Segurança é um fator fundamental nas instalações de quaisquer equipamentos alimentados pela rede de energia. No caso dos equipamentos industriais, por exemplo, uma falha de ligação à terra pode tanto significar riscos para os operadores (como até a irradiação de ruídos) que é bem definida por normas e até mesmo uma operação problemática. O circuito integrado LM1851, da National Semiconductor, é um componente que tem justamente por função detectar quando ocorre uma falha num equipamento com fugas de corrente para a terra. (2000)
O circuito integrado LM1851, da National Semiconductor, foi projetado para proporcionar uma proteção contra a falta de conexão à terra em tomadas de energia que alimentam tanto os equipamentos industriais quanto os de consumo.
Se uma corrente para a terra acima de um certo valor pré-ajustado for detectada, o circuito disparará a um SCR externo que interromperá a alimentação do equipamento conectado.
Além da detecção de problemas com os fios "vivos" ou fases, esse circuito também pode detectar problemas de fugas do neutro.
O circuito integrado foi projetado para ficar dentro das normas americanas de temporização (U.S. UL943) de modo a ter o máximo de imunidade ao disparo errático provocado por ruídos.
Outros recursos especiais deste componente incluem circuitos que ressetam rapidamente o capacitor de temporização no caso de pulsos de ruído que
provoquem a produção de correntes de carga indesejáveis, além de um circuito de memória que permite a operação do CI mesmo quando ele opera com dispositivos que tenham retificação de meia onda.
Na figura 1 temos o diagrama de blocos do circuito integrado LM1851, que é fornecido em invólucro DIL de 8 pinos.
APLICAÇÕES
Na figura 2 é mostrado um circuito de aplicação no qual ocorre a interrupção da alimentação de um equipamento, se uma corrente de fuga para a terra for detectada.
O circuito é projetado para a rede de 120 V, disparando se a corrente de fuga superar os 5 mA.
Quando uma fuga para a terra provoca o disparo do SCR, o circuit-breaker é energizado e a tensão da linha é removida da carga.
Neste momento, a corrente de fuga deixa de circular e com isso é gerada uma corrente de descarga pelo CI. Isso faz com que ele imediatamente ressete tanto o capacitor de tempo quanto o latch de saída.
Neste instante, o circuit-breaker pode ser ressetado também e a tensão da rede restabelecida na carga, assumindo-se que a causa do problema tenha sido removida.
Um transformador sensor de 100:1 é usado para detectar a corrente de fuga. A corrente de fuga que é basicamente a diferença entre as correntes do fio vivo e do
neutro, é reduzida em 100 vezes e aplicada aos pinos de entrada do amplificador operacional (pinos 2 e 3). O capacitor de 3,3 nF e o capacitor de 200 pF (entre os pinos 3 e 4) são adicionados para obter-se maior imunidade ao ruído.
A sensibilidade normal à fuga é determinada pela corrente de descarga do
capacitor de temporização (Ith) e pode ser calculada pela seguinte fórmula:
No ponto de decisão a corrente média de fuga é justamente igual à corrente de limiar Ith:
Onde I(rms) é a corrente de fuga de entrada no amplificador operacional e o fator 2 é devido ao fato de que It carrega o capacitor de temporização somente nos semiciclos positivos, enquanto Ith descarrega o capacitor continuamente. O fator 0,91 converte o valor rms para um valor médio.
Combinando as duas equações anteriores, temos:
Para obter 5 mA, conforme o circuito dado como exemplo, temos:
O valor correto de Rset poderá ser determinado também pelas curvas características do componente.
Independentemente do ajuste de sensibilidade, o tempo desejado de integração pode ser obtido através da seleção apropriada do capacitor de temporização C1. Devido ao grande número de variáveis envolvidas, uma seleção apropriada é melhor se for realizada de forma empírica.
O seguinte exemplo pode ser usado como guia:
Assuma que a meta seja seguir as normas UL943 de temporização . Assuma ainda que o pior caso de temporização ocorre durante a partida de GFI (S1 fecha) com uma fuga normal e um resistor de terra de 2 Ω presente, conforme ilustra o circuito da figura 3.
A norma UL943 especifica um tempo de excursão médio menor que 25 ms, nestas condições. Os cálculos de C1 baseados nas condições indicadas de corrente de carga durante uma falha ou fuga, são feitos da seguinte forma:
* Tempo menor que 25 ms
* 8 ms de perda potencial em um meio ciclo devido ao sensoriamento da corrente de fuga apenas nos meio ciclos
* 4 ms de tempo necessário para abrir o circuit breaker.
Total: 10 ms - tempo de integração máximo permitido.
8 ms - tempo de integração que acomoda as tolerâncias dos componentes e outras variáveis,
Onde: T = tempo de integração
V = tensão limitar
I = corrente média de fuga em Ct.
Com os valores dados:
Na prática, o valor real de C1 deve ser modificado para incluir os efeitos da ligação à terra devido à corrente de carga. O efeito das correntes do loop de neutro dificultam a quantificação, mas tipicamente eles se somam com a corrente de fuga, exigindo assim valores maiores de C1.
Nas aplicações práticas constatou-se que um capacitor de 0,015 µF fornece um excelente compromisso entre temporização e ruído.
Este artigo foi baseado nos dados do LM1851, obtidos do Special Purpose Linear Devices, da National Semiconductor.
