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El fusible que tiene algo de ruido

Algunos de los grandes científicos de la historia están inequívocamente vinculados con nuestro trabajo de ingeniería en el banco de laboratorio. A George Ohm, un físico alemán, se le tiene en buen recuerdo mientras manejamos resistencias. Del mismo modo, el científico inglés Michael Faraday cuando seleccionamos nuestros condensadores, y el científico estadounidense Joseph Henry al dimensionar inductores. Y si bien el siglo XIX sonrió amablemente sobre estos tres componentes eléctricos centrales, parece que el interés disminuyó cuando alguien llegó a cuantificar las características del humilde fusible.

Si busca proponer a alguien a quien honrar con el desarrollo del fusible simple, cuyo nombre proviene del latín fusus (derretido), probablemente debería ser Arthur C. Cockburn. Aunque parte de su precisión experimental fue burlada por la recién formada Society of Telegraph Engineers (Sociedad de Ingenieros de Telégrafos) de Londres en su reunión de 1888, que mostró un esfuerzo para determinar científicamente los factores que se unieron para crear un fusible fiable. Su trabajo determinó que deberían clasificarse para fundirse en alrededor del 150% al 200% de la corriente nominal del circuito que se protege. Dado que los trabajadores de telégrafos debían protegerse de las huelgas de alumbrado y la iluminación eléctrica en su infancia, el fusible se estaba convirtiendo en un componente crítico de seguridad para una industria incipiente.

Fusibles: lo que pueden hacer y lo que les falta

Los fusibles son dispositivos de sacrificio basados en una sección delgada de alambre que está diseñada para fundirse y, por lo tanto, detener el flujo de corriente, en caso de que se proteja un flujo de corriente excesivo hacia la aplicación. La mayoría de los ingenieros eléctricos cuyas carreras han durado más de una década tienen fusibles a los que agradecer parte de esa longevidad. Los fusibles, a diferencia de sus componentes compañeros de dimensión única, se dimensionan de acuerdo con dos unidades: corriente y tiempo. El límite de corriente define el límite superior del flujo de corriente permitido antes de que el fusible se sacrifique. El elemento de tiempo permite acomodar sobretensiones de corriente que ocurren naturalmente más allá del límite de corriente especificado, como ocurre a menudo durante la entrada de corriente cuando se activa un producto. La parte sacrificada es el problema clave detrás de los fusibles, lo que significa que, cuando se funde un fusible, alguien, como un técnico de mantenimiento, deberá verificar el motivo del fundido y luego reemplazarlo si es seguro hacerlo. Esto lleva mucho tiempo, provoca demoras y, a veces, es un desafío y es costoso dependiendo de cómo se integre el fusible y de la accesibilidad del equipo.

A menudo, se produce una situación de sobrecorriente debido a un error del usuario, como un cortocircuito al insertar un dispositivo USB defectuoso en una PC u ordenador portátil. En lugar de usar un dispositivo de sacrificio, las fuentes de alimentación para tales dispositivos a menudo utilizan dispositivos de coeficiente de temperatura positivo polimérico (PPTC). Un tipo de resistencia de baja resistencia, su resistencia aumenta rápidamente gracias al calentamiento durante las condiciones de flujo de corriente excesivas de un fallo, lo que restringe esencialmente el flujo de corriente. Una vez que se ha eliminado el fallo, el dispositivo se enfría volviendo a su baja resistencia original. En el mundo actual de productos eléctricos generalmente seguros, los PPTC brindan protección sin requerir que un técnico de servicio los haga funcionar nuevamente después de la causa más probable del fallo, el error del usuario. Cabe señalar que ninguno de los dispositivos es particularmente rápido en la ejecución de su función de protección. Los fusibles generalmente requieren un segundo para explotar, mientras que los PPTC responden más rápido, pero pueden necesitar segundos para alcanzar su restricción de corriente completa. Mientras los fusibles desconectan los electrodomésticos de la alimentación, los PPTC aún permiten que fluya una pequeña corriente incluso una vez que se disparó. Ambos dispositivos también dependen de la temperatura ambiente de funcionamiento, por lo que una reducción en las temperaturas de funcionamiento más altas debe tenerse en cuenta en el diseño.

Introduciendo el fusible inteligente

La tecnología de semiconductores se ha utilizado para mejorar o reemplazar una variedad de componentes durante las últimas décadas y, más recientemente, los eFuses han continuado esa tendencia al reemplazar los fusibles y los PPTC. Las placas base de los ordenadores, específicamente las PCB que soportan discos duros SATA o puertos USB, se benefician de la protección mejorada que proporcionan los eFuses y la capacidad de restablecerlos una vez que el fallo se ha eliminado mediante una interfaz lógica simple. Los eFuses hacen uso de procesos avanzados de silicio que implementan interruptores MOSFET de baja resistencia, proporcionando baja pérdida de corriente cuando la electricidad fluye. Los comparadores analógicos integrados son capaces de monitorizar con precisión el flujo de corriente, reaccionando en marcos de tiempo de sub-microsegundos para cortar completamente el suministro. Junto con un procesador host, se puede tomar una decisión sobre la causa del fallo y cuándo restablecer eléctricamente la energía a través de la interfaz del eFuse. Al ser un producto de silicio, por supuesto, ofrece una gama de características útiles. La monitorización de sobretemperatura, la sujeción de sobretensión, el bloqueo de subtensión y la protección de corriente inversa son solo algunos de los extras valiosos que ofrecen estos nuevos dispositivos.

Integrando la tecnología eFuse

Por supuesto, cualquier aplicación que proporcione energía a submódulos adicionales instalados por el usuario, como sondas de osciloscopio con alimentación o controladores lógicos programables (PLC), puede beneficiarse de la tecnología eFuse. Soluciones como la serie TCKE8xxx de Toshiba se integran fácilmente gracias a su encapsulado compacto WSON10B de 3.0 x 3.0 x 0.7 mm (figura 1). Los dispositivos ofrecen una corriente de disparo por cortocircuito de 5.0 A con una precisión de ± 11%, a la vez que proporcionan una respuesta de reintento automático o enganchada según el dispositivo seleccionado. Gracias al comparador de disparo rápido integrado, los dispositivos eliminan la energía en condiciones de fallo dentro de 150 ns. La serie también está certificada según IEC 62368, lo que facilita significativamente el camino para aquellos que buscan cumplir con los modos de fallo de una sola unidad.La resistencia de encendido (RON) del interruptor integrado es de 28 mΩ altamente respetables, mientras que la velocidad de respuesta, para controlar la corriente de entrada, y el bloqueo de bajo voltaje se puede configurar con componentes externos.

La monitorización de temperatura interna también brinda protección y, una vez que se alcanzan los 160°C, apaga automáticamente la salida. Dependiendo del eFuse elegido, esta protección puede bloquearse, lo que requiere un reinicio a través del pin de habilitación EN, o el interruptor volverá a conectar la alimentación una vez que se haya enfriado a unos 20°C. La sujeción de sobretensión ofrecida está determinada por el dispositivo preciso elegido. Un eFuse proporciona una solución perfecta y compacta en cargadores USB y paquetes de baterías, protegiendo la salida de carga (figura 2). El TCKE805NL proporciona el ajuste óptimo que ofrece protección bloqueada junto con una abrazadera de sobretensión fija en 6.04 V. Una resistencia de 75kΩ conectada a ILIM sirve para limitar la corriente a 1.5 A, mientras que un condensador de 2 nF proporciona un tiempo de rampa de encendido de 4 ms. Los condensadores de entrada y salida de 1.0 μF ubicados cerca de los pines VIN y OUT reducen la sobretensión y la subtensión de voltaje durante cambios repentinos en el consumo de corriente. Si es necesario, también se puede integrar un FET de canal N para proteger contra corrientes inversas.

Resumen

De alguna manera parece una lástima que el humilde fusible nunca haya alcanzado el mismo estado que sus compañeros componentes eléctricos a pesar de haber sido estudiado científicamente en el mismo período de tiempo. Por supuesto, los fusibles y los PPTC han sido una parte esencial de nuestras herramientas de seguridad durante muchos años. Sin embargo, el tipo de protección requerida hoy en día es a menudo contra fallos inducidos por humanos en lugar de fallos completos del sistema. Los eFuses configurables brindan a las aplicaciones una protección fiable pero reiniciable, lo que ayuda a ampliar la vida útil de las aplicaciones y, en muchos casos, reduce la necesidad de asistencia de un técnico.



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