Componentes Electrónicos · Tema 33

Protección y buenas prácticas

Hasta acá, cada tema fue sobre hacer que algo funcione. Este es sobre lo que pasa cuando deja de funcionar: un cable que se suelta y toca donde no debe, un eje que se traba, una fuente conectada al revés. Ninguna de esas fallas se puede evitar del todo. Lo que sí se puede es decidir de antemano qué pieza se pierde, cuánto tarda y cuánto cuesta.

≈ 55 minutos Sin materiales obligatorios. Opcional: el montaje del Tema 32, un portafusibles y fusibles de 500 mA Incluye simulador y Python

01 · Punto de partida

El cable que hizo de fusible

El taller del Tema 32 terminó con un circuito correcto, medido y dictaminado. Y con una pregunta sin responder: qué pasa cuando algo sale mal y nadie lo corta.

Una escena típica. El carrito funciona. Lo llevás a otra mesa para mostrarlo y, en el camino, uno de los cables del motor se sale de la protoboard. Queda colgando, con la punta pelada, y toca la línea del negativo. No hay chispa ni ruido. El motor simplemente no gira.

Mientras buscás por qué, sentís olor a plástico. Uno de los cables finos que van del portapilas a la protoboard está blando y deformado; la protoboard tiene una marca marrón en el punto donde entraba. Las pilas queman al tacto. Sacás una. Pasaron unos diez segundos.

No falló ningún componente. Las cuatro pilas quedaron unidas por un cable, sin nada en el medio: la corriente fue la tensión de las pilas dividida por su resistencia interna y la del cable, cerca de 9 A. Durante esos segundos, algo tenía que absorber esa energía, y fue la parte más débil del camino: el cable más fino y el contacto de la protoboard.

Esa es la observación central del tema. En todo circuito hay un fusible. Ante una corriente excesiva, alguna pieza se calienta primero y se abre. Si no pusiste una para eso, el papel lo toma la que casualmente sea la más débil: un cable, una pista, un transistor, la pila.

Un programador ya trabaja así. Una operación que puede fallar se rodea de un manejo de errores: no para que no falle, sino para que falle en un lugar elegido, de una manera conocida y sin arrastrar al resto. Un programa sin ese manejo también «maneja» el error: se cae en el peor lugar posible. El patrón que corta las llamadas a un servicio que no responde se llama, literalmente, circuit breaker: el nombre viene de acá.

  • ¿De qué hay que proteger un circuito?
  • ¿Cómo actúa un fusible, y cuánto tarda?
  • ¿Cómo se elige su valor y su tipo?
  • ¿En qué orden se conectan las protecciones, y cómo se dispone el montaje?
  • ¿Qué se revisa antes de conectar la alimentación por primera vez?

02 · Identificar

Las cuatro amenazas

Casi todo lo que destruye un circuito de baja tensión entra en una de cuatro categorías. Tres ya aparecieron en el curso, cada una en su tema. Acá se las mira juntas.

Qué puede salir mal, qué daña y quién lo detiene.
AmenazaCómo ocurreQué dañaProtecciónTema
Exceso de corrienteUn cortocircuito, un eje trabado, un transistor que falla en cortoCables, pistas, pilas, bobinadosFusible, común o rearmableEste
Polaridad invertidaPilas al revés, conector mal puesto, fuente equivocadaElectrolíticos, integrados, todo lo que tenga polaridadDiodo en serie, o diodo en paralelo con fusible. Conector que no entre al revés16
Exceso de tensiónEl corte de una bobina, una descarga estática, una fuente de más tensión, un cable largoCompuertas, entradas, transistoresDiodo en la bobina; Zener o supresor en paralelo; resistor en serie con las entradas14, 18, 22
Calor sostenidoUna pieza que trabaja cerca de su límite todo el tiempoLa propia pieza, de a pocoNinguna pieza: margen en el diseño4

Las tres primeras son eventos: algo que pasa un día y que una pieza de protección puede detener. La cuarta es una condición: no hay componente que arregle un resistor al 95 % de su potencia. Por eso el tema tiene dos mitades: protecciones, que son piezas, y buenas prácticas, que son decisiones.

03 · Características

El fusible

Un fusible es un alambre calibrado, dentro de un cuerpo que contiene lo que pase cuando se funda. Es, deliberadamente, el punto más débil del camino. Y es un dispositivo térmico: no mide corriente, se calienta con ella. Eso explica todo su comportamiento.

  1. 1
    Con su corriente nominal, no corta nunca.

    El número impreso es la corriente que el fusible sostiene indefinidamente, no la que lo funde. Un fusible de 1 A con 1 A es un fusible funcionando normalmente.

  2. 2
    Con un poco más, tarda muchísimo.

    Con una vez y media su nominal, el alambre se calienta pero pierde calor casi tan rápido como lo gana. Puede sostenerla más de una hora.

  3. 3
    Con varias veces más, corta rápido.

    El calor crece con el cuadrado de la corriente y no tiene tiempo de escapar. El tiempo de corte baja a milésimas de segundo.

Tiempo de corte según cuántas veces se supera la corriente nominal. Valores orientativos de fusibles de vidrio de 5 × 20 mm; los exactos están en la curva de cada hoja.
CorrienteFusible rápidoFusible lentoEjemplo con uno de 500 mA
1 vez la nominalNo cortaNo corta0,5 A
1,5 vecesMás de una hora, o nuncaMás de una hora, o nunca0,75 A
2 vecesDe segundos a minutosDe segundos a minutos1 A
2,75 vecesDe 0,05 a 2 sDe 0,6 a 10 s1,4 A: el motor del taller, trabado
4 vecesDe 10 a 300 msDe 0,15 a 3 s2 A
10 vecesMenos de 20 msDe 20 a 300 ms5 A

Dos cosas saltan de la tabla. Entre una y dos veces la nominal hay una zona gris en la que el fusible puede o no cortar: no sirve para proteger nada que se dañe ahí. Y los rangos son anchos: un fusible no es un instrumento de precisión.

Lo que dice un fusible

Corriente nominal
La que sostiene sin límite de tiempo. En uso normal conviene que el circuito no pase del 75 % de ese valor: cerca del 100 % el alambre trabaja caliente, envejece y un día corta sin motivo.
Velocidad: rápido o lento
Marcados con una F o una T antes del valor. El rápido corta enseguida y no perdona picos. El lento tolera sobrecargas breves, como el arranque de un motor o la carga de un capacitor grande, y corta igual ante una falla sostenida.
Tensión nominal
La máxima del circuito en el que es capaz de cortar. Al abrirse, entre los dos extremos queda toda la tensión de la fuente. Un fusible de 250 V sirve de sobra en 12 V; uno de 32 V no sirve en la red eléctrica.
Capacidad de ruptura
La mayor corriente de falla que puede interrumpir sin estallar ni mantener un arco. Los de vidrio comunes: unos 35 A. Alcanza con pilas; no con una batería de litio o de plomo, capaz de cientos de amperes. Para esas se usan los de cuerpo cerámico o los de tipo automotor.

04 · Identificar

El fusible rearmable

Tiene el aspecto de un capacitor cerámico amarillo o anaranjado, y es un resistor especial: un plástico cargado de partículas conductoras. Frío, conduce bien. Al calentarse por un exceso de corriente, el plástico se dilata, las partículas se separan y su resistencia sube miles de veces en un instante. Cuando se enfría, vuelve a conducir. Se lo llama fusible rearmable, polifusible o PTC.

Fusible común

Corta, y queda cortado

Abre el circuito por completo. Es rápido y soporta fallas violentas. Después hay que reemplazarlo, y para eso tiene que ser accesible. El reemplazo obliga a alguien a enterarse de que hubo una falla.

Fusible rearmable

Limita, y se recupera

No abre: deja pasar una corriente chica que lo mantiene caliente mientras dure la falla. Es lento, de segundos. Se rearma solo al quitar la alimentación. La falla puede pasar inadvertida, y repetirse.

Dos corrientes en lugar de una
La de mantenimiento, que sostiene sin actuar, y la de disparo, con la que seguro actúa: suele ser el doble. Uno «de 500 mA» sostiene 0,5 A y dispara con 1 A. En el medio, otra zona gris.
Depende de la temperatura
Es térmico, así que en un gabinete a 50 °C sostiene bastante menos que a 25 °C: alrededor de un 20 a 30 % menos. Y recién disparado tarda minutos en volver a su resistencia original.
Tiene una tensión máxima
Disparado, soporta toda la tensión de la fuente. Los modelos chicos son de 6 a 60 V. Superarla lo destruye.
Tiene más resistencia
De medio ohm a un ohm en los de 500 mA. Con 0,35 A son hasta 0,35 V que no llegan a la carga.

Es la protección que tienen las salidas USB de una computadora y la mayoría de las placas de desarrollo en su entrada: fallas frecuentes, usuarios que no van a abrir el equipo, corrientes moderadas. Donde la falla es rara y violenta, o donde alguien tiene que enterarse, va un fusible común.

05 · Selección

Dimensionar: tres condiciones

El valor de un fusible queda encerrado entre un mínimo y un máximo. Si el máximo queda por debajo del mínimo, no existe fusible para ese circuito, y eso también es un resultado.

  1. 1
    No corta en uso normal.

    Nominal ≥ corriente normal máxima ÷ 0,75. Y los picos de arranque no lo tienen que fundir: si los hay, lento.

  2. 2
    Corta ante la falla.

    Nominal ≤ la menor corriente de falla ÷ 2. Con menos del doble, se cae en la zona gris.

  3. 3
    Lo que protege aguanta su nominal.

    Nominal ≤ lo que soporta de manera permanente el tramo más débil: el cable más fino, el contacto de la protoboard, la pista.

La segunda condición pide un dato que casi nunca se calcula: cuánta corriente puede entregar la fuente en una falla. Es su tensión en vacío dividida por todas las resistencias del camino.

Las corrientes del circuito del Tema 32: cuatro pilas AA con 0,6 Ω de resistencia interna, motor de 4 Ω.
SituaciónCuentaCorrienteEs
Motor girando con su cargaMedida0,35 AUso normal
Arranque6,2 V ÷ 4,6 Ω, durante décimas de segundo1,35 AUso normal: no tiene que cortar
Eje trabado6,2 V ÷ 4,6 Ω, sin límite de tiempo1,35 ALa falla menor: tiene que cortar
Cable del motor en cortocircuito6,2 V ÷ (0,6 Ω + 0,1 Ω de cables)8,9 ALa falla mayor
Condición 1
0,35 A ÷ 0,75 = 0,47 A como mínimo.
Condición 2
1,35 A ÷ 2 = 0,68 A como máximo.
Condición 3
Un contacto de protoboard soporta alrededor de 1 A: 1 A como máximo.
Resultado
Entre 0,47 y 0,68 A. De los valores que se fabrican, 500 y 630 mA. Se elige 500 mA.

Falta el tipo. El arranque y el bloqueo tienen la misma corriente, 1,35 A: lo único que los distingue es cuánto duran. Un fusible rápido de 500 mA, con 2,7 veces su nominal, corta en alrededor de una décima de segundo: puede fundirse en un arranque con carga. Uno lento tolera ese arranque y corta el bloqueo en alrededor de un segundo. La respuesta es T 500 mA: lento, de 500 mA.

Mirá lo que pasa con el error más común, poner «uno más grande para que no moleste». Un fusible de 2 A cumple la primera condición con holgura y viola las otras dos: con el eje trabado ve 0,7 veces su nominal y no corta nunca, y deja pasar permanentemente el doble de lo que la protoboard soporta. Solo actúa ante el cortocircuito franco.

Cuando no hay fusible posible

Con las pilas gastadas del Tema 32, de 5 V y 3 Ω, el eje trabado toma 0,71 A. El máximo de la condición 2 baja a 0,36 A y queda por debajo del mínimo de 0,47 A. Ningún fusible distingue esa falla del uso normal. No es un problema del fusible: la corriente de falla se parece demasiado a la normal, y hace falta otra cosa que la vea. Es exactamente el caso de las otras dos protecciones del Tema 32: el tiempo máximo en el programa, o la medición de corriente.

06 · Identificar

Polaridad y sobretensión

Las dos amenazas de tensión ya tienen sus piezas. Lo que sigue es el resumen operativo, con lo que falta.

Polaridad invertida

Las protecciones del Tema 16, con el criterio para elegir.
ProtecciónCosto en uso normalConviene cuando
Conector que solo entra de una maneraNingunoSiempre que se pueda: es la única que evita el error en lugar de soportarlo
Diodo Schottky en serie0,3 a 0,4 V, y su calorCorrientes de hasta 1 A, con tensión de sobra
Diodo en paralelo, después de un fusibleNingunoCorrientes altas, o tensión justa. Ya hay un fusible: el diodo sale casi gratis

La tercera fila es la razón por la que estas dos protecciones se piensan juntas. Con el fusible ya puesto, un diodo en paralelo con la alimentación, al revés, convierte una fuente invertida en una corriente enorme, que es justo lo que el fusible sabe detectar. Una protección traduce la amenaza al idioma de la otra.

Exceso de tensión

El corte de una bobina
El diodo en paralelo con la bobina, del Tema 14. Va en cada relé, motor y solenoide, sin excepciones, y lo más cerca posible de la bobina.
Una fuente de más tensión
Un Zener en paralelo con la alimentación, después del fusible, como en el Tema 18: si la tensión supera la del Zener, conduce con fuerza y funde el fusible. El mismo mecanismo que con la polaridad.
Picos breves en un cable largo
Un supresor de transitorios, o TVS: un Zener construido para absorber pulsos de cientos de watts durante milésimas de segundo. Se elige con una tensión de trabajo apenas superior a la máxima normal de la línea.
Descargas estáticas
Lo del Tema 22: tocar un metal conectado a tierra antes de manipular, y no dejar compuertas ni entradas sin un camino definido.

Proteger una entrada

Toda entrada que sale de la placa hacia un cable, un conector o un sensor lejano puede recibir algo que no esperaba. La protección mínima es un resistor en serie, de 1 a 10 kΩ, pegado a la pata.

Una pata de microcontrolador tiene adentro dos diodos que desvían hacia las líneas de alimentación cualquier tensión que se salga del rango. Soportan muy poca corriente, del orden de 1 mA. El resistor es el que la limita: si por error llegan 12 V a una entrada de un sistema de 5 V, con 10 kΩ circulan (12 − 5,6) ÷ 10 000 = 0,64 mA. Sin el resistor, la corriente la decide la fuente de 12 V, y la pata se destruye.

Como la entrada casi no consume, el resistor no altera una señal digital. Sí la hace más lenta, junto con la capacidad de la pata: con 10 kΩ, del orden de una décima de microsegundo. No importa en un pulsador; sí en una comunicación rápida, donde se usan valores de 100 a 470 Ω.

07 · Aplicación

El orden de la entrada de alimentación

Las protecciones se conectan en un orden, y el orden importa: cada pieza protege lo que tiene después.

fuente→fusible→llave de encendido→protección de polaridad y de tensión→capacitor de reserva→circuito
El fusible, primero y pegado a la fuente
Protege todo lo que viene después, empezando por el cable. Un tramo de cable antes del fusible es un tramo sin protección: si se pela y toca el negativo, nada lo corta. En un equipo a batería, el portafusibles va a centímetros del borne positivo.
En el positivo
Con el fusible fundido, el circuito tiene que quedar sin tensión. Puesto en el negativo, lo abre igual, pero deja todo el circuito conectado al positivo, buscando otro camino de retorno a través de una señal o de un cable de datos.
La llave, después del fusible
Así el fusible también cubre una falla en la propia llave o en su cableado.
Los diodos y el Zener, después del fusible
Los que actúan fundiéndolo lo necesitan antes que ellos. Y el fusible los protege de quedar conduciendo indefinidamente.
El capacitor de reserva, al final
Después de la protección de polaridad: un electrolítico es lo primero que estalla con la tensión invertida.

08 · Buenas prácticas

La disposición del montaje

Dos montajes con el mismo esquema pueden comportarse distinto. El esquema dice qué está conectado con qué; no dice por dónde va cada cable, ni cuánto mide, ni qué tiene al lado. En el Tema 31 eso apareció como un sensor con lecturas erráticas por compartir un tramo de negativo con un motor. Las reglas que siguen son la versión completa.

  1. 1
    Cada corriente grande, por su propio camino.

    El positivo y el negativo del motor van de la fuente al motor con cables propios. Los negativos de la placa y de los sensores se unen a ese retorno en un solo punto, cerca de la fuente de potencia. Ningún sensor comparte un tramo de cable con un actuador.

  2. 2
    Cada capacitor, junto a lo que sirve.

    100 nF pegado a las patas de alimentación de cada integrado, como en el Tema 12. El de reserva, junto al actuador. El cerámico del motor, sobre sus terminales. A diez centímetros, la resistencia y la inductancia del cable anulan buena parte de su efecto.

  3. 3
    Potencia y señal, separadas.

    Los cables de un motor, cortos y retorcidos entre sí, lejos de los de un sensor. Si tienen que cruzarse, en ángulo recto. Dos cables que corren juntos durante veinte centímetros se comportan como un capacitor y un transformador pequeños.

  4. 4
    Cada cable, de la sección que su corriente pide.

    El cable se elige con la corriente del fusible que lo protege, no con la de uso normal.

  5. 5
    Que el error sea imposible, o visible.

    Rojo para el positivo y negro para el negativo, siempre. Conectores que entren de una sola manera. La pata 1 de cada integrado marcada. Los electrolíticos, todos con la franja hacia el mismo lado cuando el diseño lo permite.

  6. 6
    Que el estado sin programa sea seguro.

    Mientras la placa arranca, se reinicia o está colgada, sus salidas no mandan nada. El resistor de la compuerta a la fuente del Tema 23 mantiene el motor apagado; un relé normalmente abierto deja la carga desconectada. Todo actuador tiene que quedar en reposo cuando nadie lo manda.

Corriente permanente que conviene pedirle a cada conductor. Valores conservadores, para tramos cortos y al aire.
ConductorCorrienteObservación
Contacto de protoboardHasta 1 AEs el eslabón más débil de casi todo montaje de prueba. Con más, se calienta y pierde presión
Cable de puente con puntas, del tipo finoHasta 1 ASu conductor es muy delgado, y a veces no es de cobre
Alambre rígido de 0,5 mm de diámetroHasta 2 AEl de uso habitual en protoboard
Cable de 0,5 mm² de secciónHasta 5 APara alimentaciones y motores chicos
Cable de 1 mm² de secciónHasta 10 ABaterías, motores medianos
Pista de circuito impreso de 1 mm de anchoHasta 2 ACon el espesor de cobre habitual

La quinta regla es la más barata y la más efectiva, y un programador la conoce con otro nombre: diseñar para que los estados inválidos no se puedan representar. Un conector que no entra al revés hace lo que hace un tipo de datos bien elegido: el error se detecta al «compilar» el montaje, y no en ejecución.

09 · Verificar

La auditoría de márgenes

La cuarta amenaza, el calor sostenido, no tiene pieza que la detenga. Tiene un procedimiento: recorrer el diseño pieza por pieza y comparar lo que se le exige en el peor caso con lo que soporta. Las reglas son las del Tema 4.

Cuánto usar, como máximo, del valor nominal de cada familia.
FamiliaParámetroUso máximo
ResistoresPotencia50 %
CapacitoresTensión50 %; hasta 80 % en electrolíticos
Diodos y LEDCorriente50 a 75 %
TransistoresTensión, corriente y potencia50 a 70 % de cada uno
Contactos de relés y llavesCorriente50 a 75 %
Fuentes y pilasCorriente70 a 80 %
FusiblesCorriente en uso normal75 %
Cables y contactosCorrienteLa nominal del fusible que los protege, como máximo

Aplicadas al circuito del Tema 32, en su peor caso, que es el eje trabado:

Auditoría del circuito del taller, sin fusible.
PiezaExigenciaNominalUsoVeredicto
MOSFET, tensión6,2 V55 V11 %Bien
MOSFET, corriente1,35 A5 A sin disipador27 %Bien
Capacitor de 470 µF6,2 V16 V39 %Bien
Diodo 1N5819, tensión6,2 V40 V16 %Bien
Pilas1,35 A2 A68 %Bien
Contactos de la protoboard1,35 A1 A135 %Excedido
Motor7,3 WDesconocido—Sin dato: proteger

La auditoría encontró dos cosas que el taller no vio. El MOSFET, que parecía la pieza delicada, es la que más sobra. La que está excedida es una que ni figura en la lista de materiales: el contacto de la protoboard. Y el motor no tiene un límite conocido, que es otra forma de decir que no se sabe cuánto resiste.

Con el fusible lento de 500 mA, las dos últimas filas cambian. La corriente permanente máxima pasa a ser la zona gris del fusible, 0,75 A: el contacto queda al 75 % y el motor recibe, a lo sumo, algo más de 2 W. El fusible convierte un «desconocido» en un número.

10 · Taller

El primer encendido

El momento de mayor riesgo en la vida de un circuito es la primera vez que recibe tensión: todos los errores de montaje están ahí, sin descubrir. En el Tema 32 la respuesta fue montar por etapas. Esta es la lista de control para cada una de esas veces, y para todo circuito que viene de otro lado.

Lista de control previa. Los cuatro primeros pasos se hacen sin alimentación.
PasoQué se haceQué encuentra
1 · MirarRecorrer el montaje contra el esquema: la franja de cada diodo y de cada electrolítico, la pata 1 de cada integrado, el orden de las patas de cada transistorPiezas al revés
2 · Buscar puentesPuntas peladas que se tocan, restos de alambre, gotas de estañoCortocircuitos accidentales
3 · Medir entre positivo y negativoMultímetro en resistencia, sobre las dos líneas de alimentación. Con capacitores, la lectura sube de a poco: es normalUn cortocircuito en la alimentación: marca cerca de 0 Ω y ahí se queda
4 · Medir la fuente, solaSu tensión y su polaridad, antes de conectarlaLa fuente equivocada, o el conector con la polaridad contraria
5 · Encender con la corriente limitadaLa primera vez, con algo que limite: una fuente con límite ajustable, un fusible de valor bajo, o un resistor en serieLo que los cuatro pasos anteriores no vieron, sin que queme nada
6 · Medir la corriente totalContra la que se predijoUn consumo de más: algo conduce sin que debiera
7 · Medir las tensiones principalesLa alimentación en las patas de cada integrado, y las de la tabla de prediccionesLo que no llega adonde tiene que llegar
8 · Buscar calorDespués de un minuto, acercar el dorso de un dedo a cada pieza, sin apoyarloLo que trabaja sin margen

El paso 5 se puede hacer con lo que hay en cualquier mesa. Para un circuito de 6 V que debería consumir 50 mA, un resistor de 47 Ω en serie con la alimentación deja pasar esos 50 mA perdiendo 2,3 V, y limita un cortocircuito total a 6 ÷ 47 = 0,13 A y 0,8 W. Midiendo la tensión sobre ese resistor se obtiene además la corriente, como en el Tema 9. Si todo da lo esperado, se lo quita.

11 · Simulador

La falla y su protección

El circuito del Tema 32, con el motor trabajando con su carga. Elegí qué protección lleva en el positivo del portapilas y qué le pasa. El gráfico muestra la corriente a lo largo del tiempo, desde una milésima de segundo hasta más de quince minutos.

  • La curva es la corriente que sale del portapilas. El eje del tiempo es logarítmico: cada división es diez veces la anterior.
  • El punto marca el instante en que la protección actúa.
  • La línea punteada vertical marca el instante en que algo se daña, si nadie cortó antes.
  • La línea punteada horizontal es la corriente nominal de la protección.
SIMULADOR 33

Quién corta primero

Corriente del circuito a lo largo del tiempo durante una falla Curva de la corriente que entrega el portapilas, en un eje de tiempo logarítmico de una milésima de segundo a mil segundos, con el instante en que actúa la protección y el instante en que se daña una pieza.
Corriente máxima
La protección
Lo que se daña
Resultado

Recorrido guiado (10 minutos)

  1. 1
    Mirá el estado inicial.

    Es la escena: el cortocircuito, sin protección. Casi 9 A sostenidos, y a los cinco segundos el cable hace de fusible.

  2. 2
    Probá las cuatro protecciones con ese cortocircuito.

    Todas cortan, con tiempos muy distintos: de 2 milésimas de segundo a casi 0,3 segundos. Para una falla franca, cualquier protección es mejor que ninguna.

  3. 3
    Cambiá a «eje trabado» y volvé a probar las cuatro.

    Acá se separan. Los de 500 mA cortan. El de 2 A no se entera: 1,35 A es menos que su nominal, y el motor se quema al minuto y medio como si no hubiera fusible.

  4. 4
    Con el fusible rápido de 500 mA, elegí «arranque con carga».

    Se funde en un arranque normal. Es un corte en falso: no hay ninguna falla, y el equipo queda detenido igual.

  5. 5
    Cambiá al fusible lento de 500 mA y repetí el arranque y el eje trabado.

    Tolera el arranque y corta el bloqueo en menos de un segundo. Misma corriente en los dos casos: lo que distingue es el tiempo.

  6. 6
    Probá el rearmable con el eje trabado.

    Tarda unos quince segundos, y después no corta del todo: deja pasar una corriente chica que lo mantiene caliente. El motor queda a salvo.

  7. 7
    Elegí las pilas gastadas, con el eje trabado, y recorré las protecciones.

    Ninguna corta. La corriente de falla, 0,71 A, cae en la zona gris de las de 500 mA. Esta vez el motor no llega a quemarse; las pilas se agotan calentándolo.

  8. 8
    Con las pilas gastadas, elegí el cortocircuito y el fusible de 2 A.

    La fuente no alcanza a fundirlo: 1,6 A contra 2 A. Un fusible necesita una fuente capaz de quemarlo.

Preguntas para pensar

  1. En el paso 3, ¿por qué el fusible de 2 A «protege» y a la vez deja quemar el motor?
  2. En los pasos 4 y 5, ¿cómo distingue el fusible lento un arranque de un bloqueo, si la corriente es la misma?
  3. En el paso 7, ¿qué protección detectaría el eje trabado con las pilas gastadas?
Ver respuestas sugeridas
  1. Porque protege contra otra cosa. Fue elegido, sin decirlo, para el cortocircuito de 9 A, y ante ese sí corta. El eje trabado es una falla de 1,35 A, que para ese fusible es uso normal. Un fusible no protege «el circuito»: protege contra las corrientes que superan con claridad su nominal. Cada falla posible hay que verificarla por separado.
  2. No la distingue con una medición: la distingue porque es lento. Acumula calor durante el exceso y lo pierde cuando la corriente baja. En tres décimas de segundo de arranque no llega a fundirse, y después se enfría. Con el eje trabado, la corriente no baja y el calor sigue acumulándose. Es un filtro de tiempo, como el del antirrebote de un pulsador: ignora lo breve y responde a lo que dura.
  3. Ninguna que dependa solo de la corriente, porque 0,71 A se parece demasiado a los 0,35 A normales. Hacen falta las otras dos del Tema 32: el tiempo máximo en el programa, que no mira la corriente sino el resultado, o la medición con un umbral ajustado. Es la razón para combinar capas: cada una ve lo que la otra no.

12 · La protección en código

Dimensionar, cronometrar y auditar

Python en tu navegador. Los bloques son editables: cambiá los valores y presioná «Ejecutar Python».

Las tres condiciones

SERIE = (0.1, 0.16, 0.2, 0.25, 0.315, 0.4, 0.5, 0.63, 0.8, 1.0, 1.25, 1.6, 2.0, 2.5, 3.15, 4.0, 5.0)


def dimensionar(nombre, a_normal, a_falla_menor, a_conductor, uso=0.75, veces=2.0):
    """Corrientes en amperes. a_conductor: lo que soporta el tramo más débil."""
    minimo = a_normal / uso
    maximo = min(a_falla_menor / veces, a_conductor)
    limita = "la falla" if a_falla_menor / veces <= a_conductor else "el conductor"
    print(f"{nombre}: entre {minimo:.2f} y {maximo:.2f} A (el máximo lo fija {limita})")
    candidatos = [a for a in SERIE if minimo <= a <= maximo]
    if not candidatos:
        print("   no hay fusible: la falla se parece demasiado al uso normal, o el conductor es chico")
        return None
    print(f"   valores posibles: {candidatos} -> se elige {candidatos[0]} A")
    return candidatos[0]


dimensionar("Taller, protegiendo el bloqueo", a_normal=0.35, a_falla_menor=1.35, a_conductor=1.0)
dimensionar("Taller, solo el cortocircuito", a_normal=0.35, a_falla_menor=8.9, a_conductor=1.0)
dimensionar("Con las pilas gastadas", a_normal=0.35, a_falla_menor=0.71, a_conductor=1.0)
dimensionar("Bomba de 12 V con cable de 0,5 mm2", a_normal=1.2, a_falla_menor=40, a_conductor=5.0)

En el segundo caso se aceptan cuatro valores. ¿Qué deja de proteger el de 1 A respecto del de 500 mA?

Cuánto tarda en cortar

El modelo del simulador: un elemento que se calienta con el cuadrado de la corriente y se enfría solo. Se compara con lo que tarda en dañarse lo que se quiere proteger.

import math

UMBRAL = 1.5                # veces la nominal por debajo de las cuales no corta nunca
INERCIA = {"rápido": 0.5, "lento": 5.0, "rearmable": 90.0}     # segundos


def tiempo_de_corte(amperes, nominal, tipo):
    """Segundos hasta actuar con una corriente constante, o None si no actúa."""
    exceso = (amperes / nominal) ** 2 / UMBRAL ** 2
    if exceso <= 1:
        return None
    return -INERCIA[tipo] / UMBRAL ** 2 * math.log(1 - 1 / exceso)


def texto(segundos):
    if segundos is None:
        return "no corta"
    return f"{segundos * 1000:.0f} ms" if segundos < 1 else f"{segundos:.1f} s"


print(f"{'veces la nominal':>18}" + "".join(f"{tipo:>12}" for tipo in INERCIA))
for veces in (1, 1.5, 2, 2.75, 4, 10, 20):
    print(f"{veces:>18}" + "".join(f"{texto(tiempo_de_corte(veces, 1, tipo)):>12}" for tipo in INERCIA))

print("\nEje trabado, 1,35 A: el motor resiste unos 90 s")
for nominal, tipo in ((0.5, "rápido"), (0.5, "lento"), (0.5, "rearmable"), (1.0, "lento"), (2.0, "rápido")):
    corte = tiempo_de_corte(1.35, nominal, tipo)
    veredicto = "protege" if corte is not None and corte < 90 else "NO protege"
    print(f"   {tipo:10} de {nominal} A: {texto(corte):>9} -> {veredicto}")

Un cable fino resiste unos 400 ÷ I² segundos. Agregá la comparación para el cortocircuito de 8,9 A con cada protección.

La auditoría de márgenes

def auditar(nombre, piezas):
    """piezas: lista de (pieza, exigencia, nominal, uso máximo admitido)."""
    print(nombre)
    observaciones = 0
    for pieza, exigencia, nominal, admitido in piezas:
        if nominal is None:
            print(f"   {pieza:30} {exigencia:4.1f} sin dato del límite -> PROTEGER O MEDIR")
            observaciones += 1
            continue
        uso = exigencia / nominal
        bien = uso <= admitido
        observaciones += 0 if bien else 1
        print(f"   {pieza:30} {uso * 100:4.0f} % (admitido {admitido * 100:.0f} %) -> {'bien' if bien else 'EXCEDIDO'}")
    print(f"   {observaciones} observaciones\n")
    return observaciones


def taller(a_permanente):
    return [
        ("MOSFET, tensión (V)", 6.2, 55, 0.7),
        ("MOSFET, corriente (A)", a_permanente, 5, 0.7),
        ("capacitor de 470 uF (V)", 6.2, 16, 0.8),
        ("diodo 1N5819, tensión (V)", 6.2, 40, 0.75),
        ("pilas (A)", a_permanente, 2.0, 0.8),
        ("contacto de protoboard (A)", a_permanente, 1.0, 1.0),
        ("motor, potencia (W)", a_permanente ** 2 * 4, None, 1.0),
    ]


auditar("Sin fusible: el peor caso es el eje trabado, 1,35 A", taller(1.35))
auditar("Con fusible lento de 500 mA: el peor caso permanente es 0,75 A", taller(0.75))

El motor sigue sin un límite conocido, pero pasó de 7,3 a poco más de 2 W. Agregá una fila para el fusible: 0,35 A de uso normal contra sus 0,5 A nominales, con 75 % admitido.

13 · Comprensión

Confusiones frecuentes

«Un fusible de 1 A corta cuando pasa 1 A»

Un amper es lo que sostiene indefinidamente. Corta con seguridad a partir del doble, y cuanto mayor es el exceso, más rápido.

«Si se funde seguido, pongo uno más grande»

Si se funde, o hay una falla o estaba mal elegido el tipo. Uno más grande deja de proteger el cable y la falla menor. Primero, entender por qué se funde.

«El fusible protege a los transistores y a los integrados»

Un semiconductor se destruye miles de veces más rápido de lo que un fusible actúa. El fusible protege cables, fuentes y bobinados, y evita que una falla termine en fuego.

«Con fusible no necesito diodo»

Una fuente al revés puede destruir un integrado sin producir un exceso de corriente. Son amenazas distintas. Sí se pueden combinar: un diodo en paralelo convierte la inversión en una corriente que el fusible ve.

«El rearmable es un fusible mejor»

Es otra herramienta: más lento, con más resistencia, sensible a la temperatura, y no abre el circuito del todo. Conviene en fallas frecuentes y moderadas.

«El fusible va en cualquier parte del circuito»

Va en el positivo y pegado a la fuente. Todo lo que queda antes de él está sin protección.

«La prolijidad del montaje es una cuestión estética»

Por dónde vuelve cada corriente, a qué distancia está cada capacitor y qué cables corren juntos cambian las mediciones. Ninguna pieza lo arregla después.

«Con protecciones, el diseño puede ir justo»

Las protecciones actúan ante eventos. Una pieza que trabaja siempre cerca de su límite se degrada sin que ninguna protección lo note.

14 · Práctica guiada

Ejercicios

Ejercicio 1: la corriente de falla

Calculá la corriente de un cortocircuito franco, con 0,1 Ω de cables, para: una batería rectangular de 9 V con 2 Ω de resistencia interna; cuatro pilas AA de 6,2 V y 0,6 Ω; una batería de plomo de 12,6 V y 0,03 Ω. ¿En cuál hace falta un fusible con mucha capacidad de ruptura?

Ver solución razonada

Batería de 9 V: 9 ÷ 2,1 = 4,3 A, y por poco tiempo: se agota enseguida. Pilas AA: 6,2 ÷ 0,7 = 8,9 A. Batería de plomo: 12,6 ÷ 0,13 = 97 A. Las dos primeras quedan dentro de los 35 A que interrumpe un fusible de vidrio. La tercera, no: necesita uno de cuerpo cerámico o uno de tipo automotor. Y con 97 A disponibles, un cable fino sin fusible no tarda segundos: tarda centésimas.

Ejercicio 2: dimensionar

Una tira de LED de 12 V consume 1,5 A y no tiene picos de arranque. La alimenta una fuente de 12 V que entrega hasta 5 A antes de limitarse, por un cable de 0,5 mm². ¿Qué fusible?

Ver solución razonada

Mínimo: 1,5 ÷ 0,75 = 2 A. Falla menor: la fuente no entrega más de 5 A, así que el máximo es 5 ÷ 2 = 2,5 A. El cable soporta 5 A: no restringe. Sirven 2 y 2,5 A; se elige 2 A, y rápido, porque no hay arranque que tolerar. El caso muestra por qué importa la fuente: con una de 3 A, el máximo sería 1,5 A, por debajo del mínimo, y el fusible no podría actuar. La protección sería el propio límite de la fuente.

Ejercicio 3: rápido o lento

Decí qué tipo usarías en: la entrada de una placa con un capacitor de 2200 µF; un calefactor resistivo; un motor; la alimentación de un instrumento de medición.

Ver solución razonada

Capacitor grande: lento. Al conectar, el capacitor descargado toma un pico de varios amperes durante milésimas de segundo. Calefactor: rápido: un resistor no tiene pico de arranque apreciable. Motor: lento, por el arranque. Instrumento: rápido: consumo estable, y se quiere el corte más veloz posible.

Ejercicio 4: el orden

Un equipo a batería tiene, desde el borne positivo: 30 cm de cable, la llave de encendido, el fusible, un diodo en paralelo y la placa. ¿Qué dos fallas no están cubiertas? Reordenalo.

Ver solución razonada

Los 30 cm de cable y la llave están antes del fusible: si el cable se pela contra el gabinete, o la llave falla en cortocircuito contra su cuerpo metálico, toda la corriente de la batería circula sin que nada la corte. Orden correcto: batería, fusible a pocos centímetros del borne, cable, llave, diodo en paralelo, capacitor de reserva, placa. El diodo en paralelo ya estaba bien ubicado: después del fusible que tiene que fundir.

Ejercicio 5: en el simulador

Con las pilas nuevas, completá una tabla de cuatro protecciones por cuatro situaciones, anotando en cada casilla «funciona», «corte en falso», «protege» o «se daña». ¿Cuáles protecciones no tienen ninguna casilla mala?

Ver solución razonada

El fusible rápido de 500 mA tiene un corte en falso en el arranque con carga. El rápido de 2 A deja quemar el motor con el eje trabado. El lento de 500 mA y el rearmable de 500 mA pasan las cuatro: funcionan en marcha y en el arranque, y protegen en las dos fallas. Entre los dos, el lento corta en menos de un segundo y obliga a revisar; el rearmable tarda quince segundos y se recupera solo. Con las pilas gastadas, la tabla cambia: ninguno ve el eje trabado.

Ejercicio 6: una entrada que sale de la placa

Un pulsador a tres metros de la placa, conectado a una entrada de un sistema de 3,3 V. El cable corre junto a los de un motor de 12 V. ¿Qué agregarías, y qué pasa si por error los 12 V tocan el cable de la entrada?

Ver solución razonada

Un resistor de 10 kΩ en serie, pegado a la pata, además del resistor a la alimentación o al negativo que ya necesita el pulsador, del Tema 28. Con 12 V sobre el cable, la corriente hacia la pata es (12 − 3,9) ÷ 10 000 = 0,8 mA, que los diodos internos soportan. Un capacitor de 100 nF entre la pata y el negativo filtra, junto con el resistor, los picos que el cable recoge del motor, y de paso los rebotes. Y conviene separar ese cable de los del motor: es la regla 3 de la disposición.

Ejercicio 7: tu propio montaje

Con el circuito del Tema 32, o el último que hayas armado. Hacé su auditoría de márgenes, calculá su corriente de falla, elegí su fusible, y aplicale la lista de control del primer encendido.

Qué mirar en el resultado

Lo más probable es que la auditoría señale algo que no es un componente: un contacto, un cable fino, un tramo de negativo compartido. Anotá qué pasos de la lista de control te habrían evitado un error que ya cometiste alguna vez: esos son los que no conviene saltear. Si instalás el fusible, medí la tensión sobre él con el motor en marcha: dividida por la corriente, es su resistencia, y es tensión que ya no le llega al motor.

15 · Síntesis

Ideas para recordar

  • En todo circuito hay un fusible: si no lo elegís, lo es la pieza más débil del camino.
  • Cuatro amenazas: exceso de corriente, polaridad invertida, exceso de tensión y calor sostenido. Cada protección ve una sola.
  • La corriente nominal de un fusible es la que sostiene. Corta con seguridad desde el doble, y más rápido cuanto mayor es el exceso.
  • Rápido para cargas estables; lento donde hay picos de arranque. El rearmable limita, se recupera y es lento.
  • Tres condiciones: nominal ≥ normal ÷ 0,75; nominal ≤ falla menor ÷ 2; nominal ≤ lo que soporta el conductor más débil.
  • Fuente, fusible, llave, protección de polaridad y de tensión, capacitor, circuito. El fusible, en el positivo y pegado a la fuente.
  • Un resistor en serie protege una entrada limitando la corriente de sus diodos internos.
  • La disposición es parte del circuito: retornos separados, capacitores cerca, potencia lejos de la señal, errores imposibles.
  • El calor sostenido no tiene protección: se audita pieza por pieza, en el peor caso.
  • El primer encendido se hace con una lista de control y con la corriente limitada.

¿Listo para el Tema 34?

Podés avanzar si sos capaz de responder esto sin mirar:

  • Decir qué significa la corriente nominal de un fusible.
  • Explicar la diferencia entre un fusible rápido y uno lento, y dar un uso de cada uno.
  • Enunciar las tres condiciones para elegir el valor.
  • Decir por qué un fusible de 2 A no protege al motor del taller.
  • Nombrar dos diferencias entre un fusible común y uno rearmable.
  • Decir en qué orden van el fusible, la llave y el diodo, y por qué.
  • Explicar para qué sirve un resistor en serie con una entrada.
  • Enumerar cuatro pasos de la lista de control del primer encendido.

Con esto, el recorrido por los componentes está completo: cada familia, sus límites, sus aplicaciones y cómo protegerlas. Falta la habilidad que las reúne. Frente a una necesidad concreta y un catálogo de miles de piezas, cómo se llega a una lista de materiales que se pueda comprar. En el próximo tema, el método de selección y compra.