Fusible

Programas: KS3, GCSE, Sek I, cycle 4

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Objetivo

Ver cómo un fusible protege un circuito de una sobrecarga y de un cortocircuito, y por qué su calibre se ajusta a la carga.

El montaje

Una fuente de 6 V, un fusible de 0,5 A y un amperímetro llevan a dos buses. Entre los buses hay tres ramas: abajo una bombilla de 6 V / 0,5 W, en medio una carga de 5,1 Ω detrás de un interruptor abierto, arriba un pulsador, que cortocircuita los buses mientras se mantiene pulsado. La bombilla está encendida y el amperímetro marca unos 83 mA.

Procedimiento

1. Cierre el interruptor de la carga. Observe el fusible, la bombilla y el amperímetro.
2. Abra el interruptor. Sustituya el cartucho fusible: desmarque la casilla «Fundido» en la tarjeta de parámetros del fusible.
3. Ponga la corriente nominal en 2 A y vuelva a cerrar el interruptor de la carga. Anote la lectura del amperímetro.
4. Mantenga pulsado el pulsador. Observe el fusible y el indicador de encendido de la fuente.
5. Suelte el pulsador, abra el interruptor de la carga, vuelva a poner la corriente nominal en 0,5 A y encienda la fuente con la tecla de encendido.
6. Pulse de nuevo el pulsador. Observe el fusible y el indicador de encendido de la fuente.

Resultado esperado

La carga de 5,1 Ω añade aproximadamente 1 A a la corriente de la bombilla: algo más del doble de la corriente nominal de 0,5 A del cartucho fusible. Un cartucho fusible rápido real aún aguantaría segundos con esa corriente: el calor escapa por los casquillos, y cuanto más cerca está la corriente del umbral, más dura. Aquí se funde al cabo de entre medio segundo y varios segundos, de forma distinta para cada cartucho. El circuito se interrumpe, la bombilla se apaga y el amperímetro marca 0. Un cartucho fundido queda abierto hasta que se sustituye. Con una corriente por debajo de unas 1,9 veces la nominal el cartucho no se funde en absoluto.

El cartucho fusible de 2 A aguanta la misma corriente: el amperímetro marca aproximadamente 1,0 A. Pero en un cortocircuito la corriente es de unos 7 A, solo 3,4 veces su corriente nominal, y a un cartucho así le hace falta una décima de segundo. La protección contra sobrecarga de la fuente es más rápida, 20 ms: el indicador de encendido parpadea en rojo, la fuente se apaga y el cartucho queda intacto. Un cartucho fusible de calibre excesivo no protege el circuito.

Con el cartucho fusible de 0,5 A la corriente de cortocircuito, unos 6 A, es 12 veces su corriente nominal: el cartucho se funde en pocos milisegundos, antes que la protección contra sobrecarga de la fuente, y la fuente sigue encendida.

Preguntas

1. ¿Por qué un fusible se conecta en serie con la carga y no en paralelo?
2. ¿Qué pasa si pone un cartucho fusible de un calibre muy superior a la corriente de la carga?
3. ¿En qué es mejor un fusible que la protección contra sobrecarga de la fuente, que apaga toda la fuente?
4. ¿Por qué el cartucho fusible se funde en segundos con el doble de la corriente, pero en milisegundos en un cortocircuito?

Respuestas

1. En serie toda la corriente de la carga pasa por el fusible, y cuando el cartucho se funde, el circuito queda interrumpido. Un fusible en paralelo cortocircuitaría la carga con su pequeña resistencia y se fundiría al instante, y después de eso la carga quedaría conectada a la fuente sin protección.
2. El cartucho fusible deja pasar corrientes demasiado grandes para la carga y sus cables, así que el circuito queda sin protección. En este banco el cartucho de 2 A aguanta la sobrecarga de 1 A y sobrevive al cortocircuito de 7 A, solo 3,4 veces su corriente nominal: la protección contra sobrecarga de la fuente salta antes.
3. Cada rama puede tener su propio fusible con un calibre ajustado a su carga, de modo que una avería desconecta solo esa rama y el resto del circuito sigue funcionando. En este banco el cartucho de 0,5 A se funde en pocos milisegundos y la fuente sigue encendida; la protección de la fuente solo salta por encima de 3 A y apaga todo lo que está conectado a ella.
4. El calor liberado en el hilo es \(P = I^2 R\). Hasta unas 1,9 veces la corriente nominal el calor escapa por los casquillos antes de que el hilo alcance su punto de fusión; con el doble de la nominal el calentamiento es solo un poco mayor, así que el hilo se acerca poco a poco a la fusión durante segundos. En un cortocircuito, 12 veces la nominal, el calentamiento es 144 veces el valor nominal, y el hilo se funde en milisegundos antes de que el calor pueda escapar.