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

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

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

Recientemente, este fusible explotó. No hubo cambios en la línea, no hubo un uso anormal o excesivo del solenoide, y nada fuera de lo común. Simplemente explotó. Reemplacé el fusible por uno idéntico, y el solenoide funciona igual de bien que antes de que se fundiera el fusible.

Medí la corriente para tratar de averiguar por qué explotó, y descubrí que el solenoide en realidad está tirando de 530 mA. Dejé que el solenoide continuara tirando tanto durante más de 20 minutos, y el fusible se mantuvo.

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

CaptJak
fuente
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La temperatura ambiental tiene un efecto; si es más cálido, entonces la probabilidad de que el fusible se queme (algo) aumenta.
Daniel Griscom
Gracias, estaba al tanto de ese hecho originalmente, y afortunadamente el fusible estaba en una habitación 65-70 (F) y se ha mantenido así.
CaptJak
@DanielGriscom, por el contrario, las piezas mecánicas a menudo se vuelven más rígidas en el frío. Dependiendo de lo que esté conduciendo el solenoide y si hay algún comentario para un voltaje de retención reducido, podría estar funcionando por más tiempo de lo normal. OK, no suena así en este caso específico, pero esto podría implementarse con un interruptor conectado al solenoide.
Chris H
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Exceder la corriente nominal conduce al envejecimiento prematuro. Incluso si el nuevo fusible no se fundió en 20 minutos, no durará tanto como se espera.
Dmitry Grigoryev
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No piense en un fusible como un limitador de corriente. Piense en ello como una protección contra fallas catastróficas. Está allí para evitar que las sobretensiones y fallas cortas se conviertan en incendios, no para proteger una fuente de alimentación ligeramente sobrecargada.
Passerby

Respuestas:

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La clasificación de un fusible es la cantidad de corriente que transportará indefinidamente sin explotar. Para garantizar esto, la mayoría de los fusibles no se fundirán hasta que la corriente aumente a 2 × o más de su capacidad nominal. De hecho, si mira la hoja de datos de un fusible, generalmente habrá un cuadro que relaciona el tiempo de soplado con el porcentaje (sobre) de carga. La mayoría de estos gráficos se elevan al tiempo infinito para volar en algún lugar cerca del 200% de carga.

Si está colocando entre 1 × y 2 × la clasificación actual del fusible a través de él, se encuentra en un área gris en la que puede explotar o no, o puede debilitarse con el tiempo, lo que eventualmente conduce a un umbral inferior para soplar.

Hay otras cosas específicas de los solenoides que también podrían causar tal falla. En un nivel simplista, puede pensar en un solenoide como un inductor, y su resistencia de CC limita su corriente de estado estable. Sin embargo, cuando el émbolo se está moviendo, la inductancia está cambiando y esto crea un aumento adicional de corriente cada vez que lo opera. Si algo en la carga mecánica hace que la operación sea un poco más lenta de lo normal, esta sobretensión durará más tiempo y podría dañar su fusible.

Esta es la razón por la cual los fusibles de fundición lenta se usan normalmente con cargas que tienen sobretensiones de arranque. También es la razón por la que debe usar una salida PLC que esté clasificada para manejar la sobretensión.

Dave Tweed
fuente
Gracias. El PLC que tengo está calificado para manejar la sobretensión (1A constante, y hasta 2A cada 10 ms), simplemente no fui yo quien diseñó el sistema. ¿Se recomendaría reemplazar el fusible de 500mA de acción rápida con un 500mA de acción lenta? ¿O debería reemplazarlo con un fusible de acción rápida de mayor potencia?
CaptJak
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Me inclinaría a usar un fusible de 1A, que es una buena combinación para la clasificación de la salida del PLC.
Dave Tweed
@DaveTweed, pero como notará, un fusible de 1 A podría transportar hasta 2 A por tiempo indefinido, lo que estaría fuera de la clasificación de sobretensión de 1 A máx / 2 A del PLC, ¿no?
nekomatic
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@nekomatic: No. Como dije, el rango entre 1x y 2x es un área gris, que protege el margen de error de prueba y las tolerancias de producción para el fabricante. La única garantía de tiempo infinito es la calificación real.
Dave Tweed
@DaveTweed 'indefinido', no 'infinito'. Creo que eso significa casi lo mismo que 'área gris'. Me parece que un fusible de 1 A podría permitir que la salida del PLC se sobrecargue durante un período prolongado de tiempo.
nekomatic
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Diseño de fusibles

Mirando esta hoja de datos para fusibles rápidos de 5x20 mm de ESKA, encontrará una tabla con "límites de tiempo de prearco" en la parte inferior. Para un fusible de 500 mA, indica:

 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 funde a 530 mA en 20 minutos.

Envejecimiento de fusibles en condiciones constantes

Por otro lado, es extraño que el fusible se haya fundido. Una vez vimos el mismo comportamiento extraño e hicimos una prueba. Teníamos cuatro fusibles 1A en serie, cada uno con un diodo en paralelo. Esto se conectó a una fuente de corriente constante de 1A, y se monitoreó la caída de voltaje sobre cada fusible. Mientras los fusibles estuvieran bien, la caída de voltaje estaba muy por debajo de 0.7V, y toda la corriente pasaba por los fusibles. Un fusible quemado estaría indicado por una caída de voltaje de aproximadamente 0.7V:

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Pusimos cinco de estos juegos equipados con fusibles de diferentes fabricantes y lotes en un horno con una temperatura constante de 85 ° C para agregar algo de estrés y obtuvimos este resultado bastante interesante:

ingrese la descripción de la imagen aquí

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

  • El conjunto 1 tiene una alta dispersión en la caída de voltaje y el primer fusible comienza a aumentar la caída de voltaje en el día 10 y finalmente explotó 15 días después (!)
  • El conjunto 3 es un lote diferente del mismo fabricante. Tomó más tiempo, pero el resultado es el mismo.
  • El set 4 comenzó con una caída de alto voltaje, pero pareció asentarse en algún lugar.
  • El conjunto 2 comienza con una caída baja y la pendiente comienza a aumentar en el día ~ 25-30
  • El conjunto 5 tiene una caída de voltaje pequeña superior y una extensión de parte 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 para un período más largo, pero necesito buscarlos)

Aquí también hay una imagen de los fusibles:

ingrese la descripción de la imagen aquí

De izquierda a derecha:

  • Nuevo y sin usar
  • Después de algún tiempo en uno de nuestros dispositivos que a menudo apagaba los fusibles, ya tiene un ligero tono amarillo.
  • Aún funciona el fusible, se ve mucha oxidación negra
  • fusible quemado, parece que explotó relativamente rápido.
  • Otro fusible quemado. Parece que tomó muuuucho tiempo para soplar.

Fusible envejecido cambiando cargas

El cable del fusible se calienta y se expande cuando fluye la corriente. A altas temperaturas, puede ocurrir oxidación, lo que debilita el cable mecánicamente, y también puede ser eléctrico. Encender / apagar una carga significa que el cable se dobla cada vez. Este estrés puede causar un fusible quemado en algún momento, incluso cuando la corriente nunca excedió el umbral.

Mal diseño del circuito

Por supuesto, mientras escribe 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, no hay un fusible para proteger el dispositivo, sino para proteger la fuente o para evitar daños mayores, por ejemplo, por un incendio.

Los fabricantes dijeron que sería mejor usar un fusible con capacidad para 1.5-2 veces el máximo. corriente esperada, aunque un fusible con una clasificación demasiado alta puede no fundirse cuando debería.

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

Sweber
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Tiene sentido. La hoja de datos para el fusible muestra que puede durar 30-60 minutos al 150% de la capacidad nominal. La sala donde se guarda el fusible se mantiene alrededor de los 66 F, por lo que voy a ir con la edad y la naturaleza de una operación de solenoides como la causa. Los gráficos e ilustraciones fueron muy útiles.
CaptJak
¿Cuánto crees que se acelera el envejecimiento al usar 85 ° C? ¿Podría ser el factor común de 2 por 10 ° C (que sería del orden de 50 veces)?
Peter Mortensen
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Esa es una respuesta realmente excelente. Tenía un auto (Saab) que murió después de 10 años. El fusible del circuito de encendido se había distorsionado y abierto mientras parecía bueno. El elemento fusible se veía bien, aunque algo alargado, pero se derrumbó en polvo ante el toque más leve. Cambió un fusible del circuito de A / C (era invierno) y se puso en marcha.
WhatRoughBeast
@PeterMortensen probablemente no. Depende completamente de la energía de activación para la reacción. Esa regla general se basa en reacciones que tienen una tasa apreciable cercana a la temperatura ambiente, pero la tasa de degradación del fusible a temperatura ambiente es prácticamente insignificante. Si se conoce el proceso que conduce al envejecimiento, entonces su energía de activación podría usarse para obtener una dependencia precisa (hasta escala) de la temperatura.
Oleksandr R.
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@ Rev1.0 De hecho, la prueba se ejecutó al menos 100 días, simplemente no puedo encontrar los datos ... Probé esto en la universidad, el horno estaba libre y simplemente lo dejamos funcionar. De hecho, el proyecto es un poco más grande y los fusibles estaban fallando en dispositivos a los que no se podía acceder durante meses cuando estaban en funcionamiento. Si bien solo reemplazamos 1A por 1.6A, esta medición fue más o menos interesante para nosotros.
Sweber
1

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 cambio, con corrientes algo alrededor o por debajo de las nominales, el tiempo irá a un gran número de horas, digamos 1000 a 10,000. Y si la corriente no está "encendida" en todo momento, como probablemente en su caso, 3 años es un tiempo "largo" razonable para derretirse.

Otra forma de ver esto: un fusible es como una bombilla, el tipo antiguo con un filamento caliente. Aunque hace mucho calor, todavía se necesitan unas increíbles 1000 horas para derretirse. E incluso a bajo voltaje, quemando más bajo, no se encenderá 'para siempre'.

Para respaldar mi argumento, aquí hay un diagrama de tiempo de fusible arbitrario , que se encuentra con google. Muestra una línea bastante recta en escala logarítmica durante 5 décadas, de 0.01 sa 1000 s. De 1000 s a 3 años son otras 5 décadas.

Como otro argumento más: he visto fusibles fundidos después de 25 años de servicio. Una vez, alrededor de 2010, más o menos, ¡reemplacé un fusible principal quemado mientras estaba en Irán solo para descubrir una moneda de antes de la Revolución (1979)! (No estoy inventando esto) Sin una aparente sobrecarga o evento de cortocircuito.

Roland
fuente
Gracias. En primer lugar, estoy bastante seguro de que todos los que participan en este hilo saben que en realidad no es "para siempre", es solo figurativo por "indefinidamente / mucho tiempo". Segundo, ¿tiene algo que respalde su respuesta? Pruebas? ¿Fuentes de información? No creo que 3 años sea un tiempo razonable, especialmente teniendo en cuenta que tengo cientos (literalmente) de fusibles más antiguos que no se han fundido.
CaptJak
@CaptJak Agregué algunos datos concretos a mi respuesta. Acerca de sus fusibles: ¿todos estos llevan una corriente constante alrededor del valor nominal todo el tiempo? Si no, verá en los gráficos de muestra que con una carga de corriente más ligera (promedio) el tiempo de fusión aumentará significativamente.
Roland
Varía. Algunos de los fusibles (como el que explotó) solo transportan la corriente momentáneamente, mientras que otros son constantes. Algunos llevan menos de lo que están clasificados (250 mA) y otros llevan su clasificación o un poco más.
CaptJak
Y no dudo que eventualmente morirán. Pero tres años parecían demasiado pronto, especialmente teniendo en cuenta que era el único de muchos fusibles.
CaptJak
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Es una idea falsa común que se supone que un fusible se derrite de inmediato ("se apaga") a su corriente nominal.

Se utiliza un fusible para proteger su cableado de provocar un incendio en el caso de corrientes excesivas, y / o para proteger contra la electrocución en caso de falla de aislamiento. Un fusible puede funcionar junto con la conexión a tierra, causando una alta corriente de cortocircuito en caso de una falla de aislamiento menor. En el caso óptimo, el fusible se fundirá muy rápido debido a la alta corriente de cortocircuito.

Se sabe que los fusibles son difíciles de clasificar para proteger contra el sobrecalentamiento de su cableado en caso de corrientes que son solo marginalmente más altas que las diseñadas. Es por eso que los ingenieros eléctricos necesitan esos complicados gráficos de fusibles.

Si observa esos gráficos (por ejemplo, vea mi otra respuesta), verá que un fusible de 100 A tardará varios segundos en fundirse a una corriente de 10 veces ese valor. Esto explicará su pregunta de por qué su fusible de 500 mA 'no se funde' con una carga de 530 mA. No, no explotará de inmediato, pero puede / se fundirá en algún momento posterior. Un fusible de X Ampere no es por sí solo muy útil para una carga que nominalmente consume X Ampere. Por ejemplo, en mi casa podría encender una lámpara de unos 10 vatios, mientras que la instalación está fusionada con 16 amperios (a 230 voltios de corriente alterna).

Roland
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