História
Primeira etapa
O fusível foi o primeiro componente de proteção utilizado em sistemas elétricos há mais de 212 anos, cujo desenvolvimento pode ser dividido em doze etapas de estudo. A história dos fusíveis e a primeira fase do seu desenvolvimento começa no ano de 1674, altura em que foram publicados os resultados da extensa investigação realizada por Rave. Estas experiências consistiram no estudo do efeito da eletricidade sobre plantas, animais e voluntários humanos, para os quais eram produzidas altas correntes através da descarga de condensadores (garrafas de vidro cobertas interna e externamente com placas metálicas), protegendo os elementos com um condutor de baixa secção. Posteriormente, artigos descrevendo muitos experimentos e explicando algumas aplicações extremamente simples, como a proteção de sistemas telegráficos, apareceram na década de 1880.
É preciso lembrar que naquela época era utilizada apenas corrente contínua, portanto, além da fusão, era necessário ocorrer a rápida separação dos eletrodos para extinguir o arco elétrico. Os primeiros desenhos de fusíveis eram do tipo aberto, portanto o elemento condutor, ao derreter, era expelido em forma de gotas, com maior ou menor violência dependendo da energia da corrente que o fundia. O risco de incêndio e ferimentos pessoais era muito elevado, pelo que o elemento fusível passou a ser introduzido em tubos de vidro com ambas as extremidades abertas, reduzindo os riscos acima mencionados, sem os anular completamente. Esse tipo de fusível não conseguia cobrir as pontas do tubo, pois o resultado quando funcionava em altas correntes era a sua explosão.
Em 1880, mais precisamente em 4 de maio, Edison apresentou a primeira patente de fusíveis, com número 227226, ocorrida nos Estados Unidos, que indicava que o fusível é o elemento fraco do circuito, já que a presença de sobrecorrentes perigosas para o circuito faria com que ele derretesse e cortaria a circulação de corrente. Naquela época, a principal aplicação era na proteção de lâmpadas elétricas caras, que eram danificadas por sobrecorrentes e surtos gerados pela pobreza dos reguladores de tensão utilizados na época. O primeiro fusível fechado foi patenteado na Inglaterra em 1890.
Seguindo as primeiras patentes, podem ser encontrados inúmeros designs introduzindo ideias extremamente engenhosas, muitas delas no sentido de permitir que o fusível seja reutilizável, ou seja, não deve ser descartado após ter funcionado.
Já naquela época se entendia que uma das chaves para a utilização do fusível estava na sua alta confiabilidade, elemento que fica seriamente danificado pelos acréscimos necessários para permitir a reutilização do fusível. De tempos em tempos, ainda hoje, surgem novas ideias para atingir esse objetivo, mas sua aplicabilidade é baixa ou inexistente, por isso o elemento fusível continua sendo descartável ou de operação única.
Segunda etapa
Pode-se considerar que a segunda etapa começa em 1906, com a publicação do livro do pesquisador alemão Meyer, no qual é apresentada uma análise do processo de fusão, muito mais científica do que em artigos anteriores. Nessa etapa, os pesquisadores dedicaram seus esforços principalmente em prever a relação entre o material e as dimensões do elemento fusível com o tempo que levava para atingir a fusão. Você começa a entender o comportamento térmico do fusível, a condução axial e radial, o efeito dos terminais, etc. Nessa época foi definido o principal parâmetro de trabalho do fusível para aquela época, a corrente mínima de fusão. Nessa publicação é apresentada a chamada constante de Meyer, valor que permite determinar o tempo de fusão de um fusível pela densidade de corrente que o atravessa e dependendo do material utilizado, em condições adiabáticas (sem troca de calor). Analiticamente, a constante de Meyer é o valor da integral da densidade de corrente ao quadrado, que armazena no elemento uma quantidade de calor suficiente para causar a fusão, integral que foi chamada de energia específica.
A ideia naquele estágio de desenvolvimento era que se o elemento atingisse a fusão, acabaria por interromper a sobrecorrente. Rapidamente se reconheceu que o cumprimento do primeiro requisito nem sempre significava o cumprimento do segundo. Nessa fase, as energias liberadas pelos sistemas elétricos em casos de falha começaram a ultrapassar a capacidade do fusível em interrompê-lo, então a explosão de fusíveis começou a ser comum. O baixo nível de conhecimento da época sobre o processo de interrupção não nos permitiu reconhecer onde estava o problema. Era normal encontrar nos manuais de instruções sobre o manuseio de fusíveis indicações que hoje parecem ridículas, assim.
Nesta fase de desenvolvimento, os sistemas eléctricos começaram a migrar da corrente contínua para a corrente alternada, pelo que foram construídas linhas de distribuição de considerável extensão e a tensão de trabalho começou a subir, existindo já sistemas com algumas dezenas de quilovolts. Nesse nível de desenvolvimento, estavam disponíveis fusíveis abertos, capazes de operar de alguns volts a 70 kV, chamados fusíveis de expulsão, tendo pouquíssima capacidade de interrupção de corrente.
Dispositivos de alta tensão foram instalados em locais solitários e em pontos altos do poste para reduzir o risco de danos causados por elementos ejetados. Isso significava que os fusíveis só poderiam ser usados nessas tensões para correntes muito baixas, sendo relegados a sistemas de distribuição rural e de baixa potência.
Para a proteção e operação desses sistemas de alta tensão, surgiram chaves baseadas na extinção de óleo, dando origem à ideia de utilizar uma combinação de chave de óleo e fusível, denominada fusível líquido ou óleo. O elemento fusível, tensionado por uma mola, fica localizado no interior do fusível, é enfraquecido pela temperatura atingida, a mola o corta e o movimenta, alongando o arco elétrico que se apaga em óleo. Este dispositivo, em uso há vários anos, permitia poderes de interrupção muito maiores que poderes de expulsão.
Terceira etapa
Considera-se que a terceira etapa começa com o nascimento do dispositivo denominado Power Fuse ou fusível com material externo preenchido, que foi introduzido por pesquisadores alemães na década de 1940. Nessa etapa foram realizados extensos estudos sobre o fenômeno de extinção do arco elétrico e a influência do enchimento, determinando que o melhor elemento extintor era, e ainda hoje é, a areia de quartzo. A ideia de usar areia de quartzo vem de seu uso já difundido para apagar incêndios.
Quarta etapa
Em seguida veio o quarto estágio chamado de era das trevas do estopim, que foi o período em que eclodiu a Segunda Guerra Mundial. Nesta fase, houve um rápido aumento nas energias de falha dos já importantes sistemas elétricos, que em muito pouco tempo superaram os desenvolvimentos pendentes para fornecer ao fusível a capacidade de interrupção para lidar com eles. Além disso, ao mesmo tempo foi introduzido o disjuntor magneto térmico, que como concorrente ameaçava seriamente o então vencido fusível. Esta situação continuou até aproximadamente 1945, ou seja, até ao final da Segunda Guerra Mundial, altura em que começaram a surgir novos e engenhosos desenhos de fusíveis, com uma variedade significativa em diferentes tipos e aplicações.
Quinta etapa
A introdução de inovações importantes para melhorar o desempenho do fusível marcou o início da quinta etapa. Tais inovações são, fundamentalmente: adição do chamado efeito, utilização de elemento fusível com reduções de seção distribuída, utilização de material extintor como enchimento, etc. Essas características colocam mais uma vez o fusível em condições de competir com a recém-chegada chave magneto-térmica, superando-a em termos de capacidade de interrupção e confiabilidade. O fusível de alta capacidade de interrupção atingiu níveis de tensão em torno de 60 kV, entrando assim no campo em que até então era quase exclusivo de chaves. Daquele momento até hoje, o fusível é o dispositivo com maior capacidade volumétrica na gestão da energia de falta, o que se consegue com uma intervenção rápida, fenómenos que se denominam limitação, o que significa que o fusível cancela a corrente sem esperar pela sua passagem natural pelo zero.
Este período coincidiu com a grande expansão global que se seguiu ao fim da guerra, aumentando a dimensão e a procura de sistemas eléctricos, dando origem ao nascimento de grandes empresas fabricantes de fusíveis, principalmente na Europa e na América do Norte.
Sexta etapa
A sexta etapa originou-se com a introdução do semicondutor de estado sólido, que ocorreu no início da década de 1950, embora semicondutores com poderes recentemente importantes tenham visto a luz durante a década de 1970. Os semicondutores de potência têm características operacionais completamente diferentes dos sistemas elétricos. Esta diferença baseia-se, fundamentalmente, na sua elevada densidade energética em condições nominais de funcionamento e na sua reduzida capacidade térmica. Em outras palavras, os semicondutores de potência manipulavam altos valores de energia em um volume muito pequeno, mas tinham uma capacidade muito baixa para suportar sobrecorrentes do tipo curto-circuito. Estas características exigiram um novo tipo de dispositivos de proteção.
O fusível é muito superior a outros dispositivos de proteção para esta tarefa, função que ainda hoje lidera. A adaptação do fusível tradicional para cumprir esta nova função não foi alcançada rapidamente, uma vez que inicialmente os fabricantes de fusíveis pré-existentes não conseguiram desenvolver o fusível adequado. Diante dessa dificuldade, as fábricas de semicondutores de potência criaram suas próprias divisões para desenvolver fusíveis específicos para seus semicondutores. Porém, em um curto espaço de tempo os fabricantes de fusíveis conseguiram entender os requisitos do semicondutor, harmonizando parâmetros e características, encarregando-se de sua fabricação. As fábricas de fusíveis pertencentes aos fabricantes de semicondutores estavam desaparecendo lentamente, à medida que os especialistas mais uma vez tomavam o negócio em suas mãos.
Daquela época até aproximadamente a década de 1990, a velocidade de desenvolvimento dos fusíveis diminuiu bastante, principalmente devido à forte posição desses dispositivos em sistemas elétricos. Naquele período, não houve nenhuma inovação excepcional no desenvolvimento de fusíveis, exceto a capacidade de realizar estudos analíticos muito mais precisos utilizando o poder dos computadores e técnicas de análise como elementos finitos, diferenças finitas, Rede de Linhas de Transmissão, etc. Além disso, não podemos esquecer a política comercial extremamente agressiva e muitas vezes com pouco embasamento técnico dos fabricantes de chaves termomagnéticas de baixa tensão, que se apresentam como a panacéia dos dispositivos de proteção.
Sétima etapa
Na década de 1990, teve início a sétima etapa de desenvolvimento dos fusíveis, que pode ser considerada gerada pelo chamado Slim Fuse. Um dos campos de aplicação mais difíceis dos fusíveis é para correntes nominais baixas, da ordem de frações de amperes até não mais que 10 A. Para funcionar adequadamente com essas correntes nominais, o elemento fusível deve ter dimensões tão pequenas que o tornem incontrolável na montagem, do ponto de vista mecânico. Surge assim o chamado Substrato Fusível, que consiste no material condutor depositado sobre uma placa isolante, semelhante aos circuitos impressos amplamente desenvolvidos para a montagem de dispositivos eletrônicos. Diversas técnicas são utilizadas para deposição do material condutor, como ataque fotográfico e ácido utilizado em circuitos impressos, deposição a vácuo utilizada no revestimento de materiais não condutores, máscara permeável aplicada em rotulagem, etc. à miniaturização da eletrônica, podendo-se afirmar que cada equipamento eletrônico moderno possui atualmente um ou mais fusíveis, como celulares, câmeras digitais, filmadoras, etc. Outro campo de desenvolvimento de altíssima corrente é o fusível automotivo, devido à crescente adição de eletrônica e eletricidade no automóvel. Este, totalmente elétrico ou simplesmente híbrido, contém muitos circuitos elétricos e com eles um grande número de fusíveis, o que daria origem à próxima etapa, é o acréscimo de capacidade de tomada de decisão ou adaptação, o que faria com que seu funcionamento fosse modificado. por condições de trabalho independentemente da magnitude da corrente inteligente, dos quais alguns avanços já estão sendo produzidos, ainda incipientes e altamente protegidos devido às suas possibilidades de serem patenteados.