4.6: Limitación de corriente - Fusibles y disyuntores

La mayoría de los dispositivos eléctricos y electrónicos están diseñados para funcionar con una fuente de voltaje constante. Los ejemplos incluyen dispositivos alimentados por batería y los numerosos elementos que se conectan a sistemas eléctricos residenciales y comerciales estándar (por ejemplo, el sistema de 120 VCA en América del Norte). Como tal, las conexiones paralelas son ideales cuando se va a alimentar un número variable de dispositivos porque, a diferencia de una conexión en serie, cada dispositivo verá el mismo voltaje en lugar de tener ese voltaje dividido entre ellos. Hay otra ventaja en una conexión paralela. Considere los dos esquemas de iluminación presentados en la Figura 4.6.1 ; uno utilizando una configuración en serie y el otro una configuración paralela.

Figura 4.6.1 : Conexiones de lámpara: Serie (izquierda) y paralela (derecha).

Por lo general, cuando una lámpara falla, falla creando una abertura. Si alguna de las lámparas de la conexión en serie falla, la corriente en el bucle se interrumpe y todas las lámparas se apagan. En contraste, si una de las lámparas en la conexión paralela falla, las luces restantes permanecerán encendidas. Además, en la conexión en serie, no hay forma inmediata de determinar qué lámpara ha fallado ya que ninguna de ellas se encenderá. Cada lámpara tiene que ser probada a su vez para determinar la unidad defectuosa. En el sistema paralelo, es obvio qué lámpara ha fallado porque esa es la que está apagada.

En un entorno hogareño, escolar o comercial, cualquier número de dispositivos pueden ser enchufados a tomas de pared con la expectativa de que cada unidad reciba el mismo voltaje y opere correctamente debido a la naturaleza paralela del sistema. Por conveniente que sea esto, existe un problema práctico. Cada dispositivo que se agrega al sistema presenta otra ruta para el flujo de corriente. Debido a KCL, esto significa que la corriente total extraída de la fuente debe aumentar. Esto crea un problema potencial porque si se consume demasiada corriente, puede haber una caída de voltaje apreciable a través de los cables que alimentan las salidas, ya que ya no se puede suponer que sean cero ohmios. Este voltaje reducido puede presentar un problema para los dispositivos conectados, pero lo que es más importante, la gran corriente da como resultado un calentamiento inesperado de los cables debido a la disipación de potencia en ellos (I\(^2\) R) y crea un posible peligro de incendio. En consecuencia, debemos incluir algún método para limitar la corriente a un valor máximo seguro.

Mientras que algunos sistemas electrónicos utilizan esquemas de limitación de corriente activa ¹, el enfoque más común es un fusible o disyuntor. Estos dispositivos se colocan entre la fuente de voltaje y las diversas cargas, y ven su corriente combinada. Si esta corriente se vuelve demasiado grande, el dispositivo interrumpe el flujo de corriente abriendo el circuito. Nada va a operar pero nada se incendia, tampoco. Los fusibles se utilizan típicamente en sistemas electrónicos, motores, subsistemas automotrices y similares. Una matriz de varios tipos de fusibles se muestra en la Figura 4.6.2 . Ya sean del tipo cilíndrico que se encuentra en la instrumentación electrónica o del tipo de cuchilla común en los automóviles, los fusibles son dispositivos de un solo disparo. Consisten en un alambre fino o enlace metálico que se calentará y derretirá si experimenta una corriente demasiado alta. Al fundirse, se pierde la continuidad del circuito y se detiene el flujo de corriente. Esto se llama fusible “fundido”. Entonces será necesario reemplazar el fusible una vez que se haya solucionado el problema (es decir, lo que sea que causó que fluyera una corriente excesiva en primer lugar).

Figura 4.6.2 : Varios estilos de fusibles.

Los fusibles tienen una corriente nominal nominal, por ejemplo, dos amperios. Esto no quiere decir que en cuanto se alcanzan los dos amperios, se funde el fusible. Tomará algún tiempo para que el fusible se caliente. Cuanto mayor sea la corriente por encima de la clasificación nominal, más rápido se fundirá el fusible. Por ejemplo, podría tomar este fusible nominal de dos amperios varios segundos antes de que explote si la corriente es, digamos, 2.5 amperios, pero menos de un segundo si la corriente es de cinco amperios. Los fusibles también están disponibles en formas de soplado rápido y soplado lento. Los fusibles de soplado rápido se activarán muchas veces más rápido que los fusibles estándar, mientras que los tipos de soplado lento requerirán mucho tiempo para activarse (esto evita que el fusible se active accidentalmente con ciertos tipos de cargas que exhiben una alta corriente de arranque inicial pero que vuelve a un nivel más modesto una vez que funcionan sin problemas , como un motor). Los símbolos esquemáticos para el fusible se muestran en la Figura 4.6.3 . Los dos superiores son estándar IEC y la versión inferior es el estándar ANSI (North American).

Figura 4.6.3 : Símbolos esquemáticos para fusibles: IEC (superior y medio), ANSI (abajo).

Los fusibles son generalmente económicos y efectivos. La desventaja obvia de un fusible es que necesitan ser reemplazados una vez que hacen su trabajo. Un disyuntor resuelve este problema. Un disyuntor, o simplemente un disyuntor para abreviar, se puede considerar como un fusible reiniciable. Los interruptores no tienen un enlace de fusión que interrumpa el flujo de corriente. En cambio, un interruptor funciona como un interruptor inteligente: si la corriente es demasiado grande, el interruptor se abre. El operador puede entonces solucionar el problema y reiniciar el interruptor (es decir, devolver el interruptor a la posición de funcionamiento). Una selección de interruptores se muestra en la Figura 4.6.4 . Los disyuntores están disponibles en una variedad de tamaños. Para el cableado residencial, los tamaños de 15 y 20 amperios son comunes para uso general, aunque están disponibles tamaños más altos como 30 y 50 amperios para circuitos que alimentan electrodomésticos de alta potencia como estufas eléctricas, calentadores de agua y secadoras de ropa.

Figura 4.6.4 : Disyuntores residenciales con vista recortada.

Referencias

¹ Para más detalles, consulte Fiore, J., Dispositivos Semiconductores así como Amplificadores Operacionales y Circuitos Integrados Lineales, ambos títulos REA.