Autores: Emilia Mance, Corporate Product Sales Manager Standard Products de Rutronik, y Turadj Aliabadi, Senior Marketing Manager for Discrete Semiconductor de Toshiba Electronics Europe
En la actualidad, los fusibles se usan menos para proteger ante fallos de sistema y más para salvaguardar ante fallos de usuario. Sin embargo, no sólo cambia la naturaleza de los fallos, los fusibles también han evolucionado. Los fusibles se basan en una sección delgada de cable que está diseñada para “derretirse” en caso de que fluya una corriente excesiva hacia la aplicación que se está protegiendo. Por lo tanto, detienen el flujo de corriente y salvaguardan la aplicación. Los fusibles se dimensionan según dos unidades: corriente y tiempo. El límite de corriente define el límite superior de flujo de corriente admisible antes de que el fusible se sacrifique. El elemento de tiempo permite acomodar picos de corriente que se producen normalmente más allá del límite especificado como, por ejemplo, los que ocurren a menudo durante la entrada de corriente cuando se enciende un producto.
El principal problema con los fusibles de este tipo es la parte de sacrificio: cuando se funde un fusible, un técnico de servicio, por ejemplo, necesitará comprobar el motivo por el que se fundió y reemplazarlo. Obviamente, esto lleva mucho tiempo y puede causar retrasos en el proceso. También puede ser un desafío y resultar costoso en función de cómo se integre el fusible y la accesibilidad del equipo. Hoy en día, una situación de sobrecarga se suele producir como consecuencia de un fallo de usuario, como un cortocircuito al insertar un dispositivo USB defectuoso en un PC u ordenador portátil. En lugar de utilizar fusibles, las fuentes de alimentación para tales dispositivos suelen hacer uso de componentes con coeficiente de temperatura positiva polimérico (PPTC). Se trata de una clase de resistencia de impedancia baja. Su resistencia aumenta rápidamente debido al calentamiento durante las condiciones de flujo de corriente excesivo causadas por un fallo, restringiendo así el flujo de corriente. Una vez que se ha eliminado el fallo, el fusible se enfría y, como consecuencia, vuelve a su baja resistencia original. Así es como los PPTC ofrecen protección, sin necesidad de un técnico de mantenimiento, y vuelvan a funcionar después de “explotar”.
No es la función de protección más rápida
Cabe destacar que ninguno de los dispositivos es particularmente rápido en la ejecución de su función de protección: por lo general, los fusibles necesitan un segundo para fundirse, en tanto que los PPTC responden más rápido, pero pueden tardar segundos para alcanzar su restricción de corriente completa. Y mientras que los fusibles desconectan completamente los aparatos de la fuente de alimentación, los PPTC todavía permiten que fluya una pequeña cantidad de corriente, incluso una vez disparados. Ambos tipos de fusible también dependen de la temperatura ambiente, por lo que en el diseño se debe tener en cuenta una “limitación” a las temperaturas operativas más altas.
El fusible rápido
La tecnología de semiconductores se ha usado para mejorar o sustituir una gran variedad de componentes durante las últimas décadas. Esto también se aplica a los fusibles. Los modelos electrónicos, también conocidos como eFuses, están reemplazando cada vez más a los fusibles y PPTC. Aportan mejoras en protección y poseen la capacidad de reiniciarse una vez que se ha eliminado el fallo mediante una interfaz lógica simple. Las placas base (mainboards) de un ordenador, especialmente las pistas que respaldan discos duros SATA o puertos USB, se benefician del aumento de protección.
Los eFuses hacen uso de procesos de silicio avanzados. Los interruptores de MOSFET de baja impedancia aseguran una baja pérdida de corriente cuando fluye la electricidad. Los comparadores analógicos integrados son capaces de monitorizar de manera precisa el flujo de corriente, reaccionando en menos de un microsegundo si fuera necesario cortar completamente el suministro. En combinación con un procesador host, se puede tomar una decisión sobre la causa del fallo y cuándo restaurar la corriente a través de la interfaz del fusible electrónico.
Siendo un producto de silicio, los eFuses proporcionan un buen número de otras funciones útiles, incluyendo monitorización de sobrecalentamiento, pinza de sobretensión, cierre de subtensión y protección de corriente inversa.
eFuses en uso
Cualquier aplicación que ofrece alimentación para los submódulos add–on, como las sondas de osciloscopio o los controladores lógicos programables (PLC), puede aprovechar la tecnología eFuse. Soluciones como la serie TCKE8xxx de Toshiba se integran fácilmente gracias a su encapsulado WSON10B compacto (3 × 3 × 0,7 mm). Los dispositivos suministran una corriente de disparo de cortocircuito de 5 A con una precisión de ±11 por ciento. Gracias al comparador de disparo rápido (fast–trip) integrado, los dispositivos eliminan la energía en condiciones de fallo en 150 ns. La serie también dota de la capacidad de elegir modelos con reintento automático o respuesta bloqueada. Las variantes auto–retry vuelven a conectar la energía automáticamente tan pronto como se enfrían (temperatura de alrededor de 68 °F o 20 °C), mientras que las versiones de respuesta bloqueada se cierran y tienen que reiniciarse vía un pin EN. La compatibilidad con el estándar IEC 62368 simplifica la certificación de todo el sistema para los clientes.
La resistencia (RON) del interruptor integrado es de 28 mΩ, en tanto que el efecto slew rate para controlar la corriente de entrada y el bloqueo de subtensión se pueden establecer empleando componentes externos. La monitorización de temperatura interna también ofrece protección y, una vez que se alcanza 320 °F (160 °C), cierra automáticamente la salida.
La Figura 2 muestra que este tipo de eFuse se puede utilizar para salvaguardar un zócalo de carga en cargadores USB y paquetes de batería. En este caso, el TCKE805NL proporciona el ajuste óptimo, ofreciendo protección de cierre con una pinza de sobretensión fijada a 6,04 V. Una resistencia de 75 kΩ conectada a un pin ILIM limita la corriente a 1,5 A, en tanto que un condensador de 2 nF ofrece un tiempo de rampa de encendido de 4 ms. Los condensadores de entrada y salida de 1 µF ubicados cerca de los pines VIN y OUT reducen el sobreimpulso (overshoot) y el subimpulso (undershoot) de tensión durante cambios repentinos en el consumo de corriente. Si fuera necesario, también se puede integrar un FET de canal-N para proteger ante las corrientes inversas.
Conclusión
Los fusibles y los PPTC han sido un elemento de seguridad esencial durante muchos años. Sin embargo, el tipo de protección requerido en la actualidad suele ser ante los fallos provocados por personas en lugar de ante fallos del sistema completo. Los eFuses configurables dotan a las aplicaciones de una protección fiable y reiniciable que ayuda a extender la vida útil de las aplicaciones y disminuir la necesidad de soporte de un técnico de servicio en muchos casos.
La historia del fusible
El físico alemán Georg Ohm nos viene a la mente al hablar de resistencias. Del mismo modo, nos acordamos del científico británico Michael Faraday al seleccionar condensadores y del físico estadounidense Joseph Henry al dimensionar inductores. Pero el interés en estos tres componentes eléctricos básicos estaba disminuyendo cuando la gente empezó a cuantificar las características del humilde fusible en el siglo XX.
El desarrollo de un simple fusible, cuyo nombre proviene de la palabra latina “fusus” (fundido), se remonta fundamentalmente a Arthur C. Cockburn. Aunque parte de sus experimentos fue objeto de burlas por parte de la recién formada Sociedad de Ingenieros Telegráficos de Londres en su reunión de 1888, hizo todo lo posible para determinar científicamente los factores que se combinan para crear un fusible fiable. El resultado de su trabajo fue el siguiente: un fusible debe estar clasificado para fundirse entre el 150 y el 200 por ciento de la corriente nominal del circuito que se está protegiendo. En ese momento, la iluminación eléctrica aún estaba en ciernes y, además, los trabajadores del telégrafo necesitaban protección contra los rayos. Por lo tanto, el fusible se convirtió así en un componente de seguridad esencial para esta industria incipiente.
