¿Cómo elegir un fusible de CC semiconductor?

Introducción a los fusibles semiconductores

A fusible semiconductor, también conocido como fusible semiconductor, se define como un componente instalado en un circuito eléctrico para garantizar el funcionamiento seguro del circuito y proteger los dispositivos semiconductores como Módulos de potencia IGBTEn condiciones de voltaje específicas, la corriente pasa a través del elemento fusible.

Aprovechando los efectos térmicos de la corriente, cuando el calor acumulado alcanza un determinado nivel, la parte específica (sección estrecha) del elemento fusible se funde y se desconecta dentro del tiempo prescrito, interrumpiendo así de forma segura la corriente de falla.

Principio de funcionamiento de los fusibles semiconductores

Cuando la corriente fluye a través de un conductor, este se calienta debido a su resistencia inherente. El calor generado sigue la fórmula Q=I²Rt, donde Q es el calor generado, I es la corriente que fluye a través del conductor, R es la resistencia del conductor y t es el tiempo en que la corriente fluye a través del conductor. Con base en esta fórmula, el principio de funcionamiento de un fusible se puede entender de la siguiente manera:

A medida que la corriente fluye a través del fusible, este se calienta y la cantidad de calor generado aumenta con el tiempo. La magnitud de la corriente y la resistencia determinan la velocidad de generación de calor, mientras que la construcción del fusible y sus condiciones de instalación determinan la velocidad de disipación de calor. 

Si la tasa de generación de calor es menor que la tasa de disipación de calor, el fusible no se fundirá. Si la tasa de generación de calor es igual a la tasa de disipación de calor, el fusible no se fundirá durante un período considerable. Sin embargo, si la tasa de generación de calor excede la tasa de disipación de calor, el calor acumulado aumentará. Debido a su capacidad calorífica específica y masa, este aumento de calor se manifiesta como un aumento de la temperatura. Cuando la temperatura aumenta por encima del punto de fusión del fusible, este sufre fusión e interrupción.

¿Cómo elegir un fusible semiconductor?

1. Confirme si el fusible se utiliza para un circuito de CA o un circuito de CC.

Es fundamental determinar si un fusible está destinado a utilizarse en un circuito de corriente alterna (CA) o en un circuito de corriente continua (CC). El uso incorrecto de un fusible de CA en un circuito de CC o viceversa puede provocar accidentes.

En los circuitos de CA, la descarga del arco eléctrico tiende a extinguirse cuando el voltaje de alimentación se vuelve cero. Sin embargo, como el voltaje de CC no llega a cero en los circuitos de CC, existe el riesgo de que la descarga del arco eléctrico no se extinga, lo que podría causar daños en los fusibles (consulte la Figura 1).

Por lo tanto, para circuitos de CC, solo se deben seleccionar fusibles de CC y solo fusibles de CA para circuitos de CA.

2. Voltaje nominal (Un): El voltaje nominal del fusible.

Este término se introduce desde la perspectiva del uso seguro de los fusibles, indicando el voltaje de funcionamiento más alto del circuito en el que se instala el fusible manteniendo una condición de funcionamiento segura. Esto implica que el fusible solo debe colocarse en circuitos donde el voltaje de funcionamiento sea menor o igual al voltaje nominal del fusible para que funcione de manera segura y eficaz. De lo contrario, pueden producirse arcos eléctricos continuos y daños en el circuito cuando el fusible se funde.

Por ejemplo, un fusible de 250 V se puede utilizar en circuitos con voltajes de 125 V o inferiores.

3. Corriente nominal (principalmente para selección de corriente pequeña): La corriente nominal del fusible.

Representa el nivel de corriente que el fusible puede soportar en condiciones normales de funcionamiento, no la corriente de operación. La correcta elección del valor de corriente nominal debe tener en cuenta lo siguiente:

• Para las especificaciones UL con capacidad de sobrecarga débil, la corriente nominal In = Ir/Of, donde Ir es la corriente de funcionamiento del circuito y Of = 0.75 es el factor de reducción de corriente del fusible. Por ejemplo, si la corriente de funcionamiento del circuito Ir es 1.5 A, se debe seleccionar un fusible de 2 A (1.5/0.75 = 2 A).
• Para las especificaciones IEC con fuerte capacidad de sobrecarga de fusibles, no se necesita reducción, es decir, Ir = In.

4. Temperatura ambiente (principalmente para selección de corriente pequeña):

La capacidad de conducción de corriente de un fusible se determina mediante experimentos realizados a una temperatura ambiente de 25 °C. Sin embargo, estos experimentos se ven influenciados por los cambios en la temperatura ambiente: a medida que aumenta la temperatura ambiente, aumenta la temperatura de funcionamiento del fusible, lo que reduce la capacidad de conducción de corriente y acorta su vida útil. En estos casos, es necesario considerar la reducción de la capacidad de conducción de corriente por temperatura (consulte el diagrama a continuación).

Por ejemplo, al seleccionar un fusible de acción rápida que funciona a 90 °C en un entorno pequeño con una corriente de 1.5 A, como se muestra en el diagrama de la derecha, su factor de reducción de temperatura (Tf) es del 95 %.

Si se siguen las especificaciones IEC: In = In / Tf = 1.5 / 0.95 = 1.58, se recomienda una corriente nominal de 1.6 A o 2 A.

Si se siguen las especificaciones UL: In = In / (Of * Tf) = 1.5 / (0.75 * 0.95) = 2.1, se recomienda una corriente nominal de 2.5 A.

5. Capacidad máxima de ruptura (A/kA):

La capacidad máxima de ruptura de un fusible se refiere a la corriente máxima que un fusible puede interrumpir o desconectar de manera segura en condiciones específicas sin causar daños. Es esencialmente la corriente de falla máxima que el fusible puede manejar e interrumpir de manera segura.

La capacidad de corte es el principal indicador de seguridad de los fusibles. Los distintos fusibles poseen distintas capacidades de corte según su diseño y las aplicaciones previstas. Una capacidad de corte alta es fundamental para garantizar que el fusible pueda desconectar el circuito de forma segura durante una falla o una condición de sobrecarga sin causar incidentes peligrosos, como roturas, quemaduras, salpicaduras, explosiones o daños a personas cercanas u otros componentes.

Por ejemplo, un fusible con una capacidad de ruptura de 10,000 amperios (10 kA) puede interrumpir de forma segura una corriente de falla de hasta 10,000 amperios sin sufrir daños.

6. Categorías de protección:

Según las normas IEC, las categorías de protección de fusibles se dividen normalmente en “tipo g” y “tipo a” (consulte la tabla siguiente):：

“tipo g”: protección de rango completo: capaz de interrumpir cualquier corriente entre la fusión del cartucho fusible y la capacidad de corte nominal. Adecuado para proteger contra corrientes de sobrecarga y cortocircuito. Puede servir de forma independiente como protección para todo el rango de corriente.

“Tipo a”: Protección de rango parcial: capaz de interrumpir cualquier sobrecorriente entre la corriente de corte mínima y la capacidad de corte nominal. Adecuado para protección contra cortocircuitos (de respaldo). Requiere combinación con otros dispositivos de protección para brindar protección integral contra sobrecorriente.

A continuación se comparan las características generales de las categorías “g” y “a” con el mismo tubo, voltaje y corriente:

7. Características de fusión:

Las características de los fusibles, también conocidas como características de tiempo/corriente, características IT o características de amperio-segundo, a menudo se representan mediante gráficos de curvas:

La curva característica del fusible ilustra la relación funcional entre diferentes cargas de corriente y sus correspondientes tiempos de fusión del fusible, proporcionando una referencia para la selección (consulte el gráfico).

Los fusibles deben tener una cierta capacidad de sobrecarga:

• Según las especificaciones UL, la corriente máxima sin fusión de un fusible es del 110 % In.
• Según las especificaciones IEC, la corriente máxima sin fusión de un fusible es 113% In o 120% In.

Los fusibles también deben quemarse rápidamente cuando se exponen a una sobrecorriente que supere el límite especificado:

• Según las especificaciones UL, la corriente mínima de fusión de un fusible es de alrededor de 135 % In.
• Según las especificaciones IEC, la corriente mínima de fusión de un fusible es de alrededor del 145% In.

8. Energía de fusión (I²t):

El valor de energía de fusión se refiere al valor de energía cuando el fusible se funde, lo que indica la capacidad del fusible para soportar sobretensiones. Aquí, I es la corriente de sobrecarga y t es el tiempo de fusión. La energía requerida para que el fusible se funda (If²t) y la energía liberada por el pulso de sobretensión (Ir²t) determinan si el fusible se fundirá. Si Ir²t > If²t, el fusible se funde; si If²t < Ir²t, el fusible puede soportar la sobretensión.

El tiempo de fusión de un fusible está relacionado con factores como el calor generado por la corriente, las condiciones de disipación de calor y las características de capacidad térmica del fusible. Muchos factores pueden influir en el tiempo de fusión de un fusible, por lo que los valores If²t de un fusible no son constantes para diferentes corrientes de interrupción o tiempos de interrupción. 

La curva If²t-t refleja los valores If²t del fusible en diferentes momentos de fusión (ver el gráfico a continuación), de forma similar a la curva característica del fusible. Sirve como referencia para los diseñadores a la hora de seleccionar fusibles.

9. Vida útil/durabilidad del producto:

La vida útil de un fusible suele ser larga y, en ausencia de fallos, es casi sincrónica con la vida útil del equipo.

El método de prueba para la vida útil de los fusibles tubulares pequeños según las especificaciones IEC implica los siguientes pasos: bajo condiciones de alimentación de corriente continua (CC), el fusible se somete a una corriente de 1.20 In (o 1.05 In) durante una hora, seguido de una desconexión durante 15 minutos. Este ciclo se repite continuamente durante 100 ciclos. Finalmente, el fusible se somete a una corriente de 1.5 In (o 1.15 In) durante una hora. Durante este proceso, no debe producirse ninguna fusión ni ningún otro fenómeno anormal.

10. Método de instalación:

Montaje en panel: Cajas de fusibles, tomas de fusibles, etc.

Montaje de base: Clips para fusibles, zócalos para clips para fusibles, etc.

Montaje de placa de circuito impreso (PCB): 

• Montaje mediante orificio pasante (soldadura por ola): cables radiales, cables axiales, etc.
• Montaje superficial: monolítico multicapa, tipo película fina, etc.

Montaje suspendido: Portafusibles.

Dimensiones externas:

• Tubular: Diámetro X Largo.
• Miniatura: Apertura X Pitch.
• Montaje en superficie: Almohadilla de soldadura: largo x ancho, la distancia entre los extremos.

11. Certificado de seguridad

CE

La certificación CE es una marca de certificación de conformidad en el Mercado Común Europeo. CE significa “Conformité Européene” (Conformidad Europea) y sirve como marca de certificación utilizada por los países miembros de la Unión Europea (UE) para indicar que los productos vendidos en sus mercados cumplen con las regulaciones europeas. La certificación CE es voluntaria para los fabricantes y tiene como objetivo asegurar que los productos cumplan con los requisitos de las regulaciones europeas para garantizar la seguridad, la salud y la protección del medio ambiente de los consumidores.

UL

La certificación UL es una certificación de seguridad de productos emitida por Underwriters Laboratories Inc. (UL), una empresa líder mundial independiente en ciencias de la seguridad que se especializa en pruebas y certificación de seguridad de productos. El objetivo de la certificación UL es garantizar que los productos cumplan con los estándares de seguridad pertinentes, lo que brinda a los fabricantes confianza para vender sus productos en el mercado.

cUL

La certificación cUL se refiere a la certificación emitida por la Asociación Canadiense de Normas (CSA). La marca cUL indica que un producto ha sido certificado por la CSA y cumple con las normas y requisitos pertinentes en Canadá. La certificación cUL generalmente implica pruebas de seguridad y rendimiento para productos eléctricos y electrónicos. Esta certificación es un requisito esencial para vender productos en el mercado canadiense y también es ampliamente reconocida en otros países y regiones.

CSA

CSA es la abreviatura de la Asociación Canadiense de Normas (Canadian Standards Association), que es el organismo de certificación autorizado para productos electrónicos y eléctricos en Canadá. Los productos eléctricos certificados por esta organización pueden venderse libremente en el mercado canadiense. Los productos certificados por CSA solo pueden venderse en el mercado canadiense y, para ingresar al mercado estadounidense, también deben obtener la certificación UL de los Estados Unidos.

TÜV

La certificación TÜV es una certificación de producto emitida por la organización alemana Technischer Überwachungsverein (TÜV). TÜV es un organismo independiente líder a nivel mundial de inspección y certificación técnica. Esta certificación generalmente cubre los aspectos de seguridad, calidad y rendimiento de un producto, lo que garantiza su cumplimiento con las normas y regulaciones pertinentes. Los productos que reciben la certificación TÜV pueden mejorar su credibilidad y competitividad en el mercado, particularmente en Alemania y otros mercados europeos.

RoHS

La certificación RoHS se refiere a la certificación de productos que cumplen con la Directiva Europea de Restricción de Sustancias Peligrosas (Directiva RoHS). La Directiva RoHS es una normativa establecida por la Unión Europea para restringir el contenido de ciertas sustancias peligrosas utilizadas en equipos electrónicos y eléctricos, con el objetivo de reducir el impacto negativo en el medio ambiente y la salud humana.

Alcance

REACH (Registro, Evaluación, Autorización y Restricción de Sustancias Químicas) es un reglamento establecido por la Unión Europea en materia de sustancias químicas. El reglamento REACH entró en vigor en 2007 con el objetivo de proteger la salud humana y el medio ambiente, al tiempo que anima a las empresas a utilizar las sustancias químicas de forma más responsable.

12. Cumplimiento de estándares

• Norma de seguridad UL 248-1 de Underwriters Laboratories Inc.
• IEC 60269 (GB13539) – Fusibles de baja tensión:
• IEC 60947 (GB14048) – Aparatos de control y conmutación de baja tensión:
• IEC 60947-3 (GB14048-3): interruptores, seccionadores, interruptores-seccionadores y unidades combinadas de fusibles
• IEC 61818 – Guía de aplicación para fusibles de baja tensión:
• IEC 61459 – Coordinación entre fusibles y contactores/arrancadores de motores:

Análisis de modos de fallo comunes de los fusibles

1. Selección de voltaje nominal subdimensionado, la inductancia del circuito excede las condiciones de prueba estándar: si el voltaje de interrupción del circuito es mayor que el voltaje nominal del fusible o si la inductancia excede las condiciones de prueba estándar, el fusible puede no interrumpir de manera confiable, lo que provoca una explosión y un arco eléctrico.
2. Selección de corriente nominal de tamaño insuficiente: una corriente nominal insuficiente puede provocar que el fusible se queme o reduzca su vida útil debido al calentamiento y las corrientes de impacto en el circuito.
3. Selección de corriente nominal sobredimensionada: si el fusible está sobredimensionado para ciertas sobrecorrientes, puede no funcionar o funcionar muy lentamente, lo que provoca daños a otros componentes.
4. Sobrecorriente < Rango de protección parcial tipo “a”: Es posible que el fusible no se funda de manera confiable ante sobrecorrientes dentro del rango de protección parcial tipo “a”.
5. Una instalación incorrecta o una alta resistencia de contacto pueden provocar sobrecalentamiento y daños.
6. Las perturbaciones mecánicas que excedan los estándares de diseño del fusible pueden dañar o comprometer las condiciones operativas del fusible.
7. La corriente de cortocircuito real excede ampliamente la capacidad de interrupción nominal del fusible: es posible que el fusible no interrumpa de manera confiable la corriente de cortocircuito.
8. La distancia de instalación entre los fusibles es demasiado pequeña o la influencia de otros componentes de calefacción impide una disipación de calor razonable y acorta la vida útil;

Recomendaciones para evitar fallas de fusibles y garantizar una protección confiable del sistema

1. Selección: Proporciona parámetros de funcionamiento del circuito precisos para ayudar en la selección adecuada de fusibles para una protección eficaz.
2. Elija fabricantes de calidad: seleccione fabricantes con materiales de alta calidad, calidad de proceso, inspecciones exhaustivas y consistencia en el cumplimiento de los requisitos.
3. Pruebas de productos y pruebas de aplicaciones: realizar pruebas exhaustivas de los productos y sus aplicaciones para garantizar la confiabilidad.