¿Por qué los fusibles se queman a una corriente específica?

Por lo general, especificamos la corriente máxima que un conductor (como un fusible) puede manejar sin quemarse. Pero, ¿no falla realmente el conductor cuando una cierta cantidad de energía / calor se ha disipado en el conductor? Entonces el conductor está a una temperatura demasiado alta y se quema / derrite.

Digamos que tengo un fusible clasificado para 10A. ¿Por qué entonces puedo operar el fusible continuamente a una corriente más baja como 9A sin que el fusible se queme también, pero solo un poco más tarde?

También sabemos que la potencia, el voltaje y la corriente están relacionados por la ley de Ohm. Entonces, si tenemos un fusible de 10 A y tiene una resistencia arbitraria, como 100 ohmios, ¿por qué no lo llamamos fusible de 1 kV (10 A * 100 ohmios) o fusible de 10 kW (10 A * 10 A * 100 ohmios)? Estos números son completamente arbitrarios, así que sé que no reflejan la realidad, pero aclaran mi punto.

Entonces, si tenemos un fusible de 10 A, y tiene una resistencia arbitraria como 100 ohmios, ...

Este fusible típico de 10 A tiene una resistencia de 5 mΩ. Entonces su suposición fue un factor de aproximadamente 20,000. A 10 A, la potencia disipada viene dada por $P = I^2R = 10^2 \times 5m = 500 \ \text {mW}$ .

RESISTENCIA: La resistencia de un fusible suele ser una parte insignificante de la resistencia total del circuito. Dado que la resistencia de los fusibles de amperaje fraccional puede ser de varios ohmios, este hecho debe tenerse en cuenta al usarlos en circuitos de bajo voltaje. Los valores reales se pueden obtener contactando a Littelfuse. Fuente: Littlefuse Fuseology Application Guide (que vale la pena leer).

La razón de una mayor resistencia en los fusibles de amperios fraccionales es que el cable del fusible tiene aproximadamente la misma longitud que la versión de 10 A, pero tendría que ser mucho más fino para explotar, por ejemplo, a 100 mA. Un fusible de 100 mA puede proteger un circuito que normalmente consume, por ejemplo, 50 mA. Si la resistencia del fusible fuera de 1 Ω, se produciría una caída de 50 mV en servicio.

El diámetro requerido de un cable fusible se puede calcular a partir de

... ¿por qué no lo llamamos fusible de 1kV (10 A * 100 ohmios) o fusible de 10 kW (10 A * 10 A * 100 ohmios)?

Debido a que es un exceso de corriente dispositivo de protección. Los fusibles ya tienen una clasificación de voltaje que significa algo completamente diferente. Vea abajo.

El fusible necesita varias clasificaciones:

• El actual (que creo que es bastante obvio).
• La tensión nominal del fusible. Esto especifica el voltaje máximo que puede romper de manera confiable sin formar y sostener un arco interno.
• El índice de tiempo: qué tan rápido soplará.

El artículo de Littlefuse cubre todo esto con gran detalle, por lo que no es necesario reproducirlo aquí.

1. El conductor falla cuando alcanza una cierta temperatura. Debido a que el fusible está en contacto térmico con el ambiente, puede disipar una cierta cantidad de energía antes de que se queme.
2. Su fusible de 10 A está diseñado para fundirse a 10 A (más o menos cierta tolerancia). Por lo tanto, debería funcionar a 9 A todo el día.
   • Pero ese fusible de 10 A tardará mucho tiempo en fundirse a 10 A, y se fundirá mucho más rápido a 20 A, y puede comportarse mal si empuja 100 A a través de él. Hay toda una ciencia, en su mayoría descuidada, para fusionar.
   • Y si usa ese fusible de 10 A a 9 A o 9.8 A todo el día, se calentará y se degradará lentamente.
   • Todo lo cual significa que si realmente importa qué tan rápido sopla, o cuánto dura, debe hablar con el fabricante del fusible.
3. Los fusibles están clasificados en amperios porque eso es lo que le importa a la mayoría de las personas que instalan fusibles. El fusible ideal de 10 A no deja caer voltaje, ni se quema ni se degrada incluso en un nanoamperio por debajo de 10 A, sino que se quema inmediatamente (o después de un tiempo bien definido) por encima de eso. No existen fusibles ideales.
4. Mientras reflexiona sobre todo esto, es posible que desee desenterrar algunas hojas de datos de fusibles y mirar . Las buenas compañías (Bussman, Littlefuse, etc.) especifican esto, y existen fusibles de fusión lenta diseñados para sobrecarga temporal y fusibles de fusión rápida diseñados para reaccionar más rápidamente que los fusibles "normales". Si la forma en que el fusible necesita responder no es estándar y es crítica, puede convertirse en un ejercicio de ingeniería para diseñar uno.

Normalmente, un fusible no sabe en qué circuito de voltaje se usa, solo conoce la corriente que fluye a través de él, por lo que eso es lo único que puede hacer que se queme.

Los fusibles también tienen una clasificación de voltaje porque, una vez que el fusible se funde, tendrá el voltaje del circuito completo a través de él, por lo que debe estar diseñado para manejar ese voltaje de manera segura sin arco eléctrico.

Pregúntese: ¿Cuál es el propósito de un fusible?

1. ¿Limitar el voltaje a través del fusible? No. Esto no tiene sentido.
2. ¿Limitar el poder que un fusible se está disipando internamente? No. Esto tampoco tiene sentido.
3. ¿Limitar la corriente que pasa por el fusible? Sorprendentemente, no! El trabajo de un fusible no es protegerse de nada. El trabajo de un fusible es proteger la carga. Supongamos que le importa la corriente en la carga, entonces solo le importaría la corriente a la que se funde el fusible como una preocupación secundaria, ya que la carga y las corrientes del fusible son las mismas.
4. Limitar el voltaje en la carga? Podría decirse que sí, pero hay problemas de calificación de fusibles de esta manera, que analizaré a continuación.
5. Limitar la potencia en la carga? Podría decirse que sí, pero hay problemas de calificación de fusibles de esta manera, que analizaré a continuación.
6. Limitar la corriente en la carga? ¡Si! El propósito final del fusible es proteger la carga. Discutiré por qué la corriente es más válida que el voltaje o la potencia en el n. ° 4 o n. ° 5

La carga es el rey. Un fusible no está diseñado para explotar solo por sí mismo. Un fusible está diseñado para proteger la carga. Te estás perdiendo el bosque por los árboles si todo lo que te enfocas es cuando se funde el fusible. Al final, no me importa en absoluto qué voltaje hay en el fusible o cuánta potencia se está disipando cuando se quema. Lo que me importa es la corriente a través de la carga cuando se funde el fusible (y, por extensión, la corriente en el fusible cuando se funde).

Podría argumentar que es limitar la potencia EN LA CARGA o el voltaje EN LA CARGA, pero no puede clasificar los fusibles en función de la potencia de la carga o el voltaje porque esos números dependen de la carga en sí. En otras palabras, eso significa que el fusible no se puede clasificar de esa manera sin conocer exactamente las características de la carga con la que se está utilizando.

En términos más rigurosos, esto se debe a que la posición del fusible en el circuito no le permite observar la potencia o el voltaje a través de la carga. Solo puede observar la corriente que va a la carga. Claro, el fusible puede observar su propia caída de voltaje o energía disipada desde su posición en el circuito, pero ya hemos establecido que eso no es relevante para proteger el sistema.

Si me da un fusible clasificado usando el voltaje o los vatios a través de él, tengo que pasar por un montón de cálculos innecesarios que tienen en cuenta las características de mi carga solo para determinar si la corriente a la que se funde el fusible va a proteger mi carga de sobrecorriente, sobretensión o sobrecarga.

El punto crucial a entender es el material del que están hechos los cables fusibles. Es simple, simple metal. Sin embargo, el metal tiene la propiedad de ser un conductor frío : si calienta un cable, se convierte cada vez menos en un conductor y más en una resistencia.

Ahora, si tiene un fusible que funciona por debajo de su límite actual, convierte una pequeña cantidad de energía eléctrica en calor, que se disipa rápidamente, y el cable se mantiene frío. En consecuencia, tiene una resistencia muy baja, por lo que solo una pequeña cantidad de voltaje cae en el fusible.

Cuando la corriente a través del fusible se eleva por encima del umbral, el cable del fusible se calienta. Esto significa que su resistencia aumenta, que una mayor parte del voltaje cae a través del fusible y, como tal, convierte más electricidad en calor. El calor en el cable del fusible hace que se produzca más calor . Este es un proceso de autoamplificación, y debido a que hay tanta energía eléctrica disponible que simplemente fluía a través del fusible cuando estaba frío, el fusible caliente puede extraer mucha energía de la corriente incluso antes de impactar significativamente el voltaje en el aparato .

Debido a este proceso de calentamiento autoamplificador, el fusible se sobrecalienta rápidamente, frenando el circuito.

Es cierto que el conductor del fusible se calienta en respuesta a la corriente que lo atraviesa. El cable en sí está diseñado para disipar ese calor por conducción a su entorno para que el fusible no se derrita, hasta que la energía que se disipa excede la capacidad del cable para alejar ese calor. Luego, el calor se acumula hasta el punto donde se derrite el cable fusible. Al agregar masa al cable, su constante de tiempo térmico aumenta, lo que le proporciona la capacidad de manejar breves sobretensiones, lo que resulta en un fusible de bloque lento .

Pero, ¿no falla realmente el conductor cuando una cierta cantidad de energía / calor se ha disipado en el conductor? Entonces el conductor está a una temperatura demasiado alta y se quema / derrite. [...] ¿Por qué es entonces que puedo operar el fusible continuamente a una corriente más baja como 9A sin que el fusible se queme también, pero solo un poco más tarde?

No importa cuánta energía se haya disipado en el fusible. Lo que importa es la velocidad a la que la energía se disipa en el fusible (eso es potencia - I ² R) en comparación con la velocidad a la que la energía se disipa fuera del fusible a través del calor irradiado y la conducción del calor.

Cuando la energía entra al fusible más rápido de lo que sale, entonces el fusible se calienta. Sin embargo, cuando el fusible se calienta, aumenta la velocidad a la que se disipa la energía del fusible. La temperatura aumentará hasta que la potencia de calor que sale del fusible coincida con la potencia de calor que entra (I ² R).

Entonces el fusible alcanzará rápidamente una temperatura de equilibrio que está determinada por la corriente. Cuando esta temperatura es demasiado alta, el fusible se fundirá.

Dependiendo del material del fusible, podría explotar cuando la temperatura de equilibrio alcanza el punto de fusión del material, o podría explotar por la fuga térmica que @cmaster menciona en su respuesta. En ese momento, el aumento de la temperatura en el fusible aumenta la potencia en más rápido de lo que aumenta la potencia a cabo , y se pierde el equilibrio.

Los fusibles están clasificados para corriente de funcionamiento . Un fusible de 10A no se fundirá (o "se degradará lentamente") a 9A, o incluso a 10A. Que esté etiquetado como 10A solo significa que el fabricante garantiza que funcionará como se espera, siempre y cuando no exceda la calificación.

Obviamente, eso significa que un fusible de 10A no se fundirá en el momento en que supere los 10A. De hecho, si miras en un hoja de datos , verá que necesita algo como 20A para quemar un fusible de 10A, y tal vez 30 + A si desea que suceda de manera razonablemente rápida.

Los fusibles también tienen clasificaciones de caída de voltaje, de hecho, necesita corriente y voltaje para volar un pedazo de cable. Pero dado que los usuarios finales generalmente desean una clasificación de corriente precisa, los fabricantes no miden la caída de voltaje con precisión y solo proporcionan un valor típico / máximo. Imagine que le digo que tengo un fusible de 150 mV / 5 mOhm: ¿cree que sería suficiente para proteger, por ejemplo, una carga de red de 1kW? Tendrás que averiguar la calificación actual para contar.