Por que meu fusível explodiu após mais de 3 anos sem problemas?

Por vários anos, eu tive um solenóide conectado à saída de 24VDC de um PLC (Rockewell Automation 1769-OB16 ).

Para proteger a placa de saída do PLC, um fusível de 500mA de ação rápida foi instalado entre o PLC e o solenóide. O fusível está funcionando sem problemas há muito tempo.

Recentemente, esse fusível explodiu. Não houve alterações na linha, nenhum uso anormal ou excessivo do solenóide e nada fora do comum. Apenas explodiu. Troquei o fusível por um idêntico, e o solenóide funciona tão bem quanto antes do fusível queimar.

Eu medi a corrente para tentar descobrir por que ela explodiu e descobri que o solenóide está realmente puxando 530mA. Deixei o solenóide continuar puxando muito por mais de 20 minutos, e o fusível segurou.

Por que o fusível não queima, mesmo que a carga esteja puxando mais do que o fusível está classificado? E por que explodir somente agora, depois de mais de 3 anos, e não antes?

A classificação de um fusível é a quantidade de corrente que ele carregará indefinidamente sem queimar. Para garantir isso, a maioria dos fusíveis não explodirá até que a corrente suba para 2 × ou mais da sua classificação. De fato, se você olhar para a folha de dados em busca de um fusível, geralmente haverá um gráfico que relaciona o tempo de descarga com a porcentagem (excesso) de carga. A maioria desses gráficos aumenta para um tempo infinito para atingir algo próximo de 200% da carga.

Se você colocar algo entre 1 × e 2 × a taxa atual do fusível através dele, você está em uma área cinzenta na qual ele pode ou não explodir, ou pode ficar mais fraco com o tempo, levando a uma limiar inferior para sopro.

Existem outras coisas específicas para os solenóides que também podem causar essa falha. Em um nível simplista, você pode pensar em um solenóide como um indutor, e sua resistência DC limita sua corrente de estado estacionário. No entanto, quando o êmbolo está realmente se movendo, a indutância está mudando, e isso cria um aumento extra de corrente toda vez que você o opera. Se algo na carga mecânica fizer com que a operação seja um pouco mais lenta que o normal, esse aumento durará mais e poderá queimar seu fusível.

É por isso que os fusíveis de sopro lento são normalmente usados ​​com cargas com surtos de inicialização. É também por isso que você deve usar uma saída de PLC classificada para lidar com o surto.

Design de fusíveis

Olhando para isso folha de dados para fusíveis rápidos de 5x20mm da ESKA, você encontra uma tabela com "limites de tempo de pré-arco" na parte inferior. Para um fusível de 500mA, ele afirma:

 2.1*500mA  =1050mA:         30min
 2.75*500mA =1375mA:     50ms-2s
 4*500mA    =2000mA:     10-300ms
10*500mA    =5000mA:         20ms

Portanto, é completamente dentro das especificações (deste fusível) que ele não queima a 530mA em 20min.

Envelhecimento por fusível sob condições constantes

Por outro lado, é estranho que o fusível tenha explodido. Certa vez, vimos o mesmo comportamento estranho e fizemos um teste. Tínhamos quatro fusíveis 1A em série, cada um com um diodo em paralelo. Isso foi conectado a uma fonte de corrente constante de 1A e a queda de tensão em cada fusível foi monitorada. Enquanto os fusíveis estavam OK, a queda de tensão estava muito abaixo de 0,7V e toda a corrente passava pelos fusíveis. Um fusível queimado seria indicado por uma queda de tensão de cerca de 0,7V:

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

Colocamos cinco desses conjuntos equipados com fusíveis de diferentes fabricantes e lotes em um forno a uma temperatura constante de 85 ° C para adicionar um pouco de estresse e obtivemos esse resultado bastante interessante:

Todos os fusíveis começaram a "envelhecer" imediatamente, como mostra a queda de tensão que aumenta lentamente.

• O conjunto 1 tem uma alta dispersão na queda de tensão e o primeiro fusível começa a aumentar a queda de tensão no dia 10 e finalmente queima 15 dias depois (!)
• O conjunto 3 é um lote diferente do mesmo fabricante. Demorou mais tempo, mas o resultado é o mesmo.
• O conjunto 4 começou com uma queda de alta tensão, mas pareceu se instalar em algum lugar.
• O conjunto 2 começa com uma queda baixa e a inclinação começa a aumentar no dia ~ 25 a 30
• O conjunto 5 possui uma queda de tensão pequena superior e um spread de peças muito pequeno, mas mesmo aqui a inclinação começa a aumentar muito lentamente por volta do dia 30. O preço desses fusíveis é 3x o preço do conjunto 1 e 3 ...

(Eu tenho dados por um período mais longo, mas preciso pesquisá-los)

Aqui também está uma imagem dos fusíveis:

Da esquerda para a direita:

• Novo e sem uso
• Depois de algum tempo em um de nossos dispositivos, que muitas vezes explodiu os fusíveis, já possui um leve tom amarelo.
• Fusível ainda funcionando, muita oxidação preta visível
• fusível queimado, parece que explodiu relativamente rápido.
• Outro fusível queimado. Parece que demorou demais para explodir.

Fusível envelhece alternando cargas

O fio do fusível esquenta e se expande quando a corrente flui. Em altas temperaturas, pode ocorrer oxidação, o que enfraquece o fio mecanicamente e também pode ser eletricamente. Ligar / desligar uma carga significa que o fio é dobrado a cada vez. Esse estresse pode causar um fusível queimado em algum momento, mesmo quando a corrente nunca excedeu o limite.

Projeto de circuito ruim

Obviamente, enquanto você escreve sobre um solenóide, é possível que haja pulsos curtos, mas grandes, através do fusível, que também o danificarão com o tempo.

Recomendação

Normalmente, não existe um fusível para proteger o dispositivo, mas para proteger a fonte ou evitar danos maiores, por exemplo, um incêndio.

Os fabricantes disseram que seria melhor usar um fusível classificado entre 1,5 e 2 vezes o máximo. corrente esperada, embora um fusível com classificação muito alta possa não queimar quando deveria.

No entanto, o envelhecimento ainda acontece e os fusíveis explodem de tempos em tempos sem motivo (externo).

Vi fusíveis derreterem curvas com o tempo contra a corrente, e essas curvas NÃO vão para o 'infinito'. O infinito não existe nos gráficos. Em vez disso, com correntes um pouco próximas ou abaixo da nominal, o tempo passará para um grande número de horas, digamos 1000 a 10.000. E se a corrente não estiver "ligada" o tempo todo, como provavelmente no seu caso, três anos é um tempo "longo" razoável para derreter.

Outra maneira de ver isso: um fusível é como uma lâmpada, o tipo antigo com um filamento quente. Embora muito quente, ainda leva algumas incríveis 1000 horas para derreter. E mesmo em subtensão, queimando mais baixo, não acenderá para sempre.

Para fazer backup do meu argumento, aqui está um diagrama de tempo de fusível arbitrário , encontrado no google. Ele mostra uma linha bastante reta em escala logarítmica ao longo de 5 décadas, de 0,01 sa 1000 s. De 1000 a 3 anos, são outras 5 décadas.

Como outro argumento: vi fusíveis queimarem após 25 anos de serviço. Certa vez, por volta de 2010, substituí um fusível principal doméstico queimado enquanto estava no Irã apenas para descobrir uma moeda anterior à Revolução (1979)! (Não estou inventando isso) Sem uma aparente sobrecarga ou evento de curto-circuito.

É um equívoco comum que um fusível derreta imediatamente ('golpe') na sua corrente nominal.

Um fusível é usado para proteger sua fiação de causar incêndio em caso de correntes excessivas e / ou para proteger contra eletrocussão em caso de falha de isolamento. Um fusível pode funcionar em conjunto com o aterramento, causando uma alta corrente de curto-circuito no caso de uma pequena falha de isolamento. No caso ideal, o fusível queimará muito rápido devido à alta corrente de curto-circuito.

Sabe-se que os fusíveis são difíceis de classificar para proteger contra superaquecimento de sua fiação no caso de correntes que são apenas ligeiramente superiores às projetadas. É por isso que os engenheiros elétricos precisam desses gráficos complicados de fusíveis.

Olhando para esses gráficos (por exemplo, veja minha outra resposta), você verá que um fusível de 100 A levará alguns segundos para se fundir a uma corrente de 10 vezes esse valor. Isso explicará sua pergunta: por que seu fusível de 500 mA 'não queima' com uma carga de 530 mA? Não, ele não sopra de uma só vez, mas pode / irá se fundir mais tarde. Um fusível de X Ampere não é, por si só, muito útil para uma carga que puxa nominalmente X Ampere. Por exemplo, em minha casa, eu poderia acender uma lâmpada de 10 Watt, enquanto a instalação é fundida com 16 Amperes (a 230 Volts AC).