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Fusibles electrónicos con interruptores por semiconductor

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Los fusibles electrónicos actuales se usan en muchos campos de la electrónica de potencia. Hasta hace poco, los cables, la electrónica de consumo y las fuentes de tensión se solían proteger con fusibles tradicionales de seguridad. El uso de semiconductores aporta numerosas ventajas.

Los fusibles electrónicos actuales se usan en muchos campos de la electrónica de potencia. Hasta hace poco, los cables, la electrónica de consumo y las fuentes de tensión se solían proteger con fusibles tradicionales de seguridad. El uso de semiconductores aporta numerosas ventajas.

Los fusibles protegen los componentes en los circuitos eléctricos. Si se produce una sobrecarga o un cortocircuito, salta el fusible y se abre el circuito. Esto evita daños y minimiza los costes de reparación. De manera ideal, la característica de interrupción (shut-off) está diseñada de tal modo que la corriente se corta antes de que se dañen otros componentes del circuito, como cables, semiconductores o pasivos.

Hay que recordar que un fusible dimensionado correctamente es el enlace más débil del circuito. La característica térmica del objeto protegido es crucial: por ejemplo, el cable eléctrico, el mazo de cableado o el interruptor de semiconductor en la unidad de control conectada.

A diferencia de los fusibles de seguridad o los contactos mecánicos con disparo electromagnético, los fusibles electrónicos cuentan con interruptores por semiconductor junto a la lógica de control que incluye funciones de protección y diagnóstico.

Las características de los fusibles

Autor: Ralf Hickl, Product Sales Manager de la Automotive Business Unit de Rutronik
Autor: Ralf Hickl, Product Sales Manager de la Automotive Business Unit de Rutronik

Los fusibles tradicionales de seguridad son productos de un solo uso. Conducen, protegen y separan ambas direcciones de la corriente. Esta bidireccionalidad es una ventaja en circuitos con cargas que, dependiendo del estado operativo, se accionan a través de un motor o generador. Aquí se incluyen, por ejemplo, los inversores de tracción, que pueden efectuar un frenado regenerativo (recuperación).

Por el otro lado, los fusibles electrónicos se pueden disparar y reiniciar cualquier número de veces. Debido al diodo de la cubierta, los diseños con un único MOSFET como el interruptor sólo se desconectan en una dirección de corriente. Así que, para una desconexión bidireccional resulta necesario conmutar dos MOSFET antiserie, lo que conlleva un mayor coste. A diferencia de los fusibles de seguridad, los equivalentes electrónicos tienen sus propios requisitos de potencia y, por lo tanto, hay que tenerlos en cuenta, en particular, en dispositivos alimentados por batería.

Comportamiento del cut-out

Los fusibles de seguridad convencionales se caracterizan por estipular la corriente asignada y el comportamiento de disparo (lento, rápido, superrápido, etc.). En el caso de los fusibles electrónicos, es posible establecer unos criterios de cut-out flexible. Estos incluyen:

  • Pt (integral de carga máxima o integral melting),
  • Sobre corriente,
  • sobretensión o subtensión en la entrada del fusible,
  • sobrecarga (potencia) y
  • sobretemperatura o temperatura ambiente en el fusible.

El fabricante del fusible electrónico también puede establecer el comportamiento del disparo. Así, por ejemplo, primero se puede limitar la corriente y, después, el cut out o cortar inmediatamente y esperar el reinicio.

Como un fusible electrónico ya posee un interruptor, también se puede emplear para esta tarea. Por ende, cualquier interruptor adicional es innecesario y otras funciones, como el arranque suave, se pueden llevar a cabo controlando dicho switch con una modulación por ancho de pulsos (PWM).

Comportamiento de encendido

Los fusibles de seguridad suelen ser productos de un solo uso: una vez que han cumplido su función, son inservibles y hay que sustituirlos.

Con un fusible electrónico, se puede realizar un arranque suave utilizando una inclinación del borde configurable en el interruptor de semiconductor o controlándolo con una PWM. Una vez que se ha disparado, puede volver a su estado original automática y cíclicamente con un número de repeticiones previamente definido. De forma alternativa, es posible reiniciarlo solo bajo petición. Aquí, una conexión en red aporta una ventaja.

Particularmente, en sistemas que deben cumplir un nivel de integridad de seguridad (Safety Integrity Level – ASIL), la capacidad de diagnóstico se convierte en una característica de producto esencial. Aquí, de nuevo, los fusibles electrónicos ofrecen beneficios, ya que es posible integrar el diagnóstico directamente. Además, la medición de corriente constante puede crear y analizar un perfil de carga. El resultado se puede emplear para tomar medidas como un mantenimiento preventivo y sustituir las partes deterioradas.

Otras características de los fusibles electrónicos

En caso de una sobrecarga, el fusible electrónico “puntúa alto” con características adicionales:

Si se produce un cortocircuito, el cut-out es más rápido, lo que implica que la caída de tensión en el resto del sistema de alimentación on-board dura menos tiempo. Esto es importante para los circuitos electrónicos instalados allí que, tras una caída de alimentación larga y el consecuente arranque, necesitarán un reset y un reinicio antes de que vuelvan a estar operativos. En sistemas de asistencia críticos que podrían fallar si ocurriera un reinicio durante un tramo, eso sería extremadamente peligroso: las palabras clave son “fuente de alimentación segura».

Un fusible electrónico se puede diseñar de tal manera que la corriente se limita a un valor máximo definido antes de cortarla. Incluso cuando hay un cortocircuito, la tensión del sistema de alimentación onboard no cae tanto como otras unidades de control que tienen que reiniciarse. Además, se restringe la carga de energía de inductancia de fuga. Esto mantiene bajos los picos de tensión cuando se produce la oscilación. Al no haber una escalera de Jacob (spark gap), tampoco se produce un arco eléctrico en la conmutación / cut-out. Por lo tanto, un fusible electrónico resulta más idóneo en áreas protegidas ante la explosión.

Ejemplos de producto

Fusibles electrónicos con interruptores por semiconductor

La tabla muestra una selección de semiconductores para uso en fusibles electrónicos. Algunos componentes fueron desarrollados para aplicaciones muy específicas, ya que un controlador de alta presión (highside) inteligente, por ejemplo, requiere lógica adicional antes de poder utilizarse como un fusible en un uso práctico.

Fusibles electrónicos con interruptores por semiconductor

El STEF01 de STMicroelectronics está especialmente indicado en todos los lugares. Su sobre corriente (OC), sobretensión (OV) y subtensión (UVLO) y el efecto slew rate son configurables por medio de un componente pasivo externo (totalmente programable).

Además, se puede instalar un FET externo para implementar un circuito de bloqueo de corriente inversa.

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