I fusibili sono dei componenti elettrici di piccole dimensioni messi a protezione dei circuiti e delle apparecchiature elettriche ad essi collegate. Sono un sistema di difesa contro le sovracorrenti ed i cortocircuiti. Normalmente i fusibili vengono installati all’interno del sistema elettrico del mezzo, nella fattispecie vengono posizionati tra la batteria e i vari dispositivi elettrici connessi. In base alla loro posizione, è già possibile comprendere il ruolo che gli appartiene e che non può essere rimpiazzato da altri elementi. In pratica, i fusibili rendono possibile la creazione di una connessione elettrica tra una fonte di energia e un qualsiasi dispositivo, cosa che consente a questo di funzionare correttamente.
I nostri fusibili lamellari, ad esempio, sono composti da un guscio termoplastico in policarbonato trasparente, nelle varie colorazioni secondo l’amperaggio, mentre il corpo conduttore è composto da una lamina in lega di zinco ricavato in un unico pezzo mediante tranciatura.
Come Funzionano i Fusibili Tradizionali
Il principio fisico sfruttato da questo componente elettrico è l’Effetto Joule, secondo cui il flusso di corrente elettrica produce una quantità di calore che è direttamente proporzionale alla propria intensità. Tutto ciò viene reso possibile dal fatto che ogni fusibile ospita al proprio interno un sottilissimo filamento elettrico, racchiuso dentro il corpo rettangolare in plastica. Significa che le sovracorrenti generano calore anche molto elevato e possono fondere i circuiti senza i dovuti accorgimenti di sicurezza. Il filamento del fusibile è progettato in modo tale da potersi fondere proprio in virtù dell’Effetto Joule e lasciare così aperto il circuito elettrico in cui esso è inserito.
In realtà il filamento metallico dei fusibili ha una doppia funzione: se da un lato serve per creare questo collegamento elettrico, dall’altro agisce anche in sua protezione, nel caso dovesse verificarsi uno sbalzo di tensione. In altre parole, se si dovesse verificare questa circostanza, il fusibile è in grado di tenere la sovracorrente lontana dal circuito, bruciandosi ed evitando di andare a danneggiare un componente decisamente più costoso. Questo è dovuto al fatto che il filamento di metallo, appena riceve un amperaggio superiore alla norma, si spezza interrompendo il flusso e impedendo alle sovracorrenti di arrivare fino al circuito primario. È per questa ragione che capita spesso di doverli sostituire, proprio perché la loro funzione è quella di rompersi al posto delle altre parti.
Il Fusibile Riarmabile: Un'Innovazione nella Protezione Elettronica
A differenza dei fusibili tradizionali, che, una volta fusi, devono essere sostituiti, esiste una tipologia avanzata: il fusibile ripristinabile. Il fusibile ripristinabile è un elemento di protezione elettronica da sovracorrente, che viene elaborato mediante un processo speciale dopo la miscelazione con materiali particellari conduttivi in condizioni di alta pressione, alta temperatura e reazione di vulcanizzazione di polimeri organici ad alto peso molecolare. La tradizionale protezione da sovracorrente a fusibile può proteggere una sola volta, e deve essere sostituita in caso di guasto, mentre il fusibile autoripristinante ha la doppia funzione di protezione da sovracorrente e termica e ripristino automatico.
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Principio di Funzionamento e Recupero Automatico
Dopo che il fusibile è bruciato a causa di sovraccarico di corrente o cortocircuito, purché il guasto venga eliminato, il fusibile ripristinabile può raffreddarsi automaticamente e ripristinare uno stato di bassa resistenza senza sostituzione manuale. Risponde alla sovracorrente in un tempo molto breve e interrompe rapidamente la corrente eccessiva per proteggere il circuito da eventuali danni.
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Parametri Chiave dei Fusibili Riarmabili
Per una corretta selezione e comprensione dei fusibili ripristinabili, è fondamentale conoscerne i parametri distintivi.
Tensione Nominale
La tensione nominale si riferisce alla tensione massima che il fusibile ripristinabile può sopportare dopo lo scollegamento. Quando il fusibile ripristinabile è acceso, la tensione su entrambe le estremità è molto inferiore alla sua tensione nominale. Quando si seleziona un fusibile ripristinabile, è generalmente necessario che la tensione nominale sia maggiore della tensione effettiva del circuito.
Corrente Nominale
La corrente nominale è la corrente massima che il fusibile ripristinabile può funzionare a lungo. Supponendo che la corrente di protezione sia Ir, la corrente nominale del fusibile ripristinabile dovrebbe essere In, quindi i due dovrebbero soddisfare le seguenti condizioni: In = Ir / (fo * f1). Dove fo è il tasso di riduzione per i fusibili ripristinabili di specifiche diverse. Per la specifica ICE, il fusibile autoripristinante non può aggiungere il tasso di riduzione, cioè fo = 1. Per il fusibile autoripristinante regolamentato UL, il tasso di riduzione è di = 0,75.
f1 è il tasso di riduzione dopo aver considerato la temperatura. Maggiore è la temperatura ambiente, più caldo è il fusibile ripristinabile quando funziona e minore è la durata. È importante notare qui che la temperatura dell'aria che circonda il fusibile ripristinabile non deve essere confusa con la temperatura ambiente. Indipendentemente dalla specifica UL o dalla specifica ICE, i vari requisiti del fusibile ripristinabile sono formulati a una temperatura ambiente di 25 gradi e non è necessario considerare un certo tasso di riduzione. Ovviamente anche la velocità di riduzione del fusibile resettabile è diversa per le diverse temperature ambiente.
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Ad esempio, i tassi di riduzione dei fusibili ripristinabili variano con la temperatura. La curva A corrisponde a un fusibile ripristinabile con tubo di vetro (fusibile pieno: capacità a bassa risoluzione) e la curva B corrisponde a un fusibile ripristinabile con tubo di ceramica (fusibile ad azione molto rapida).
Vantaggi dei Fusibili Riarmabili
I fusibili ripristinabili offrono diversi vantaggi significativi rispetto ai loro predecessori non ripristinabili.
- Recupero automatico: Dopo che il fusibile è bruciato a causa di sovraccarico di corrente o cortocircuito, purché il guasto venga eliminato, il fusibile ripristinabile può raffreddarsi automaticamente e ripristinare uno stato di bassa resistenza senza sostituzione manuale.
- Risposta e recupero rapidi: Il fusibile ripristinabile risponde alla sovracorrente in un tempo molto breve e interrompe rapidamente la corrente eccessiva per proteggere il circuito da eventuali danni.
- Dimensioni ridotte e facilità di installazione: Con dimensioni ridotte, occupano meno spazio sul circuito stampato, rendendo più agevole la fase di progettazione.
- Prestazioni di sicurezza: In alcuni casi, ad esempio quando è necessario evitare di bruciare il prodotto a causa del surriscaldamento, il fusibile ripristinabile può fornire una protezione più sicura.
- Ampia gamma di applicazioni: È adatto a vari dispositivi elettronici che richiedono protezione da sovracorrente, come adattatori di alimentazione, caricabatterie, utensili elettrici, ecc.
Svantaggi e Considerazioni Critiche sui Fusibili Riarmabili
Sebbene i fusibili ripristinabili abbiano i loro vantaggi, non sono privi di inconvenienti che devono essere attentamente considerati.
- Capacità limitata di gestire sovracorrenti elevate: A differenza dei fusibili tradizionali che si bruciano e interrompono il circuito in modo permanente quando si verifica una forte sovracorrente, i fusibili ripristinabili tentano di ripristinarsi automaticamente. In un circuito in cui si verifica un cortocircuito improvviso che provoca un massiccio aumento di corrente, un fusibile ripristinabile potrebbe surriscaldarsi e iniziare a limitare la corrente, ma potrebbe comunque consentire il flusso di corrente per un breve periodo. Ciò può causare danni ai componenti elettrici del circuito, come motori, trasformatori o dispositivi elettronici sensibili.
- Degradazione della struttura interna: I fusibili ripristinabili sono realizzati con materiali che modificano la loro resistenza in base alla temperatura. Ogni volta che attraversano un ciclo di sovracorrente, riscaldamento e quindi ripristino, la struttura interna del materiale del fusibile può degradarsi. Nel lungo periodo, il fusibile ripristinabile potrebbe iniziare ad avere una resistenza maggiore anche in condizioni operative normali. Questa maggiore resistenza può causare inutili perdite di potenza nel circuito, con conseguente maggiore consumo di energia. Può anche far sì che il fusibile scatti più facilmente del dovuto, causando falsi allarmi e interruzioni del normale funzionamento dell'impianto elettrico.
- Inconsistenza del tempo di intervento: Il tempo necessario affinché un fusibile ripristinabile intervenga dipende da diversi fattori, tra cui l'entità della sovracorrente, la temperatura ambiente e la cronologia dei precedenti eventi di sovracorrente. In un circuito in cui è richiesta una protezione precisa da sovracorrente, come in un dispositivo medico o un sistema di controllo industriale critico, l'intervento incoerente di un fusibile ripristinabile può rappresentare un grave problema. Se il fusibile scatta troppo tardi, può causare danni all'apparecchiatura. Se scatta troppo presto, può causare tempi di inattività non necessari.
- Costo superiore: I fusibili ripristinabili sono generalmente più costosi dei fusibili tradizionali. La tecnologia e i materiali utilizzati nei fusibili ripristinabili sono più complessi, il che fa aumentare i costi di produzione. Per progetti o applicazioni su larga scala in cui è richiesto un numero elevato di fusibili, il costo più elevato dei fusibili ripristinabili può aumentare in modo significativo. Se si ha un budget limitato, l'utilizzo di fusibili ripristinabili potrebbe non essere una soluzione conveniente.
- Incompatibilità con alcuni sistemi: I fusibili ripristinabili potrebbero non essere compatibili con tutti i tipi di sistemi elettrici. Alcuni impianti elettrici sono progettati per funzionare con specifiche tipologie di fusibili che hanno caratteristiche ben definite. Ad esempio, in alcuni quadri elettrici o apparecchiature più vecchie, i circuiti di controllo sono calibrati per funzionare con i fusibili tradizionali.
- Tempo di ripristino lento: Dopo che un fusibile ripristinabile è scattato, è necessario del tempo affinché si raffreddi e si ripristini. Questo tempo di ripristino può variare a seconda della struttura del fusibile e della temperatura ambiente. Questo tempo di ripristino lento può rappresentare un problema nelle applicazioni in cui è richiesto un rapido ripristino dell'alimentazione. Ad esempio, in un data center, un'interruzione di corrente dovuta a un fusibile scattato può causare perdite e interruzioni significative dei dati.
Dove si Trovano i Fusibili e la Loro Classificazione
I fusibili sono dei componenti molto diffusi e si possono trovare in particolar modo all’interno delle automobili per le più svariate funzionalità (clacson, fari, accendi sigari, luci, tergicristalli, sensori, radio, air-bag, ecc). Si trovano anche nelle lampadine e in altre apparecchiature elettriche come ad esempio i telecomandi.
La classificazione tipica dei fusibili si basa sulla loro caratteristica di intervenire più o meno rapidamente. Esistono diverse tipologie in base alla velocità di intervento:
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- Fusibili super rapidi (FF): Sono meno frequenti e vengono utilizzati per proteggere dispositivi delicati, facili a danneggiarsi, in modo da intervenire prima che si verifichi qualsiasi piccolo danno. Intervengono molto prima dei fusibili rapidi.
- Fusibili rapidi (F): Sono componenti in grado di proteggere repentinamente i circuiti elettrici. Si attivano quasi immediatamente, appena si verifica un sovraccarico di corrente. Un esempio di codice fusibile è: F 1,6A L 250V ad indicare fusibile rapido da 1,6A a 250V.
- Fusibili semirapidi (M): Noto anche con il nome di fusibili semiritardati, intervengono in tempi e con sollecitazioni che sono una via di mezzo tra i rapidi e i ritardati.
- Fusibili ritardati (T): Hanno la peculiarità di intervenire con un breve ritardo, utilizzati ad esempio in presenza di trasformatori, per non aprire il circuito ad ogni accensione. I modelli ritardati intervengono in presenza di un sovraccarico conseguente ad un guasto. Un esempio di codice fusibile è: T 315mA L 250V ad indicare fusibile ritardato da 315 mA a 250 V.
Codici Colore e Dimensionamento dei Fusibili
Ogni fusibile è caratterizzato da una corrente nominale misurata in Ampere che rappresenta la massima corrente tollerata al di sopra della quale il fusibile interviene, aprendo il circuito elettrico in cui esso è inserito. Esistono fusibili in grado di sopportare correnti di poche Ampere e altri tipi di fusibili che invece lavorano con oltre mille Ampere. La soglia di corrente che caratterizza ciascun fusibile può essere identificata in base ad un codice colorimetrico. I numeri indicati sui fusibili rappresentano la soglia in Ampere. Per sostituire un fusibile, è necessario utilizzare lo stesso colore e lo stesso valore. Generalmente valore e colore coincidono. Le case costruttrici di automobili o di altre apparecchiature dotate di fusibili, riportano nei propri datasheet le tabelle dei colori-valori dei fusibili che impiegano.
Nel listato seguente è riportato il codice generale dei colori attribuiti ai fusibili tramite 1 punto; consultare questa tipologia di listati è importante se si desidera sostituire un fusibile, in quanto è necessario utilizzarne uno uguale a quello che si è rotto:
| Colore | Corrente Nominale (mA) | Corrente Nominale (A) |
|---|---|---|
| Salmone o rosa | 50 | 0,05 |
| Nero | 60 | 0,06 |
| Grigio | 100 | 0,1 |
| Rosso | 150 | 0,15 |
| Marrone | 250 | 0,25 |
| Giallo | 500 | 0,50 |
| Verde | 750 | 0,75 |
| Blu | 1000 | 1 |
| Azzurro | 1500 | 1,5 |
Per fare un esempio, nell’automobile per convenzione i sensori di parcheggio hanno un valore nominale di 5A e sono di colore arancio; le luci hanno invece colore rosso e la soglia è più elevata (10A).
Norme CEI e Parametri di Dimensionamento
I fusibili sono oggetto di Norme CEI del Comitato Tecnico 32. In particolare, la CEI EN 60269-1 (CEI 32-1) tratta delle prescrizioni generali, la CEI EN 60269-2 (CEI 32-4) parla dei fusibili ad uso industriale, la CEI EN 60269-3 (CEI 32-5) che regolamenta l’uso di fusibili in ambito domestico e similare, la CEI EN 60269-4 (CEI 32-7) inerente i dispositivi a semiconduttori, la CEI EN 61459 (CEI 32-15) che riguarda il coordinamento tra fusibili e avviatori, la CEI 32-16 che riguarda l’impiego dei fusibili per avviatori e motori, la CEI 32-18 che regolamenta le applicazioni dei fusibili a bassa tensione.
I fusibili sono caratterizzati da parametri che determinano le loro prestazioni come ad esempio: corrente nominale in Ampere, tensione nominale in Volt, velocità d’intervento, potere di apertura in Ampere. Di seguito la descrizione dei principali fattori che contraddistinguono i fusibili:
- Corrente nominale (In): È il valore limite di corrente oltre cui il fusibile si fonde per impedire il passaggio di corrente. In altre parole, rappresenta la corrente che può scorrere nel fusibile continuativamente senza causare la fusione del filamento. Il fusibile dovrebbe lavorare con una corrente continua inferiore al 90% del valore di soglia che lo caratterizza, alla temperatura ambiente di 25°C.
- Tensione nominale (Un): Rappresenta il limite massimo di tensione che può sussistere ai capi del fusibile, quando il filamento si fonde. La tensione nominale generalmente è maggiore rispetto quella di alimentazione. Entro questo valore, il fusibile è in grado di interrompere un flusso sovraelevato di corrente.
- Potere di Interruzione: È il valore massimo di corrente che un fusibile può interrompere quando si trova alla tensione nominale.
- Potere di apertura del fusibile: Indica il valore limite di corrente oltre cui il fusibile può far passare la corrente anche se fuso, poichè dà luogo ad un arco elettrico. Per impedire che questo avvenga, esistono dei fusibili che contengono materiale polveroso in grado di spegnere l’arco. Il potere di apertura è dell’ordine delle centinaia o migliaia di Ampere.
I fusibili a campo pieno possono essere impiegati da soli per proteggere circuiti da correnti che superano il loro valore caratteristico di soglia. I fusibili a campo parziale sono utilizzabili in abbinata con altri sistemi di prevenzione e controllo e intervengono in presenza di correnti di cortocircuito.
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