Eletrônica – Critérios de seleção para a proteção correta do fusível

ago, 2009

Edição 42, Julho de 2009

Por Thomas Hubmann

A proteção contra sobrecorrente dos circuitos raramente recebe a atenção necessária. A seleção dos fusíveis, se inadequada, pode conduzir a falhas no equipamento e na instalação, resultando em elevados custos de substituição e clientes descontentes. Este artigo técnico foca os critérios corretos para seleção de fusíveis e porta-fusíveis, além de fornecer auxílio para que se leve em consideração outros aspectos importantes.

A função de um fusível é interromper uma falha de corrente ou uma sobrecorrente antes que possam ocorrer graves danos, como o superaquecimento de um equipamento. Devido ao seu filamento, um fusível é particularmente adequado para uma confiável interrupção de curto-circuito. Com moderada sobrecorrente de até duas ou três vezes a corrente nominal, um fusível não é suficientemente preciso e, como tal, não tão bem apropriado. Outras medidas, tais como proteção eletrônica, elementos de sobrecargas térmicas ou fusíveis adicionais são necessárias.

 

Depois de ligado, seu funcionamento normal é explicado no ponto 1. Este ponto deve ser sempre levado em consideração. O ponto 2 é necessário apenas com cargas capacitivas quando em uma carga de capacitores, após ligados os contatos, houver um grande pico de corrente e onde a corrente nominal do fusível for ultrapassada por muitos múltiplos.

 

Fatos importantes no que dizem respeito à porta fusíveis são inseridos no ponto 3, em que a escolha correta do fusível e do porta-fusível é explicada.

Figura 1 – Curva de derivação de fusíveis SMD de ação retardada, modelo UMT 250

Ponto 1 – Operação normal depois de ligado

Em condições normais de funcionamento, um fusível é submetido às máximas corrente e temperatura de operação. Desse modo, uma ‘derivação’ da corrente nominal é necessária, uma vez que um fusível é raramente operado em 23°C. Por exemplo, analisemos um fusível SMD de ação retardada operado em 60°C. De acordo com a Figura 1, este precisa ter sua potência reduzida em 17%, ou seja, quando a corrente de operação é de 1A a 60°C, é necessário um arredondamento para cima, ou seja, um valor de fusível de 1,25 A (1 A/0,83).

Fusíveis podem ser dimensionados de acordo com a IEC 60127 ou UL 248-14. Com isso, as seguintes diferenças no que dizem respeito ao dimensionamento da corrente nominal devem ser observadas: fusíveis, de acordo com a IEC 60127, podem ser operados continuamente em 100% do valor nominal da corrente, diferentemente da UL 248-14, que considera apenas 75% do mesmo valor. Um fusível típico pela UL 248-14 apresenta período mínimo de quatro horas de funcionamento em corrente nominal (Tabela 1).

Tabela 1 – Tempo de pré-arco de um fusível com característica UL 248-14

O efeito do auto-aquecimento dos fusíveis de ação retardada é menor do que para os de ação rápida. Isto pode ser visto a partir de valores típicos de queda de tensão. Por exemplo, um fusível 2A de vidro 5×20 tem uma queda de tensão típica de 60 mV com ação retardada e 90 mV na versão de ação rápida. Esta diferença é evidenciada pelo elemento de fusível mais espesso (maior valor de fusão I2t, ver ponto 2), necessário para o tempo de retardo dos fusíveis. Pode ser notado que fusíveis são aquecidos pela corrente até uma determinada temperatura, sendo alcançado quando o filamento funde (abre) e interrompe o circuito. Assim como todas as medidas de arrefecimento – como ventilação e calor do coletor –, as grandes superfícies soldadas ou acumuladores de calor (Figura 2) alteraram o tempo/característica de corrente do fusível e podem ser evitadas.

Figura 2 – Fusíveis montados nos porta-fusíveis e colocados próximos entre si podem influenciar uns aos outros no tocante à temperatura

Ponto 2 – Picos de corrente

Picos de corrente (Figura 3) surgem por capacitores que são inicialmente carregados quando ligados. Estes pulsos podem ser múltiplos da corrente nominal do fusível, mas são, na maioria das vezes, de curta duração.

Figura 3 – Curva típica de início de um SMPS quando capacitores precisam ser carregados

 

A área abaixo da curva é chamada de integral de fusão ou valor de I2t. O valor de I2t é definido como a quantidade de energia necessária para aquecer e fundir o filamento ou elemento fusível. Geralmente, esta é uma curva exponencial com um valor de pico de Ip sobre um período de tempo chamado t, no qual o ponto de corrente atinge 37% do valor de pico. Como exemplo, vamos ver um fusível SMD de ação retardada modelo UMT 250, 1 A. O valor de I2t pode ser calculado pela seguinte fórmula usando uma corrente de pico Ip?= ?13? A e um ?t?=?6? ms:

I2tAplicação = 0,5*Ip 2*t

I2tAplicação = 0,5*(13 A)2*6 ms = 0,507 A2s

Além disso, o número de pulsos deve ser levado em consideração, assim como a vida do equipamento desde o começo do uso do fusível. Com dispositivos de ação retardada, um fator de 0,29 precisa ser utilizado para 10 mil pulsos (ver Quadro 2).

I2tmin_Fusível_T = I2tAplicação /F

I2tmin_Fusível_T = 0.507 A2s/0,29 = 1,748 A2s

Tabela 2 – Fatores para fusíveis de ação retardada e de ação rápida com diferentes números de pulsos

Para cada tipo de corrente nominal, o fabricante coloca um valor de integral de fusão no catálogo, por exemplo, com o fusível IEC SMD de ação retardada UMT ?250 (Tabela 3). A corrente nominal de 1?A do fusível tem um valor de I2t = 2,8SP A2s, ou seja, com uma sobrecorrente (curto-circuito) ou uma corrente de pico em excesso, o filamento funde e interrompe o circuito. No nosso exemplo, o valor de I2t do fusível (2,8SP A2s) é superior ao valor calculado (1,748SP A2s), isto é, a seleção estaria correta para esta aplicação.

Pulsos de corrente, quando ocorrem com frequência, causam fusão prematura. Isto pode levar, mais tarde, a falhas no campo, que devem ser evitadas com este cálculo. A fim de obter um valor elevado de I2t, fusíveis de ação retardada tem geralmente um filamento de estanho niquelado. Com o tempo, o estanho dilata no fio, o que leva a uma mudança na característica de tempo/corrente do fusível. Em geral, fusíveis de ação rápida são mais resistentes a impulsos do que os de ação retardada, mas fusíveis de ação retardada precisam ser utilizados devido à sua maior capacidade I2t do que os de ação rápida.

Ponto 3 – Combinação de fusíveis e porta-fusíveis

Os fusíveis 5x20SP mm são muito utilizados em aplicações industriais, uma vez que são facilmente encontrados no mercado e podem ser substituídos pelo cliente final ou por uma empresa prestadora de serviços. Em aplicações como estas, um porta-fusível é normalmente necessário e, para isso, os seguintes pontos precisam ser observados. O porta-fusível, por exemplo, precisa ser aprovado pela norma IEC 60127-6 e estar em cumprimento, entre outros requisitos, com a
potência nominal de aceitação (por exemplo, 2,5 W/10 A a 23°C), corrente nominal (por exemplo, 10 A) e tensão nominal (por exemplo, 250 V). Para porta-fusíveis aprovados pela UL 512 e CSAC22.2 no 39, somente a corrente nominal (por exemplo, 16 A) e tensão nominal (por exemplo, 250 V) são especificados.

A corrente com UL é normalmente superior do que a da IEC, devido às seguintes razões:

Figura 4 – Teste da IEC com fusíveis modelos

A IEC utiliza um fusível modelo, por exemplo, 40 m? = 4,0 W/(10 A)2. Este dispositivo modelo e a resistência de contato entre o fusível e o encaixe/contato geram calor. O porta-fusível deve suportar esta condição por 500 horas e as partes acessíveis não devem ultrapassar a temperatura de 85°C.

Figura 5 – Teste UL/CSA com tubo prata

A UL/CSA usa um tubo prata com ? 0?. Isso significa que o calor é produzido apenas pela resistência de contato entre o fusível e o encaixe/contato. Isto leva ao fato de que um porta-fusível sob condição da UL/CSA pode suportar uma corrente nominal maior do que sob a condição da IEC. Uma vez que todos os fusíveis têm seu próprio valor resistivo e deste modo é gerado calor, as considerações da IEC são mais próximas da realidade e devem ser levados em conta durante o dimensionamento. A UL/CSA testa apenas o porta-fusível, o que é insuficiente na prática.

A norma de fusíveis (IEC 60127-2-4) verifica as propriedades elétricas gerais como os tempos de mínimo/máximo de pré-arco. A norma para porta-fusíveis (IEC 60127-6) verifica as propriedades térmicas, como condições de temperatura da potência calculada e corrente durante um período de operação de 500 horas. Portanto, o cliente é obrigado a executar seus próprios cálculos e, para isso, a seguinte abordagem é bem experimentada e testada:

Por exemplo, esperamos ter uma corrente de operação de 5 A/60°C. Como resultado do aumento da temperatura no porta-fusível, a derivação, conforme descrito no ponto 1, deve também ser levada em consideração aqui. No caso, a derivação para normas de fusíveis é de cerca de 20%, isso significa um arredondamento da taxa de corrente de 6,3 A (5A/0,8).

A dissipação de potência do fusível é calculada com a corrente nominal e valor de queda típica da tensão (nível de tensão no fusível durante a corrente nominal), de acordo com o catálogo. Fusíveis cerâmicos, por exemplo, SPT 5 x 20, 6,3 A tem uma queda de tensão típica de 70 mV sob a corrente nominal.

PFuse = IN*UVoltageDrop_typ

PFuse = 6,3 A*70 mV = 441 mW

Com um porta-fusível, por exemplo, FPG1, com potência nominal de aceitação de 2,5 W/ 10 A, a recomendada curva de derivação, assim como mostrada na Figura 6 deve ser levada em conta. A 60 °C e uma corrente nominal de 5 A, a curva I? = SP<PPorta-fusível de 1,3 W.

Figura 6 – Curva de derivação de um porta-fusível protegido contra choque, como o FPG1

De acordo com a norma IEC, a resistência de contato RC entre o fusível e o contato é o máximo de 5 m?. A potência de dissipação pode ser calculada pela fórmula:

PContact = Rc * IN2

PContact = 5 mO * (6,3 A)2 = 198 mW

O correto dimensionamento pode ser verificado pela utilização da seguinte equação:

PPorta-fusível = 1,3 W

PFusível + PContato = 441 mW + 198 mW

PFusível + PContato = 639 mW

A associação correta é estabelecida quando:

PPorta-fusível > PFusível + PContato

E este é o caso do exemplo.

Os seguintes modos operacionais podem ser uma responsabilidade adicional para o porta-fusível e devem ser especialmente avaliados: mudanças nas cargas elétricas, operação contínua (> 500 horas) em correntes > 0,7*IN e os efeitos da ventilação, refrigeração, acumulação de calor, etc. Mesmo após considerar todos esses critérios na seleção, extensivos testes em piores condições são indispensáveis a fim de assegurar uma operação segura em equipamentos e instalações.

Thomas Hubmann é engenheiro eletricista e gerente de produto da Schurter AG

Comentários

Deixa uma mensagem

%d blogueiros gostam disto: