¿Por qué se fundió mi fusible después de más de 3 años sin problemas?

Durante varios años, he tenido un solenoide conectado a la salida de 24 V CC de un PLC (Rockewell Automation 1769-OB16 ).

Para proteger la tarjeta de salida del PLC, se instaló un fusible de 500 mA de acción rápida entre el PLC y el solenoide. El fusible ha estado funcionando sin problemas durante mucho tiempo.

Recientemente, este fusible explotó. No hubo cambios en la línea, no hubo un uso anormal o excesivo del solenoide, y nada fuera de lo común. Simplemente explotó. Reemplacé el fusible por uno idéntico, y el solenoide funciona igual de bien que antes de que se fundiera el fusible.

Medí la corriente para tratar de averiguar por qué explotó, y descubrí que el solenoide en realidad está tirando de 530 mA. Dejé que el solenoide continuara tirando tanto durante más de 20 minutos, y el fusible se mantuvo.

¿Por qué no se funde el fusible a pesar de que la carga tira más de lo que el fusible tiene? ¿Y por qué explotaría solo ahora, después de más de 3 años, y no antes?

La clasificación de un fusible es la cantidad de corriente que transportará indefinidamente sin explotar. Para garantizar esto, la mayoría de los fusibles no se fundirán hasta que la corriente aumente a 2 × o más de su capacidad nominal. De hecho, si mira la hoja de datos de un fusible, generalmente habrá un cuadro que relaciona el tiempo de soplado con el porcentaje (sobre) de carga. La mayoría de estos gráficos se elevan al tiempo infinito para volar en algún lugar cerca del 200% de carga.

Si está colocando entre 1 × y 2 × la clasificación actual del fusible a través de él, se encuentra en un área gris en la que puede explotar o no, o puede debilitarse con el tiempo, lo que eventualmente conduce a un umbral inferior para soplar.

Hay otras cosas específicas de los solenoides que también podrían causar tal falla. En un nivel simplista, puede pensar en un solenoide como un inductor, y su resistencia de CC limita su corriente de estado estable. Sin embargo, cuando el émbolo se está moviendo, la inductancia está cambiando y esto crea un aumento adicional de corriente cada vez que lo opera. Si algo en la carga mecánica hace que la operación sea un poco más lenta de lo normal, esta sobretensión durará más tiempo y podría dañar su fusible.

Esta es la razón por la cual los fusibles de fundición lenta se usan normalmente con cargas que tienen sobretensiones de arranque. También es la razón por la que debe usar una salida PLC que esté clasificada para manejar la sobretensión.

Diseño de fusibles

Mirando esta hoja de datos para fusibles rápidos de 5x20 mm de ESKA, encontrará una tabla con "límites de tiempo de prearco" en la parte inferior. Para un fusible de 500 mA, indica:

 2.1*500mA  =1050mA:         30min
 2.75*500mA =1375mA:     50ms-2s
 4*500mA    =2000mA:     10-300ms
10*500mA    =5000mA:         20ms

Por lo tanto, está completamente dentro de las especificaciones (de este fusible) que no se funde a 530 mA en 20 minutos.

Envejecimiento de fusibles en condiciones constantes

Por otro lado, es extraño que el fusible se haya fundido. Una vez vimos el mismo comportamiento extraño e hicimos una prueba. Teníamos cuatro fusibles 1A en serie, cada uno con un diodo en paralelo. Esto se conectó a una fuente de corriente constante de 1A, y se monitoreó la caída de voltaje sobre cada fusible. Mientras los fusibles estuvieran bien, la caída de voltaje estaba muy por debajo de 0.7V, y toda la corriente pasaba por los fusibles. Un fusible quemado estaría indicado por una caída de voltaje de aproximadamente 0.7V:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Pusimos cinco de estos juegos equipados con fusibles de diferentes fabricantes y lotes en un horno con una temperatura constante de 85 ° C para agregar algo de estrés y obtuvimos este resultado bastante interesante:

Todos los fusibles comenzaron a "envejecer" inmediatamente, como lo muestra la caída de voltaje que aumenta lentamente.

• El conjunto 1 tiene una alta dispersión en la caída de voltaje y el primer fusible comienza a aumentar la caída de voltaje en el día 10 y finalmente explotó 15 días después (!)
• El conjunto 3 es un lote diferente del mismo fabricante. Tomó más tiempo, pero el resultado es el mismo.
• El set 4 comenzó con una caída de alto voltaje, pero pareció asentarse en algún lugar.
• El conjunto 2 comienza con una caída baja y la pendiente comienza a aumentar en el día ~ 25-30
• El conjunto 5 tiene una caída de voltaje pequeña superior y una extensión de parte realmente pequeña, pero incluso aquí, la pendiente comienza a aumentar muy lentamente alrededor del día 30. El precio de estos fusibles es 3 veces el precio del conjunto 1 y 3 ...

(Tengo datos para un período más largo, pero necesito buscarlos)

Aquí también hay una imagen de los fusibles:

De izquierda a derecha:

• Nuevo y sin usar
• Después de algún tiempo en uno de nuestros dispositivos que a menudo apagaba los fusibles, ya tiene un ligero tono amarillo.
• Aún funciona el fusible, se ve mucha oxidación negra
• fusible quemado, parece que explotó relativamente rápido.
• Otro fusible quemado. Parece que tomó muuuucho tiempo para soplar.

Fusible envejecido cambiando cargas

El cable del fusible se calienta y se expande cuando fluye la corriente. A altas temperaturas, puede ocurrir oxidación, lo que debilita el cable mecánicamente, y también puede ser eléctrico. Encender / apagar una carga significa que el cable se dobla cada vez. Este estrés puede causar un fusible quemado en algún momento, incluso cuando la corriente nunca excedió el umbral.

Mal diseño del circuito

Por supuesto, mientras escribe sobre un solenoide, es posible que haya pulsos cortos pero grandes a través del fusible que también lo dañarán con el tiempo.

Recomendación

Por lo general, no hay un fusible para proteger el dispositivo, sino para proteger la fuente o para evitar daños mayores, por ejemplo, por un incendio.

Los fabricantes dijeron que sería mejor usar un fusible con capacidad para 1.5-2 veces el máximo. corriente esperada, aunque un fusible con una clasificación demasiado alta puede no fundirse cuando debería.

Sin embargo, el envejecimiento aún ocurre y los fusibles se funden de vez en cuando sin razón (externa).

He visto curvas de fusión de fusibles con el tiempo contra la corriente, y esas curvas NO van al 'infinito'. El infinito no existe en los gráficos. En cambio, con corrientes algo alrededor o por debajo de las nominales, el tiempo irá a un gran número de horas, digamos 1000 a 10,000. Y si la corriente no está "encendida" en todo momento, como probablemente en su caso, 3 años es un tiempo "largo" razonable para derretirse.

Otra forma de ver esto: un fusible es como una bombilla, el tipo antiguo con un filamento caliente. Aunque hace mucho calor, todavía se necesitan unas increíbles 1000 horas para derretirse. E incluso a bajo voltaje, quemando más bajo, no se encenderá 'para siempre'.

Para respaldar mi argumento, aquí hay un diagrama de tiempo de fusible arbitrario , que se encuentra con google. Muestra una línea bastante recta en escala logarítmica durante 5 décadas, de 0.01 sa 1000 s. De 1000 s a 3 años son otras 5 décadas.

Como otro argumento más: he visto fusibles fundidos después de 25 años de servicio. Una vez, alrededor de 2010, más o menos, ¡reemplacé un fusible principal quemado mientras estaba en Irán solo para descubrir una moneda de antes de la Revolución (1979)! (No estoy inventando esto) Sin una aparente sobrecarga o evento de cortocircuito.

Es una idea falsa común que se supone que un fusible se derrite de inmediato ("se apaga") a su corriente nominal.

Se utiliza un fusible para proteger su cableado de provocar un incendio en el caso de corrientes excesivas, y / o para proteger contra la electrocución en caso de falla de aislamiento. Un fusible puede funcionar junto con la conexión a tierra, causando una alta corriente de cortocircuito en caso de una falla de aislamiento menor. En el caso óptimo, el fusible se fundirá muy rápido debido a la alta corriente de cortocircuito.

Se sabe que los fusibles son difíciles de clasificar para proteger contra el sobrecalentamiento de su cableado en caso de corrientes que son solo marginalmente más altas que las diseñadas. Es por eso que los ingenieros eléctricos necesitan esos complicados gráficos de fusibles.

Si observa esos gráficos (por ejemplo, vea mi otra respuesta), verá que un fusible de 100 A tardará varios segundos en fundirse a una corriente de 10 veces ese valor. Esto explicará su pregunta de por qué su fusible de 500 mA 'no se funde' con una carga de 530 mA. No, no explotará de inmediato, pero puede / se fundirá en algún momento posterior. Un fusible de X Ampere no es por sí solo muy útil para una carga que nominalmente consume X Ampere. Por ejemplo, en mi casa podría encender una lámpara de unos 10 vatios, mientras que la instalación está fusionada con 16 amperios (a 230 voltios de corriente alterna).