 1 1/4″ puede adaptarse a hasta 40 A.

Además, aunque el fusible puede ser más pequeño, el portafusible correspondiente podría ser sustancialmente más grande según esta consideración.

7. El fusible, ¿tiene que ser "reemplazable en el campo"?

Los fusibles están diseñados para abrir el circuito cuando se produce una sobrecorriente, ya sea un cortocircuito o una sobrecarga. La decisión del ingeniero tiene que realizarse teniendo en cuenta si el fusible deberá ser reemplazable en campo o no.

La primera razón para fabricar un fusible reemplazable es la comodidad del usuario final a la hora de disponer de un reemplazo de su equipo para que siga funcionando. Las razones para elegir o no un fusible reemplazable en campo son dos: 1. Pueden tener un costo significativamente mayor por parte del fabricante por la inclusión del portafusible, en contraposición a soldar directamente el fusible en la PCI. 2. El fabricante puede no querer que el usuario final tenga acceso al interior del equipo para reemplazar el fusible por cuestiones de responsabilidad. Esto se aplica especialmente a los casos en que un cortocircuito es la causa del problema en primer lugar. 3. El fabricante puede haber diseñado cierta obsolescencia programada de sus piezas y puede querer que se sustituya la placa de circuito completa en lugar de solo reemplazar el fusible.

8. ¿Que sea reajustable supone algún problema?

El ingeniero tiene a su disposición fusibles de un solo uso y fusibles de tipo reconfigurable. Ambos tipos de fusibles proporcionan protección frente a sobrecargas. Los fusibles reconfigurables se limitan a las aplicaciones de circuito que proporcionan 14 A (a 12 V) y a voltajes de corriente incluso más altos. Los disyuntores también pueden proporcionar reajustes y pueden variar de 1 A a 300 A.

Los fusibles de un solo uso son justo lo que indica su nombre. Una vez que hayan actuado, el eslabón del interior se derrite y el fusible se debe sustituir. Es posible que el problema no termine con el reemplazo del fusible: en el circuito puede seguir habiendo un cortocircuito o una sobrecarga que pueden causar que el nuevo fusible también se abra. Debe actuar con cuidado para corregir todos los problemas que pueden haber causado que el fusible se abriera en primer lugar antes de reemplazar el fusible abierto con uno nuevo.

9. ¿Cómo se instalará el fusible?

Uno de los aspectos en los que más cuidado se debe tener es en la instalación del fusible en el circuito. Hay una amplia variedad de opciones:

1. Soldadura directa: con este método, el fusible se suelda directamente en la placa de circuito impreso (PCI). El inconveniente de este diseño es la falta de piezas reemplazables en campo tal y como se ha detallado en la sección anterior, pero el costo puede ser significativamente menor con este método de instalación.

2. Clips de fusible: los clips de fusible son relativamente baratos y permiten el reemplazo en campo. Los clips de fusible se instalan habitualmente en una PCI por lo que, si se intenta reemplazar el fusible, es necesario que el usuario final abra la pieza del equipo. Además, quitar el fusible de un clip de fusible sin desconectar la fuente de alimentación puede provocar un choque eléctrico al contacto con el fusible. Los clips de fusible están disponibles para todos los "tubos" de fusible, así como para los microfusibles. Habitualmente los clips de fusible se limitan a 20 A de corriente normal (también disponible en 30 A). Los clips de fusible por lo general no están recomendados ni son reconocidos por las agencias de seguridad.

3. Portafusibles montados en panel: estos tipos de fusibles permiten un acceso fácil para que el usuario final pueda reemplazar el fusible en campo. El portafusible montado en panel protege contra choques, lo que significa que el fusible se puede quitar se manera segura al extraer la tapa del soporte del fusible, lo que evita la posibilidad de sufrir choques eléctricos. Los portafusibles por lo general son probados por las agencias de seguridad como UL y CSA, y están aprobados por estas. Los portafusibles normalmente vienen en configuraciones de hasta 30 A.

4. Bloque de fusibles: Los bloques de fusibles son como los clips de fusibles, pero no tienen que montarse en la PCI. Los fusibles montados en bloques de fusibles suelen estar solo disponibles al abrir el equipo, lo que podría provocar choques eléctricos si el equipo no se desconecta de la fuente de alimentación. Los bloques de fusibles son uno de los pocos métodos para instalar fusibles de mayor amperaje.

5. Portafusibles en línea: los portafusibles en línea se suelen utilizar como parte de un ensamblaje de mazo de cables en el que no hay ninguna superficie a la que asegurar otro tipo de montaje de fusibles. Los portafusibles en línea generalmente están disponibles en configuraciones de hasta 100 A para aplicaciones de menor voltaje, y hasta 30 A para aplicaciones de mayor voltaje.

10. ¿Cuáles son las consideraciones respecto al costo?

Los aspectos de los costos pueden variar por muchos grados según el tamaño, el desempeño y la instalación del fusible. En términos generales, cuanto mayor sea el fusible, mayor costo tendrá (debido al mayor costo de los materiales utilizados para fabricarlo). Las características de desempeño de determinado fusible también son un aspecto importante del costo. Un fusible de voltaje bajo para automóviles puede costar una fracción en comparación con un fusible de tubo cerámico de superalta velocidad de 500 V, ambos con calificación de 10 A. Las aprobaciones de las agencias de seguridad también se suman a los costos generales del fusible. Uno de los mayores costos de un fusible es el portafusible. Un portafusible típico de montaje en panel puede costar mucho más que el propio fusible.