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

Question

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

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

Hace poco, este fusible saltó. No hubo ningún cambio en la línea, ni un uso anormal o excesivo del solenoide, ni nada fuera de lo normal. Simplemente se fundió. He sustituido el fusible por otro idéntico y el solenoide funciona tan bien como antes de que se fundiera el fusible.

He medido la corriente para intentar averiguar por qué se ha fundido, y he descubierto que el solenoide tira realmente de 530mA. Dejé que el solenoide siguiera tirando de esa cantidad durante más de 20 minutos, y el fusible aguantó.

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

Answer 1

Diseño de fusibles

Mirando esto hoja de datos para los fusibles rápidos de 5x20mm de ESKA, se encuentra una tabla con los "límites de tiempo de precarga" en la parte inferior. Para un fusible de 500mA, dice:

 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 funda a 530mA en 20min.

Envejecimiento del fusible en condiciones constantes

Por otro lado, es extraño que el fusible SÍ se haya fundido. Una vez vimos el mismo comportamiento extraño e hicimos una prueba. Teníamos cuatro fusibles de 1A en serie, cada uno con un diodo en paralelo. Esto se conectó a una fuente de corriente constante de 1A, y se monitorizó la caída de tensión sobre cada fusible. Mientras los fusibles estaban bien, la caída de tensión era muy inferior a 0,7V, y toda la corriente pasaba por los fusibles. Un fusible fundido se indicaría con una caída de tensión de unos 0,7V:

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

Pusimos cinco de estos conjuntos equipados con mechas de diferentes fabricantes y lotes en un horno con una temperatura constante de 85°C para añadir algo de tensión y obtuvimos este resultado bastante interesante:

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

• El conjunto 1 tiene una gran dispersión en la caída de tensión y el primer fusible comienza a aumentar la caída de tensión al décimo día y finalmente se quemó 15 días después (!)
• El conjunto 3 es un lote diferente del mismo fabricante. Ha tardado más, pero el resultado es el mismo.
• El set 4 comenzó con una gran caída de tensión, pero pareció asentarse en algún lugar.
• El conjunto 2 comienza con una caída baja y la pendiente empieza a aumentar en el día ~25-30
• El conjunto 5 tiene una caída de tensión superior y una dispersión de partes 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 de un periodo más largo, pero tengo que buscarlos)

Aquí también hay una foto de los fusibles:

De izquierda a derecha:

• Nuevo y sin usar
• Después de algún tiempo en uno de nuestros dispositivos que a menudo se quemó fusibles, ya tiene un ligero tono amarillo.
• Todavía funciona el fusible, mucha oxidación negra visible
• fusible fundido, parece que se fundió relativamente rápido.
• Otro fusible quemado. Parece que tardó mucho en fundirse.

Envejecimiento del fusible por conmutación de cargas

El cable del fusible se calienta y se expande cuando fluye la corriente. A altas temperaturas, puede producirse una oxidación que debilita el cable mecánicamente, y también eléctricamente. Al conectar y desconectar una carga, el cable se dobla cada vez. Esta tensión puede provocar un fusible fundido en algún momento, incluso cuando la corriente nunca ha superado el umbral.

Mal diseño del circuito

Por supuesto, como estás escribiendo 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, un fusible no está ahí para proteger el dispositivo en primer lugar, sino para proteger la fuente o para evitar más daños, por ejemplo, por un incendio.

Según los fabricantes, lo mejor es utilizar un fusible con una capacidad de 1,5-2 veces la corriente máxima prevista, aunque un fusible con una capacidad demasiado alta puede no fundirse cuando deba hacerlo.

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

Answer 2

El valor nominal de un fusible es la cantidad de corriente que soportará indefinidamente sin soplando. Para garantizarlo, la mayoría de los fusibles no se funden hasta que la corriente se eleva a 2 veces o más de su valor nominal. De hecho, si mira la hoja de datos de un fusible, normalmente habrá un gráfico que relaciona el tiempo de fusión con el porcentaje de (sobre)carga. La mayoría de estos gráficos llegan a un tiempo infinito para fundir en algún punto cercano al 200% de carga.

Si está poniendo entre 1× y 2× la corriente nominal del fusible a través de él, se encuentra en una zona gris en la que puede o no explotar, o simplemente puede debilitarse con el tiempo, lo que eventualmente conduce a un umbral más bajo de explosión.

También hay otras cosas específicas de los solenoides que podrían causar un fallo de este tipo. En un nivel simplista, se puede pensar en un solenoide como un inductor, y su resistencia de CC limita su corriente en estado estacionario. Sin embargo, cuando el émbolo se mueve realmente, la inductancia cambia, y esto crea un aumento extra de corriente cada vez que se acciona. Si algo en la carga mecánica hace que la operación sea algo más lenta de lo normal, esta sobrecarga durará más, y podría fundir su fusible.

Por ello, los fusibles de acción lenta se utilizan normalmente con cargas que tienen sobretensiones de arranque. También es la razón por la que se debe utilizar una salida de PLC que esté preparada para soportar la sobretensión.

Answer 3

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 su lugar, con corrientes un poco alrededor o por debajo de la nominal, el tiempo irá a algún número grande de horas, digamos 1000 a 10.000. Y si la corriente no está 'encendida' en todo momento, como probablemente en tu caso, 3 años es un tiempo 'largo' razonable para fundir.

Otra forma de verlo: un fusible es como una bombilla, del tipo antiguo con un filamento caliente. Aunque está muy caliente, tarda unas sorprendentes 1000 horas en fundirse. E incluso a baja tensión, quemando menos, no se encenderá "para siempre".

Para respaldar mi argumento, he aquí un diagrama de tiempo del fusible arbitrario , encontrada con google. Muestra una línea bastante recta en escala logarítmica a lo largo de 5 décadas, de 0,01 s a 1000 s. De 1000 s a 3 años son otras 5 décadas.

Como otro argumento más: He visto fundir fusibles después de 25 años de servicio. Una vez, más o menos en 2010, sustituí un fusible principal del hogar fundido mientras estaba en Irán y descubrí una moneda de antes de la Revolución (1979). (No me lo estoy inventando) Sin una aparente sobrecarga o cortocircuito.

Answer 4

Es un error común pensar que un fusible debe fundirse inmediatamente ("fundirse") con su corriente nominal.

Un fusible se utiliza para proteger su cableado de provocar un incendio en caso de corrientes excesivas, y/o para proteger contra la electrocución en caso de fallo de aislamiento. Un fusible puede funcionar junto con la toma de tierra, provocando una elevada corriente de cortocircuito en caso de un pequeño fallo de aislamiento. En el caso óptimo, el fusible se fundirá muy rápido debido a la elevada corriente de cortocircuito.

Se sabe que los fusibles son difíciles de calificar para proteger contra el sobrecalentamiento de su cableado en caso de que las corrientes sean sólo ligeramente superiores a las diseñadas. Por eso los ingenieros eléctricos necesitan esos complicados gráficos de fusibles.

Observando esos gráficos (por ejemplo, vea mi otra respuesta) verá que un fusible de 100 A tardará varios segundos en fundirse con una corriente de 10 veces ese valor. Esto explicará tu pregunta de por qué tu fusible de 500 mA "no se funde" con una carga de 530 mA. No, no se fundirá de inmediato, sino que podrá fundirse en algún momento posterior. Un fusible de X amperios no es por sí mismo muy útil para una carga que nominalmente consume X amperios. Por ejemplo, en mi casa puedo encender una lámpara de, digamos, 10 vatios, mientras que la instalación tiene un fusible de 16 amperios (a 230 voltios de CA).