Historia
Primera etapa
El fusible fue el primer componente de protección usado en los sistemas eléctricos desde hace más de 212 años, cuyo desarrollo puede dividirse para su estudio en doce etapas. La historia de los fusibles y la primera etapa de su desarrollo comienza en el año 1674, momento en el cual se publican los resultados de la extensa investigación llevada a cabo por Rave. Estos experimentos consistían en el estudio del efecto de la electricidad sobre las plantas, animales y voluntarios humanos, para lo cual se producían corrientes elevadas mediante descargas de condensadores (botellas de vidrio recubiertas internamente y externamente con placas metálicas), protegiendo a los elementos con un conductor de baja sección. Posteriormente, fueron apareciendo artículos describiendo muchos experimentos y explicando algunas aplicaciones extremadamente simples, como por ejemplo: la protección de sistemas telegráficos, llegaron a la década de 1880.
Debe recordarse que en esos momentos se trabajaba solamente en corriente continua, por lo que además de la fusión debía producirse la rápida separación de los electrodos a fin de apagar el arco eléctrico. Los primeros diseños de fusibles eran de tipo abierto, por lo que el elemento conductor, cuando fundía era expulsado en forma de gotas, con mayor o menos violencia según la energía de corriente que lo fundía. El riesgo de incendio y de daño personal era muy elevado, con lo que se comenzó a introducir al elemento fusible en tubos de vidrio con ambos extremos abiertos, disminuyendo los riesgos citados, sin anularlos totalmente. Este tipo de fusible, no se podían tapar los extremos del tubo, ya que el resultado cuando operaba en corrientes altas, era su explosión.
En el año 1880, más precisamente el 4 de mayo, Edison presenta la primera patente sobre fusibles, con el número 227226, la cual tiene lugar en Estados Unidos, en la cual se indica que el fusible es el elemento débil del circuito, ya que la presencia de sobrecorrientes peligrosas para el circuito lo harían fundirse y cortar la circulación de corriente. En ese momento, la principal aplicación era en la protección de las costosas lámparas eléctricas, que se dañaba por la sobrecorriente y las sobretensiones que se generaban en la pobreza de los reguladores de tensión usados en esa época. El primer fusible cerrado fue patentado por en Inglaterra en el año 1890.
Siguiendo a las primeras patentes, pueden encontrarse infinidad de diseños introduciendo ideas sumamente ingeniosas, muchas de ellas en la dirección de permitir que el fusible fuera reusable, o sea, no debiera descartarse después de haber operado.
Ya en ese momento se entendió que unas de las claves de uso del fusible radicaba en su elevada confiabilidad, elemento que se ve seriamente perjudicado con los agregados necesarios para permitir que el fusible fuera re-usable. De tiempo en tiempo, aún en la actualidad, surgen ideas nuevas para alcanzar ese objetivo, pero su aplicabilidad es baja o nula, por lo cual, el elemento fusible sigue siendo descartable o de una sola operación.
Segunda etapa
Se puede considerar que la segunda etapa comienza en el año 1906, con la publicación del libro del investigador alemán Meyer, en la cual se presenta un análisis del proceso de fusión, mucho más científico que en los artículos previos. Durante esta etapa, los investigadores dedicaron sus esfuerzos principalmente a la predicción de la relación entre el material y dimensiones de elemento fusible con el tiempo tardado por el mismo en alcanzar la fusión. Se comienza a entender el comportamiento térmico del fusible, la conducción axial y radial, el efecto de los terminales, etc. En ese momento se definió el principal parámetro de trabajo del fusible para esa época, la corriente mínima de fusión. En esa publicación se presenta la denominada constante de Meyer, valor que permite determinar el tiempo de fusión de un fusible por la densidad de corriente que lo atraviesa y en función del material empleado, bajo condiciones adiabáticas (sin intercambio de calor). En forma analítica, la constante de Meyer es el valor de la integral de la densidad de corriente elevada al cuadrado, la cual almacena en el elemento una cantidad de calor suficiente para provocar la fusión, integral que recibió el nombre de energía específica.
La idea en esa etapa de desarrollo, era en que si el elemento alcanzaba la fusión, eventualmente interrumpiría la sobrecorriente. Al poco tiempo se reconoció que cumplir con el primer requisito no siempre significaba el cumplimiento del segundo. En esa etapa, las energías liberadas por los sistemas eléctricos en casos de fallas comenzaron a superar a la capacidad del fusible para su interrupción, por lo que comenzó a ser común la explosión del fusible. El bajo nivel de conocimientos del momento sobre el proceso de interrupción, no permitía reconocer donde radicaba el problema. Era normal encontrar en los manuales de instrucciones sobre el manejo de fusibles, indicaciones que hoy parecen ridículas, como que.
En esta etapa del desarrollo, los sistemas eléctricos comenzaron a migrar de corriente continua a corriente alterna, por lo que se construyen líneas de distribución de longitud importante y se empieza a elevar la tensión de trabajo, ya teniéndose sistemas con algunas decenas de kilovoltios. En esa altura de desarrollo se disponía fusibles abiertos, capaces de funcionar desde unos pocos voltios hasta los 70 kV, recibiendo el nombre de fusible de expulsión, poseyendo muy poca capacidad de interrupción de corriente.
Los dispositivos de alta tensión se instalaban en lugares solitarios y en puntos elevados del poste, para reducir el riesgo de daño por los elementos expulsados. Esto significaba que solo podía emplearse fusibles en esas tensiones para corrientes muy bajas quedando relegados a los sistemas de distribución de baja potencia y rurales.
Para la protección y operación de estos sistemas de mayor tensión, existían interruptores basados en la extinción en aceite, naciendo la idea de emplear una combinación de interruptor en aceite y fusible, denominado El elemento fusible, tensionado por un resorte, se encuentra dentro que el fusible se debilita por la temperatura alcanzada, el resorte lo corta y desplaza, alargando el arco eléctrico que se apaga en aceite. Este dispositivo, en uso durante varios años, permitía potencias de interrupción mucho mayores que las de expulsión.
Tercera etapa
La tercera etapa se considera que se inicia con el nacimiento del dispositivo denominado Fusible de potencia o fusible con material exterior con relleno, que fue introducido por investigadores alemanes durante la década de 1940. Durante esa etapa, se efectuaron extensos estudios sobre el fenómeno de extinción del arco eléctrico y la influencia del relleno, determinando que el mejor elemento extintor era y todavía lo es hoy, la arena de cuarzo. La idea del empleo de la arena de cuarzo nace de su ya difundido uso para el apagado de incendios.
Cuarta etapa
A continuación se presentó la cuarta etapa denominada la era oscura del fusible, que fue el período en el cual se desencadenó la Segunda Guerra Mundial. En esta etapa, se produjo un rápido incremento de las energías de falla de los ya importantes sistemas eléctricos, que superó en muy corto tiempo a los desarrollos pendientes a suministrar al fusible la capacidad de ruptura para manejaras. Además, contemporáneamente se introdujo el interruptor automático magneto térmico, que como competidor amenazó seriamente, al en ese momento atrasado fusible. Esta situación se mantuvo hasta aproximadamente el año 1945, es decir, hasta finales de la Segunda Guerra Mundial, momento en el que comenzaron a aparecer nuevos e ingeniosos diseños de fusibles, con una importante variedad en distintos tipos y aplicaciones.
Quinta etapa
La introducción de innovaciones importantes para mejorar el comportamiento del fusible marcó el inicio de la quinta etapa. Tales innovaciones son, fundamentalmente: el agregado del denominado efecto, uso de elemento fusible con reducciones de sección distribuidas, utilización de material extintor como relleno, etcétera. Tales características pusieron nuevamente al fusible en condiciones de competir con el recién llegado interruptor magnetotérmico, superándolo el fusible en lo que se refiere a capacidad de ruptura y fiabilidad. El fusible de elevada capacidad de interrupción, alcanzó niveles de tensión del orden de los 60 kV, con lo que se introdujo en el campo en el que hasta ese momento era casi exclusivo para los interruptores. Desde ese momento y hasta la actualidad, el fusible es el dispositivo con mayor capacidad volumétrica en el manejo de energía de fallas, lo que se logra con la rápida intervención, fenómenos que se denominan limitación, que significa que el fusible anula la corriente sin esperar su paso natural por cero.
Este período coincidió con la gran expansión mundial que le siguió al final de la guerra, creciendo el tamaño y la demanda de los sistemas eléctricos, dando lugar al nacimiento de grandes empresas fabricantes de fusibles, fundamentalmente en Europa y Norteamérica.
Sexta etapa
La sexta etapa se originó con la introducción del semiconductor de estado sólido, que tuvo lugar en los comienzos de la década del 1950, si bien los semiconductores con potencias recientemente importantes vieron la luz durante la década de 1970. Los semiconductores de potencia poseen característica de operación totalmente diferentes a los sistemas eléctricos. Basada tal diferencia, fundamentalmente, en su elevada densidad de energía bajo condiciones de funcionamiento nominal y su reducida capacidad térmica. En otras palabras, los semiconductores de potencia, manejaban elevados valores de energía en muy pequeño volumen, pero poseían muy baja capacidad para soportar sobrecorrientes del tipo corto-circuito. Estas características requerían de un nuevo tipo de dispositivos protectores.
El fusible resulta muy superior a los restantes dispositivos protectores para esta tarea, función que todavía hoy sigue liderando. La adaptación del fusible tradicional, para cumplir con esta nueva función no fue rápidamente lograda, ya que inicialmente los fabricantes pre-existentes de fusibles no fueron capaces de desarrollar el fusible adecuado. Ante esta dificultad, las fábricas de semiconductores de potencia crearon sus propias divisiones de desarrollo de fusibles específicos para sus semiconductores. No obstante, en un breve espacio de tiempo los fabricantes de fusibles pudieron entender los requerimientos del semiconductor, armonizando parámetros y características, haciéndose cargo de la fabricación de los mismos. Las fábricas de fusibles pertenecientes a los fabricantes de semiconductores fueron lentamente desapareciendo, al haber tomando nuevamente los expertos el negocio en sus manos.
Desde ese momento, hasta aproximadamente la década del 1990, la velocidad del desarrollo de fusibles se redujo en gran medida, fundamentalmente debido a la fuerte posición de estos dispositivos en los sistemas eléctricos. En ese período, no se produjo ninguna innovación excepcional en el desarrollo de los fusibles, salvo la habilidad de realizar estudios analíticos muchos más precisos empleando el poder de las computadoras y técnicas de análisis tales como las de elementos finitos, diferencias finitas, Transmission Line Network, etcétera. Tales estudios analíticos, permitieron comprender mejor el funcionamiento y facilitaron la optimización de las dimensiones y materiales empleados en los dispositivos. Además no debe olvidarse la política comercial sumamente agresiva y muchas veces con poco fundamento técnico de los fabricantes de interruptores termo-magnéticos de baja tensión, que son presentados como la panacea de los dispositivos de protección.
Séptima etapa
En la década del 1990 se inicia la séptima etapa de desarrollo de fusibles, que se puede considerar como generada por el denominado Fusible Delgado. Uno de los campos de aplicación más difícil del fusibles es para corrientes nominales bajas, del orden desde las fracciones de amperes hasta no más de 10 A. Para operar adecuadamente con estas corrientes nominales, el elemento fusible debe poseer dimensiones tan pequeñas, que lo vuelven inmanejable en el armado, desde el punto de vista mecánico. Aparece así el denominado Fusible en Sustrato, que consiste en el material conductor depositado sobre una placa de aislante, similar a los circuitos impresos ampliamente desarrollados para el armado de los dispositivos electrónicos. Se emplean varias técnicas de deposición del material conductor, como es la fotográfica y ataque por ácido empleada en los circuitos impresos, deposición en vacío usada en las plateados de materiales no conductores, máscara permeable aplicada en el etiquetado, etc. Como sustrato se utiliza alúmina, ailicio"), mica, etc. En la actualidad se encuentran en desarrollo, fusibles de dimensiones aun menores, denominados fusibles litográficos, ya que se obtienen por el conocido método de offset, empleando sustrato muy delgado y flexible. La necesidad de fusibles de bajo tamaño es cada vez mayor, por la miniaturización de la electrónica, pudiendo afirmar que cada equipo electrónico moderno posee en la actualidad uno o más fusibles, como por ejemplo los teléfonos móviles, las cámaras fotográficas digitales, filmadoras, etc. Otro campo de muy alto desarrollo actual fusible para automotores, debido al agregado cada vez mayor de electrónica y electricidad en el automóvil. Éste, totalmente eléctrico o simplemente híbrido, contiene muchísimos circuitos eléctricos y con ellos un gran número de fusibles. El próximo desarrollo que se espera de fusibles, que daría lugar a la próxima etapa, es el agregado de capacidad o habilidad de toma de decisiones o de adaptación, que haría que su operación sea modificada por condiciones de trabajo independientemente de la magnitud de la corriente. Dando así lugar al denominado fusible inteligente, del que ya se están produciendo algunos avances todavía incipientes y muy protegidos por sus posibilidades de ser patentados.