Por que os fusíveis queimam em uma corrente específica?

Normalmente, especificamos a corrente máxima que um condutor (como um fusível) pode suportar sem queimar. Mas o condutor não falha realmente quando uma certa quantidade de energia / calor é dissipada no condutor? Então o condutor está a uma temperatura muito alta e queima / derrete.

Digamos que eu tenho um fusível classificado para 10A. Por que é que eu posso operar o fusível continuamente em uma corrente mais baixa, como 9A, sem o fusível queimar também, mas apenas um pouco mais tarde?

Também sabemos que energia, tensão e corrente estão relacionadas pela lei de Ohm. Portanto, se temos um fusível de 10A e ele tem alguma resistência arbitrária como 100 ohms, por que não o chamamos de fusível de 1kV (10A * 100 ohms) ou fusível de 10kW (10A * 10A * 100 ohms)? Esses números são completamente arbitrários, então eu sei que eles não refletem a realidade, mas deixam claro meu argumento.

Portanto, se tivermos um fusível de 10A, e ele tiver alguma resistência arbitrária, como 100 ohms, ...

Este fusível típico de 10 A tem uma resistência de 5 mΩ. Então, seu palpite foi de cerca de 20.000. A 10 A, a potência dissipada é dada por $P = I^2R = 10^2 \times 5m = 500 \ \text {mW}$ .

RESISTÊNCIA: A resistência de um fusível é geralmente uma parte insignificante da resistência total do circuito. Como a resistência dos fusíveis de amperagem fracionária pode ser de vários ohms, esse fato deve ser considerado ao usá-los em circuitos de baixa tensão. Os valores reais podem ser obtidos entrando em contato com a Littelfuse. Fonte: Guia de Aplicação da Littlefuse Fuseology (que vale a pena ler).

A razão para maior resistência em fusíveis fracionários de ampère é que o fio do fusível tem aproximadamente o mesmo comprimento da versão 10 A, mas teria que ser muito mais fino para soprar, por exemplo, 100 mA. Um fusível de 100 mA pode proteger um circuito que normalmente consome, digamos, 50 mA. Se a resistência do fusível fosse de 1 Ω, haveria uma queda de 50 mV através dele em serviço.

O diâmetro necessário de um fio de fusível pode ser calculado a partir de

... por que não o chamamos de fusível de 1kV (10 A * 100 ohms) ou fusível de 10 kW (10 A * 10 A * 100 ohms)?

Porque é um dispositivo de proteção contra sobrecorrente . Os fusíveis já possuem uma classificação de tensão que significa algo completamente diferente. Ver abaixo.

O fusível precisa de várias classificações:

• A corrente (que eu acho bastante óbvia).
• A classificação de tensão do fusível. Isso especifica a tensão máxima que ele pode quebrar de maneira confiável sem formar e sustentar um arco interno.
• A classificação do tempo - com que rapidez ele vai explodir.

O artigo Littlefuse aborda todos esses detalhes detalhadamente, não sendo necessário reproduzi-lo aqui.

1. O condutor falha quando atinge uma certa temperatura. Como o fusível está em contato térmico com o ambiente, ele pode dissipar uma certa quantidade de energia antes de queimar.
2. Seu fusível 10A foi projetado para explodir em 10A (mais ou menos alguma tolerância). Por isso, deve funcionar às 9A o dia todo.
   • Mas esse fusível de 10A levará um bom tempo para explodir em 10A, e explodirá muito mais rápido em 20A e poderá se comportar mal se você empurrar 100A através dele. Existe toda uma ciência, principalmente negligenciada, nos fusíveis.
   • E se você usar esse fusível de 10A às 9A ou 9,8A o dia todo, ele ficará quente e se degradará lentamente.
   • O que significa que, se realmente importa a rapidez com que sopra ou quanto tempo dura, você precisa conversar com o fabricante do fusível.
3. Os fusíveis são classificados em amplificadores, porque é com isso que a maioria das pessoas instala fusíveis. O fusível 10A ideal não deixa cair tensão, e nem sopra nem degrada mesmo em uma nanoamp abaixo de 10A, mas sopra imediatamente (ou após um tempo bem definido) acima disso. Não existem fusíveis ideais.
4. Enquanto você está ponderando tudo isso, pode desenterrar algumas folhas de dados de fusíveis e procurar . As boas empresas (Bussman, Littlefuse, etc.) especificam isso - e existem coisas como fusíveis de sopro lento projetados para sobrecarga temporária e fusíveis de sopro rápido projetados para reagir mais rapidamente do que os fusíveis "comuns". Se a maneira como o fusível precisa responder não é padrão e crítica, pode se tornar um exercício de engenharia para projetá-lo.

Normalmente, um fusível não sabe em que circuito de tensão ele é usado - apenas conhece a corrente que está fluindo através dele, de modo que é a única coisa que pode causar a explosão.

Os fusíveis também têm uma classificação de voltagem porque, uma vez que o fusível queima, ele terá toda a voltagem do circuito, portanto, ele deve ser projetado para lidar com segurança com essa voltagem sem arcos.

Pergunte a si mesmo: Qual é o propósito de um fusível?

1. Limitar a tensão através do fusível? Não, isso não faz sentido.
2. Limitar a energia que um fusível está dissipando internamente? Não. Isso também não faz sentido.
3. Limitar a corrente passando pelo fusível? Surpreendentemente, não! O trabalho de um fusível não é proteger-se de nada. O trabalho de um fusível é proteger a carga. Então, suponha que você se importe com a corrente na carga, e se preocupe apenas com a corrente na qual o fusível queima como uma preocupação secundária, uma vez que as correntes de carga e fusível são as mesmas
4. Limitar a tensão na carga? Indiscutivelmente, sim, mas há problemas de classificação de fusíveis dessa maneira, que discutirei abaixo.
5. Limitar a potência na carga? Indiscutivelmente, sim, mas há problemas de classificação de fusíveis dessa maneira, que discutirei abaixo.
6. Limitar a corrente na carga? Sim! O objetivo final do fusível é proteger a carga. Discutirei por que a corrente é mais válida do que a tensão ou a potência nos números 4 ou 5

A carga é rei. Um fusível não foi projetado para explodir apenas por si. Um fusível foi projetado para proteger a carga. Você está perdendo a floresta para as árvores se tudo em que você está focado é quando o fusível queima. No final, eu não me importo, de modo algum, com a voltagem do fusível ou com a quantidade de energia que o fusível está dissipando quando queima. O que me interessa é a corrente através da carga é quando o fusível queima (e, por extensão, a corrente no fusível quando queima).

Você pode argumentar que é para limitar a potência NA CARGA ou a tensão NA CARGA, mas não é possível classificar os fusíveis com base na potência da carga ou na tensão, porque esses números dependem da carga em si. Em outras palavras, isso significa que o fusível não pode ser classificado dessa maneira sem conhecer exatamente as características da carga com a qual está sendo usado.

Em termos mais rigorosos, isso ocorre porque a posição do fusível no circuito não permite observar a potência ou a tensão através da carga. Só pode observar a corrente que vai para a carga. Certamente, o fusível pode observar sua própria queda de tensão ou potência dissipada de sua posição no circuito, mas já estabelecemos que isso não é relevante para proteger o sistema.

Se você me der um fusível classificado usando a tensão ou watts através dele, eu tenho que fazer vários cálculos desnecessários que levam em conta as características da minha carga apenas para descobrir se a corrente que o fusível queima será para proteger minha carga de sobrecorrente, sobretensão ou sobrecarga.

O ponto crucial a entender é o material de que são feitos os fios do fusível. É metal simples e simples. No entanto, o metal tem a propriedade de ser um condutor frio : se você aquecer um fio, ele se torna cada vez menos condutor e mais resistor.

Agora, se você tem um fusível que está operando abaixo do limite atual, ele transforma um pouquinho de energia elétrica em calor, que é rapidamente dissipado, e o fio permanece frio. Por conseguinte, tem uma resistência muito baixa, pelo que apenas uma pequena quantidade de tensão cai no fusível.

Quando a corrente através do fusível ultrapassa o limite, o fio do fusível fica mais quente. Isso significa que sua resistência aumenta, que uma porção maior da tensão cai através do fusível e, como tal, transforma mais eletricidade em calor. O calor no fio do fusível faz com que mais calor seja produzido . Esse é um processo de auto-amplificação e, como há tanta energia elétrica disponível que simplesmente fluía através do fusível quando estava frio, o fusível quente pode extrair muita energia da corrente antes mesmo de impactar significativamente a tensão no dispositivo .

Devido a esse processo de aquecimento auto-amplificador, o fusível superaquece rapidamente, travando o circuito.

É verdade que o condutor do fusível aquece em resposta à corrente que flui através dele. O próprio fio é projetado para dissipar esse calor por condução ao seu ambiente, para que o fusível não derreta - até que a energia que está sendo dissipada exceda a capacidade do fio de eliminar esse calor. Então o calor aumenta até o ponto em que o fio do fusível derrete. Ao adicionar massa ao fio, sua constante de tempo térmico é aumentada, o que fornece a capacidade de lidar com breves surtos de sobrecorrente - resultando em um slo-blo fusível .

Mas o condutor não falha realmente quando uma certa quantidade de energia / calor é dissipada no condutor? Então o condutor está a uma temperatura muito alta e queima / derrete. [...] Por que então eu posso operar o fusível continuamente em uma corrente mais baixa, como 9A, sem o fusível queimar também, mas apenas um pouco mais tarde?

Não importa quanta energia foi dissipada no fusível. O que importa é a taxa na qual a energia é dissipada no fusível (que de poder - I ² R) em comparação com a taxa na qual a energia é dissipada para fora do fusível via calor irradiado e condução de calor.

Quando a energia está entrando no fusível mais rapidamente do que no apagado, o fusível esquenta. Quando o fusível aquece, no entanto, a taxa na qual a energia é dissipada pelo fusível aumenta. A temperatura aumentará até que a energia térmica que flui para fora do fusível corresponda à energia térmica que entra (I ² R).

Portanto, o fusível alcançará rapidamente uma temperatura de equilíbrio determinada pela corrente. Quando esta temperatura estiver muito alta, o fusível queimará.

Dependendo do material do fusível, ele pode explodir quando a temperatura de equilíbrio atingir o ponto de fusão do material ou explodir pela fuga térmica que @cmaster menciona em sua resposta. Nesse ponto, o aumento da temperatura no fusível aumenta a potência em mais rápida do que ele aumenta a potência para fora , e o equilíbrio é perdido.

Os fusíveis são classificados para corrente de operação . Um fusível de 10A não queima (ou "se degrada lentamente") em 9A, ou mesmo em 10A. O fato de ser rotulado como 10A significa apenas que o fabricante garante que funcionará conforme o esperado, desde que você não exceda a classificação.

Obviamente, isso significa que um fusível de 10A não queima quando você exceder 10A. De fato, se você olhar em uma folha de dados , verá que precisa de algo como 20A para queimar um fusível de 10A e talvez 30 + A, se quiser que isso aconteça rapidamente.

Os fusíveis também têm classificações de queda de tensão; de fato, você precisa de corrente e tensão para explodir um pedaço de fio. Porém, como os usuários finais geralmente desejam uma classificação precisa da corrente, os fabricantes não medem a queda de tensão com precisão e fornecem apenas um valor máximo / típico. Imagine que eu lhe digo que tenho um fusível de 150 mV / 5 mOhm: você acha que seria suficiente para proteger, por exemplo, uma carga de 1kW da rede elétrica? Você terá que descobrir a classificação atual para contar.