Fusibles y valores nominales de corriente: ¿hay fusibles que se quemen "rápido" cerca de su valor nominal?

El contexto o motivo de esta pregunta es el siguiente:

Recordatorio: la pregunta es sobre el fusible, no sobre el TRIAC. El contexto puede ayudar a entender la pregunta.

Una salida de 230V está controlada por un TRIAC DPAK2 que está protegido con un fusible de tipo F6.3A/250V 5x20mm tipo vidrio. El TRIAC puede tomar 8A.

Se hizo una prueba con una carga (calentador) de 1000W (alrededor de 4 Amperios). El circuito funcionó bien durante varias horas. Luego, el calentador se cambió a 2000 W (alrededor de 8 amperios). El fusible no se fundió, pero el TRIAC sí. La razón de esto es que a 8A, el TRIAC tiene que disipar demasiado calor y no hay un enfriamiento específico. Posible 6A también es demasiado, pero esa no es la cuestión.

Pregunta

Los fusibles térmicos están clasificados para velocidad con T, M o F, y están clasificados para una corriente dada. De hecho, esto es engañoso. El fusible no se rompe por encima de la corriente dada; requiere mucho tiempo para que un fusible de vidrio de 4 amperios se funda a 4,5 amperios. De hecho, las clasificaciones T, M y F están "especificadas" para corrientes que son 10 (diez) veces la corriente nominal.

De acuerdo con mi análisis del fusible de vidrio F6.3A, a 8A el fusible se quemará después de unos 200 s. Lo que deja suficiente tiempo para que cualquier otra cosa se sobrecaliente y explote.

Esto nos hizo darnos cuenta de que los fusibles de vidrio, los fusibles cerámicos y otros fusibles existen posiblemente porque tienen clasificaciones "mejores" con respecto a la protección contra sobrecorriente.
¿Hay fusibles que permitirían que una corriente de 4 amperios fluya indefinidamente, pero que se fundan bastante rápido (digamos alrededor de un segundo) para una corriente que supere ligeramente los 4 amperios, por ejemplo, 4,5 amperios?

Una comparación entre las tecnologías de fusibles que están comúnmente disponibles para PCB estaría bien, pero la información principal que estoy buscando es la existencia (o no) de fusibles que hacen lo que la mayoría de la gente esperaría que hicieran: fundirse en poco tiempo tan pronto como la corriente excede la clasificación actual.

Tengo entendido que la clasificación de un fusible es la cantidad máxima de corriente que puede transportar indefinidamente sin fundirse. Por lo tanto, un fusible con una clasificación de 4A transportaría de forma segura 4A para siempre y se quemará en un umbral superior a 4A dependiendo de (I^2)*t y la curva específica de dicho fusible. No espero que un fusible de 4A se funda nunca a 4A o 4.000001A. Realmente están destinados a desconectarse en caso de un flujo de corriente intenso (es decir, un cortocircuito), no ofrecen protección contra sobrecarga. Creo que centrarse solo en el fusible no es el ángulo correcto para su problema.
No me estoy enfocando solo en el fusible, pero parece un ángulo interesante. Los disyuntores para el hogar parecen ser mejores limitadores de corriente (usan magnetismo), por lo que puede haber soluciones intermedias.
Por cuestiones de seguridad del producto, los disyuntores no están permitidos: CSA insiste en usar fusibles para los circuitos del motor, incluso si tienen protección inherente. Los productos probados según EN60950 se prueban en un circuito derivado con un disyuntor de 20 A, incluso si el fusible del producto es mucho más pequeño. En cuanto a no centrarse en el fusible, su pregunta original fue bastante contundente: "Recordatorio: la pregunta es sobre el fusible, no sobre el TRIAC". - Me alegro de que estés considerando otros ángulos.
Sí, mencioné explícitamente que la pregunta es sobre el fusible porque me interesa aprender sobre fusibles que desconozco. Otros enfoques son sobre disipadores de calor, TRIACS con menor caída o TRIACS en paralelo (no recomendado), así como cambiar a un relé. Pero el uso de un TRIAC mantiene el costo bajo si podemos vivir con esta limitación. * Mencioné los disyuntores para resaltar que existe una tecnología con un límite de corriente más preciso.
La pregunta es (todavía) sobre las opciones de fusibles, pero para los lectores de esta pregunta, es posible que les interese saber que existen algunos triacs protegidos contra sobretemperatura. Lo que significa que ahora estoy "esperando" la versión D2PAK.
He votado por las dos respuestas de terceros porque son útiles, pero no seleccioné ninguna como "la respuesta".

Respuestas (3)

Lo que busco es la existencia (o no) de fusibles que hagan lo que la mayoría de la gente esperaría que hicieran: explotar en poco tiempo tan pronto como la corriente exceda la clasificación actual.

Los fusibles no protegen una tetera de daños en caso de que de repente desarrolle la necesidad de tomar más corriente. Protegen la infraestructura, es decir, el cableado de su hogar y el cableado de su hogar puede soportar corrientes excesivas durante bastante tiempo antes de calentarse demasiado y provocar un incendio. El fusible evita que la casa se queme y no es capaz de proteger su tetera, equipo de alta fidelidad o televisor en caso de que presente una falla que haga que tome más corriente.

Si su tetera, equipo de alta fidelidad o televisor consume más corriente (de lo que debería), es porque está a punto de fallar.

Los fusibles no protegen los elementos eléctricos, protegen la infraestructura (incluida la infraestructura del producto "generalmente más costosa de reparar").

Estoy hablando de los fusibles de 5x20 mm dentro de un dispositivo, no de los fusibles en su caja de distribución. Posiblemente, el fusible dentro del dispositivo sea obligatorio primero para proteger la infraestructura, pero también es bueno si puede proteger contra el mal uso. Aparentemente, los fusibles de tubo de vidrio se rompen un poco más rápido que los fusibles de cerámica por sobrecorriente.
Un fusible dentro de un producto protege el producto de fallas que prenden fuego a otra cosa. Incluso podría protegerlo en la medida en que sea reparable. Protegerlo en la medida en que todo lo que necesita hacer es reemplazar el fusible es casi imposible.
@le_top como Charles señala (correctamente) el fusible no es para proteger un semiconductor defectuoso sino para evitar que el aparato se incendie. Después de todo, no usará cables internos del mismo grosor que los de la pared, por lo que necesita un fusible para evitar que se quemen (o que se queme la PCB).
No estoy de acuerdo con que los fusibles no sean para proteger dispositivos. Por ejemplo, muchos DMM tienen fusibles, para el modo de ohmios y, a veces, la entrada de alta corriente, para proteger el medidor de sobrecorriente. Simplemente reemplace el fusible quemado y estará de vuelta en el negocio. (Iba a decir más aquí, pero decidí convertirlo en una respuesta).
Entiendo que la función principal del fusible es la seguridad, pero eso no quiere decir que nos gustaría que también ayude a proteger el circuito. La tecnología evoluciona, por lo que mi pregunta es "alcanzar" las soluciones que podrían existir y que desconozco.
@GlennWillen Espero con ansias lo que tengas que decir.
@le_top nosotros, como diseñadores, protegemos nuestros dispositivos electrónicos de fallas mediante la aplicación de métodos de ingeniería para asegurarnos de que tengan la clasificación adecuada para el propósito para el que sirven, pero no podemos escapar de la posibilidad de que sigan fallando y ningún fusible en la tierra los protegerá. contra eso El fusible es una medida de seguridad para evitar daños colaterales excesivos y no para salvar un transistor o chip.
@Andyaka Como ingeniero, hago todo lo posible para respetar las normas en primer lugar y los "deseos" de los clientes en segundo lugar. El cliente prefiere que el usuario final pueda reparar él mismo su dispositivo en caso de sobrecorriente reemplazando el fusible. Reduce su soporte post venta. No es una línea dura, el cliente entiende las limitaciones. También trato de evitar limitarme a lo que creo que sé oa lo que creo que son los límites. La tecnología evoluciona y lo que era difícil años atrás, hoy puede tener una solución sorprendente. Los fusibles salvan transistores y chips en muchas ocasiones, aunque no estén diseñados para ello.
@le_top No puedo pensar en una situación en la que me haya encontrado en la que un fusible haya salvado un chip o un transistor. En serio, no es para eso para lo que están destinados. Si hay un puerto en un equipo que puede ser abusado por un cliente, entonces solo se puede hacer mucho, si las personas cortan las cosas y no hay una limitación de corriente adecuada (no un fusible sino un circuito adecuado) entonces ocurrirán fallas. Lo mismo ocurre con la sobretensión, si existe la posibilidad de que ocurra una situación, se pueden diseñar circuitos de protección para esto.
Sé de varias ocasiones en las que el fusible salvó el dispositivo.
Nombre uno, por favor, aunque solo sea para terminar esta discusión sin sentido.
Sé que compré fusibles explícitamente para arreglar algunos casos, y uso algunos de mi stock para amigos. Mi cliente también insistió en un fusible extraíble porque sus clientes (instaladores) aprecian poder reparar este dispositivo simplemente reemplazando el fusible y evitar el retraso posventa que tienen en otros lugares. No estoy argumentando que la primera razón para poner un fusible es la seguridad, pero argumento que protege el dispositivo "en ocasiones".
@le_top si ha terminado con esta pregunta, acepte formalmente una de las respuestas o haga otro comentario para expresar sus dudas o hacer otras preguntas.
Dada esta discusión, es divertido leer en wikipedia que "Idealmente, el fusible llevaría su corriente nominal indefinidamente y se derretiría rápidamente en un pequeño exceso". y también "Un fusible estándar puede requerir el doble de su corriente nominal para abrirse en un segundo, un fusible de fusión rápida puede requerir el doble de su corriente nominal para fundirse en 0,1 segundos, y un fusible de acción lenta puede requerir el doble de su corriente nominal para decenas de segundos para soplar". (Fuente: en.wikipedia.org/wiki/Fuse_(electrical) )
@le_top las palabras importantes en esa cita son "may require". Hay muchos fusibles y, como siempre, al elegir un componente, lea la hoja de datos específica para el dispositivo que está considerando y haga su elección en función de la i 2 t curvas.
No encontré un solo fusible que se funde en menos de 1 segundo al doble de la corriente nominal: "puede requerir" no es una posibilidad, es una certeza. Mi pregunta era exactamente sobre eso: estaría perfectamente feliz con un fusible que "puede requerir" el doble de corriente para quemarse en menos de 1 segundo (= en el peor de los casos).
@le_top OK, voy a cerrar esto porque SE no es adecuado como foro o foro. De hecho, trata de no ser un foro y, con toda probabilidad, los moderadores aparecerán y relegarán esta conversación en curso a otro lugar. No puedo añadir nada más a esto.

Creo que el gran problema aquí es el estrecho margen que estás pidiendo. Si desea permitir amplificadores X de manera confiable y rechazar rápidamente amplificadores Y, necesita que Y sea lo más grande posible en comparación con X. La acción rápida con un margen estrecho es más difícil de diseñar que la acción lenta con un margen amplio y requiere más precisión. . Todo eso significa que va a costar más.

Al buscar, encontré algunos fusibles "ultrarrápidos" (de Littelfuse) comercializados específicamente para proteger dispositivos semiconductores en equipos de potencia. (Enumerados como "FF", "Acción muy rápida".) Estos "fusibles especiales" cuestan la friolera de $ 15 cada uno (¡para un consumible de un solo uso! Encontré un documento técnico que señala que podría ser más barato reemplazar el componente protegido que el fusible). Sin embargo, el fusible de 4A solo está clasificado para abrirse después de 1 segundo a 5 amperios, marginalmente peor de lo que solicitó.

Así que creo (¡aunque no soy un experto en fusibles!) que mi respuesta final a su pregunta es no, probablemente no haya un fusible que satisfaga sus necesidades (a un precio realista). Se ha planteado un problema excesivamente difícil. , Creo. En cambio, reconsidere su enfoque para trabajar dentro de las limitaciones de los componentes disponibles.

Una opción, que espero sea la mejor en la práctica: ampliar su margen. Veo que ya discutió esto en un comentario, un poco, así que perdóneme por repetir: eso significa reducir su consumo actual, sobredimensionar su triac, agregar un disipador de calor o hacer algo para darle más margen entre la corriente deseada y la limite superior.

Otra opción, que es tentadora pero lamento no saber lo suficiente para saber qué tan factible es, sería un enfoque de estado sólido. Algo para investigar podría ser un "circuito de palanca", https://en.wikipedia.org/wiki/Crowbar_(circuit) . Este es un circuito que hace cortocircuito a través de los rieles de alimentación cuando se detecta una falla, lo que elimina la corriente a través de la carga y hace que el fusible se funda inmediatamente (por lo tanto, el circuito de palanca en sí no tiene tiempo para sobrecalentarse). Normalmente se usan para protección contra sobrevoltaje. , y tal vez alguien con más experiencia pueda aclararme, pero parece un enfoque que podría funcionar aquí (adecuadamente adaptado). SIN EMBARGO, parece que su circuito puede estar funcionando directamente desde el voltaje de la red. En ese caso, no estoy seguro de si tal enfoque es práctico o aconsejable (o permitido, por cualquier autoridad reguladora o de certificación a la que pueda estar sujeto).

Cuando digo "1 segundo" es un orden de magnitud, tal vez debería escribir unos segundos. Los fusibles estándar se queman después de 30 minutos por el doble de la corriente nominal, lo cual es enorme.
El enfoque de palanca es una idea interesante, pero sí, este circuito funciona con el voltaje de la red. En realidad, hay un TRIAC acoplado ópticamente controlado desde un microcontrolador que activa el triac de alta corriente.
No estoy muy familiarizado con los costos de reparación, pero el BOM es de unos 8 €, y más cerca de 13 € con el proceso de PCBA incluido.
Un enfoque activo para evitar que el fusible se funda es definitivamente más complejo ya que la salida está en la red y el control está en 3V3. Un disyuntor en miniatura montado en PCB (no exactamente un fusible) representa un costo, pero podría ser una solución en ciertos casos.
Aquí hay un ejemplo de una lista de un disyuntor para sus especificaciones: mouser.com/ProductDetail/Phoenix-Contact/… Notará que (1) cuesta alrededor de $15 cada uno, por lo que duplicará con creces su lista de materiales y ( 2) es significativamente más lento que el fusible que mencioné anteriormente; la curva de disparo en la hoja de datos dice que tardará 1 segundo en dispararse entre 5 y 8 veces la corriente nominal. Si permite 30 segundos, tiene una corriente nominal de 1.5-2x, que sigue siendo de 6-8 amperios para su clasificación de corriente nominal de 4A (por lo que no es lo suficientemente baja y probablemente tampoco lo suficientemente rápida).
Gracias por su seguimiento. En mi respuesta, me referí a un disyuntor montado en PCB, mientras que su referencia es un disyuntor montado en DIN. Se rompe en menos de 2 segundos al doble de la corriente nominal (peor caso). mouser.fr/ProductDetail/ETA/… . No se garantiza que se rompa a 1,7 veces la corriente nominal. Un margen del 10 % es definitivamente un poco difícil, pero a unas 1,8 veces la corriente, el circuito se rompería en menos de 10 segundos y mejor en casos nominales.
@le_top Wow, de hecho, ese interruptor tiene características mucho mejores que las que he visto en cualquier otra cosa que estaba mirando. (Todavía es como el doble de su costo de BOM, por supuesto. Pero aún así, genial.) [EDITAR: Oh, no noté su auto-respuesta con la curva de viaje de ese mismo interruptor, genial.]
Me alegro de que haya tenido esa experiencia "Wow", que es lo que estoy buscando con mi pregunta. Con respecto a la solución alternativa, encontré un triac protegido contra sobretemperatura y pronto debería haber una versión D2PAK.

Disyuntor de sobrecorriente térmica

Un interruptor automático de sobrecorriente térmica es más rápido que el fusible de vidrio clásico para sobrecorrientes y se rompe en menos de 10 segundos para duplicar la corriente nominal en comparación con los más de 30 minutos con el fusible de vidrio. Su desventaja es su costo. Mi comprensión de la hoja de datos sugiere que el disyuntor podría no romperse por debajo de aproximadamente 1,8 veces la corriente nominal.

De la hoja de datos para el ETA 1410-L2/G1:

De la hoja de datos https://www.eta.com/fileadmin/user_upload/Ordnerstruktur/pdf-Data/Products/Schutzschalter_Sicherungsautomaten/Thermisch/2_eng/D_1410-L2_G1_ENG.pdf

Fusibles y valores nominales de corriente: ¿hay fusibles que se quemen "rápido" cerca de su valor nominal?
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