Fusibili Termici Automobilistici: Protezione Essenziale per i Circuiti Elettrici

I fusibili elettrici sono dispositivi fondamentali per la sicurezza dei circuiti, proteggendoli da sovracorrenti, ovvero sovraccarichi e cortocircuiti. Negli impianti di vecchia data, il fusibile era la principale protezione contro i cortocircuiti, mentre per garantire la protezione anche dai sovraccarichi, era necessario affiancare i fusibili a degli interruttori termici. Questi componenti, spesso di piccole dimensioni, sono essenziali per prevenire danni a cose e persone, in particolare agli altri dispositivi presenti nel circuito elettrico, che altrimenti avrebbero un costo ben maggiore.

Che cos'è un Fusibile e come funziona

Un fusibile è costituito da una cartuccia, generalmente cilindrica, in vetro o ceramica, al cui interno è presente un sottile filo conduttore chiamato elemento fusibile. Attraverso questo filo passa la corrente nominale del circuito da proteggere, e esso è progettato con una portata amperometrica ben precisa.

Il principio fisico sfruttato dai fusibili è l'Effetto Joule, secondo cui il flusso di corrente elettrica produce una quantità di calore direttamente proporzionale alla propria intensità. Le sovracorrenti generano calore anche molto elevato che può 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, impedendo al flusso elettrico di circolare.

Il fusibile dovrebbe lavorare con una corrente continua inferiore al 90% del valore di soglia che lo caratterizza, alla temperatura ambiente di 25°C.

I fusibili sono caratterizzati da un alto potere di interruzione e lavorano bene nell'interruzione e nella limitazione della corrente. Sono facilmente adattabili in caso di ampliamenti degli impianti elettrici, non hanno bisogno di manutenzione e sono facilmente sostituibili in caso di guasto, ristabilendo così il funzionamento del sistema. Il circuito elettrico può però essere ripristinato solo dopo il rilevamento e la riparazione del guasto che ha determinato l'intervento del fusibile. La loro taratura è prestabilita e non modificabile.

Dove si trovano i fusibili nei veicoli

I fusibili sono componenti molto diffusi e si possono trovare in particolar modo all'interno delle automobili per le più svariate funzionalità. Proteggono i circuiti elettrici dell'automobile da cortocircuiti e non causano danni agli altri elementi dei circuiti. Sono impiegati in sistemi come il clacson, i fari, l'accendisigari, le luci, i tergicristalli, i sensori, la radio, gli airbag e molti altri. In passato erano utilizzati fusibili lineari detti per la forma a siluro (o torpedo), di dimensioni 8 x 25 mm.

Classificazione dei Fusibili in base alla rapidità di intervento

La scelta di un fusibile è determinata non solo dalla portata in ampere e dal tipo di cartuccia, ma anche dalla tensione di utilizzo e dalla rapidità di intervento. La classificazione tipica dei fusibili si basa proprio sulla loro caratteristica di intervenire più o meno rapidamente.

Fusibili Super Rapidi

Questi fusibili 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. Il simbolo della caratteristica tempo/corrente è FF. In caso di dimensionamento di fusibili ultrarapidi bisogna considerare anche il valore I²t totale del fusibile opportunamente declassato in funzione della tensione di utilizzo e la portata del fusibile in quanto un fusibile ultrarapido non può essere utilizzato fino alla propria corrente nominale.

Fusibili Rapidi

I fusibili rapidi sono componenti in grado di proteggere repentinamente i circuiti elettrici. Si attivano quasi immediatamente, appena si verifica un sovraccarico di corrente. Il simbolo della caratteristica tempo/corrente è F. Un esempio di codice fusibile è F 1,6A L 250V, che indica un fusibile rapido da 1,6A a 250V. I modelli per la protezione di impianti elettrici sono in genere rapidi (gG/gL o F) nel caso in cui si proteggano linee di distribuzione e trasformatori.

Fusibili Semirapidi

Questi fusibili sono noti 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. Il simbolo della caratteristica tempo/corrente è M.

Fusibili Ritardati

I fusibili ritardati hanno la peculiarità di intervenire con un breve ritardo. Sono 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. Il simbolo della caratteristica tempo/corrente è T. Un esempio di codice fusibile è T 315mA L 250V, che indica un fusibile ritardato da 315 mA a 250 V. Si utilizzano fusibili ritardati (aM o T) per sopportare le intense sovracorrenti prodotte dall'avviamento di motori elettrici.

Dimensionamento e Caratteristiche dei Fusibili

I fusibili sono caratterizzati da parametri che determinano le loro prestazioni. Per scegliere un fusibile adatto alle proprie esigenze, bisogna consultare le caratteristiche tecniche del componente e verificare la tensione del circuito, la frequenza e la corrente presunta di cortocircuito. È importante leggere le caratteristiche tempo-corrente e di interruzione del sistema per capire se sono necessarie altre precauzioni per la protezione dell'impianto elettrico.

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. La soglia di corrente che caratterizza ciascun fusibile può essere identificata in base ad un codice colorimetrico. Più la dimensione del fusibile è grande e più sarà elevata la soglia di corrente che determina la rottura del filamento. Esistono quindi fusibili di dimensioni differenti, ciascuno con un determinato limite di amperaggio. I numeri indicati sui fusibili rappresentano la soglia in Ampere.

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 a 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, poiché 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.

Codici Colore 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. Le tabelle dei colori sono convenzionali e sono utili per la sostituzione. Ad 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). È importante consultare i listati per sostituire un fusibile danneggiato con uno equivalente.

Di seguito è riportato un codice generale dei colori attribuiti ai fusibili tramite 1 punto:

• Salmone o rosa: 50 mA (milli Ampere)
• Nero: 60 mA (ossia 0,06 A)
• Grigio: 100 mA (ossia 0,1 A)
• Rosso: 150 mA (ossia 0,15 A)
• Marrone: 250 mA (ossia 0,25 A)
• Giallo: 500 mA (ossia 0,50 A)
• Verde: 750 mA (ossia 0,75 A)
• Blu: 1 A
• Azzurro: 1.5 A

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. Il fusibile da cambiare deve essere sempre della stessa dimensione, dello stesso colore e dello stesso valore di quello che si è bruciato. Generalmente valore e colore coincidono.

Sostituzione di un Fusibile

Quando i fusibili svolgono la loro funzione e si fondono, devono essere sostituiti. L'operazione va fatta con attenzione rispettando le norme di sicurezza, ovvero a corrente staccata e utilizzando lo stesso tipo di fusibile presente in origine. È inoltre fondamentale comprendere il motivo che ha causato l'intervento del componente, per evitare che il problema si ripresenti e che possa scaturire un incendio.

È importante anche considerare la temperatura ambiente a cui lavora il fusibile (che deve essere di 25 gradi) perché per temperature superiori potrebbe non funzionare come ci si aspetta in caso di sovracorrente. Proprio per l'ampia gamma di fusibili presenti in commercio, non è remota la possibilità di scegliere quello sbagliato. Il modo migliore per fare le cose correttamente è aver ben presente come vengono catalogati i fusibili e come devono essere dimensionati.

Fusibili Termici (TCO) e Auto-ripristinanti

Oltre ai fusibili tradizionali, esistono tipologie di fusibili progettati per rispondere a specifiche esigenze di protezione, come i fusibili termici e quelli auto-ripristinanti.

Fusibili Termici (Thermical Cut-Offs - TCO)

I fusibili termici hanno il potere di interrompersi quando la temperatura del fusibile (e quindi dell'ambiente circostante) supera una certa soglia. I valori di soglia cambiano da un costruttore all'altro, ma solitamente vanno dai 50 °C ai 300 °C. Il loro funzionamento si basa sulle proprietà di un dischetto realizzato in lamina bimetallica, a seconda dello stato on/off, la sua sezione cambia da concava a convessa e viceversa.

I fusibili termici sono un elemento di sicurezza fondamentale in molte applicazioni elettroniche moderne. Che si tratti di batterie, cavi di ricarica USB-C o unità di controllo compatte, essi garantiscono una protezione affidabile dei componenti sensibili in caso di surriscaldamento. Funzionano come componenti di protezione ad attivazione termica, reagendo a limiti di temperatura definiti e interrompendo il circuito se vengono superati, per evitare danni all'elettronica. Le varianti meccaniche, come i mini-interruttori, utilizzano una striscia bimetallica che si deforma quando viene riscaldata, aprendo così il contatto. I dispositivi di interruzione termica polimerici (P-TCO), invece, cambiano la loro conduttività quando si surriscaldano, limitando così fortemente il flusso di corrente. Entrambe le tecnologie sono poco ingombranti e affidabili e vengono utilizzate per la ricarica di dispositivi elettronici, pacchi batteria e dispositivi portatili.

Dove si usano i fusibili termici

I fusibili termici sono utilizzati in numerose applicazioni nell'elettronica di consumo, nella tecnologia medica e nell'elettronica industriale. Sono particolarmente impiegati nelle batterie agli ioni di litio, ad esempio nei notebook, nei tablet o negli utensili a batteria. Anche i cavi di ricarica USB-C richiedono una protezione contro il surriscaldamento dovuto a contatti difettosi o a sovracorrenti: in questo caso i P-TCO offrono una soluzione ripristinabile. Altre aree di applicazione sono le fotocamere digitali, l'illuminazione a LED, i power bank e le unità di controllo dei veicoli.

Tipi di fusibili termici

Si distingue principalmente tra fusibili meccanici e fusibili termici a base di polimeri. I mini-interruttori meccanici scollegano permanentemente il circuito non appena viene superata una determinata temperatura. Rimangono aperti finché l'alimentazione non viene interrotta e la temperatura non si abbassa. I dispositivi termici polimerici (P-TCO), invece, reagiscono con un improvviso aumento della resistenza, ma sono auto-ripristinanti e particolarmente poco ingombranti. Entrambi i tipi soddisfano requisiti diversi in termini di comportamento di intervento, dimensioni e riutilizzabilità.

L'importanza dei fusibili termici nei pacchi batteria

I fusibili termici sono essenziali per l'uso sicuro delle batterie agli ioni di litio, in quanto la fuga termica può innescare reazioni pericolose come incendi o esplosioni. I Mini-Breaker interrompono tempestivamente l'alimentazione in caso di surriscaldamento della batteria, sia a causa di un sovraccarico, di un guasto interno o di un cortocircuito. I componenti sono abbinati a temperature di attivazione definite e interrompono il circuito in modo permanente. In questo modo la cella interessata rimane isolata fino al raggiungimento di una temperatura sicura.

Fusibili termici vs. fusibili miniaturizzati classici

I fusibili termici reagiscono ai carichi termici, mentre i fusibili miniaturizzati classici sono progettati per i livelli di corrente. Ciò significa che i fusibili termici interrompono il flusso di corrente non solo in caso di cortocircuito o sovracorrente, ma anche a valori di temperatura definiti. Di conseguenza, offrono una protezione tempestiva, ad esempio in caso di malfunzionamenti termici nelle batterie o nelle connessioni a spina. Inoltre, molti P-TCO sono resettabili, il che li rende interessanti per le applicazioni riutilizzabili. I fusibili tradizionali, invece, devono essere sostituiti.

L'influenza della temperatura ambiente sui fusibili termici ripristinabili

Un fusibile termico ripristinabile, tecnicamente classificato come termistore PTC (Positive Temperature Coefficient), reagisce alla somma dell'autoriscaldamento ohmico e della temperatura ambiente prevalente. Se il carico termico nell'alloggiamento aumenta, la matrice polimerica del componente si espande, causando la perdita di contatto tra le particelle conduttive e, di conseguenza, un rapido aumento della sua resistenza, che in questo modo abbatte la corrente.

Fusibili Auto-ripristinanti

In alcune situazioni particolari dove il cortocircuito o il sovraccarico possono essere frequenti e nella norma, per evitare di sostituire frequentemente i fusibili, si utilizzano particolari modelli in grado di ripristinarsi automaticamente al cessare della causa.

Un fusibile a recupero automatico è diverso dal tradizionale fusibile a un colpo, che può proteggere il circuito per molte volte senza smontaggio e sostituzione. Sono costituiti da un resistore "PTC" (Positive Temperature Coefficient) ovvero un resistore di valore relativamente basso in grado di incrementare la propria resistenza con la temperatura: al superamento di un valore di corrente, l'aumento della temperatura del dispositivo causa un rapido incremento della sua resistenza che in questo modo abbatte la corrente.

Dopo che il fusibile di auto-recupero inizia la protezione, il circuito non viene completamente interrotto. C'è ancora una piccola corrente nel circuito, ma la riduzione istantanea a una corrente molto debole fa sì che l'apparecchiatura del circuito smetta di lavorare. È necessario spegnere prima manualmente e quindi ripristinare l'alimentazione dopo la risoluzione dei problemi, in modo che il circuito possa riprendere il normale funzionamento. Se l'errore non viene eliminato, o se l'errore si verifica nuovamente, dopo la rigenerazione, il fusibile di auto-ripristino avvia nuovamente la protezione.

Importanti modifiche avvengono prima e dopo che il fusibile di auto-ripristino avvia la protezione. Prima della protezione, è la temperatura normale; dopo la protezione, la temperatura aumenta e la temperatura interna raggiunge 130°C. Il processo di recupero del fusibile di auto-recupero è il processo della propria riduzione della temperatura. Dopo l'alimentazione, nessuna corrente attraversa il calore non più, recupero di calore prima dell'inizio della temperatura e dello stato.

Norme CEI per i Fusibili

I fusibili sono oggetto di Norme CEI del Comitato Tecnico 32. In particolare, le normative rilevanti includono:

• CEI EN 60269-1 (CEI 32-1): Tratta delle prescrizioni generali.
• CEI EN 60269-2 (CEI 32-4): Riguarda i fusibili ad uso industriale.
• CEI EN 60269-3 (CEI 32-5): Regolamenta l'uso di fusibili in ambito domestico e similare.
• CEI EN 60269-4 (CEI 32-7): Inerente i dispositivi a semiconduttori.
• CEI EN 61459 (CEI 32-15): Riguarda il coordinamento tra fusibili e avviatori.
• CEI 32-16: Riguarda l'impiego dei fusibili per avviatori e motori.
• CEI 32-18: Regolamenta le applicazioni dei fusibili a bassa tensione.

Queste normative assicurano che i fusibili siano prodotti e utilizzati in modo sicuro ed efficiente, garantendo la conformità e l'affidabilità nei diversi contesti applicativi.

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