Teste de isolamento (INS130)

A prova de isolamento de condutores e dispositivos eletroeletrônicos de diversos tipos onde resistências de dezenas de megohms já podem significar um problema, somente poderá ser feita com a aplicação de uma tensão suficientemente alta para excitar os instrumentos de medida. Isso significa que, instrumentos comuns como os multímetros analógicos não são apropriados para esta finalidade. O teste que descrevemos, apesar de ser portátil e operar com pilhas, gera altas tensões de prova podendo superar os 500 V, o que lhe garante um desempenho à altura que este tipo de aplicação exige. Trata-se de uma solução alternativa para quem não possui um megôhmetro.

Uma resistência de alguns megohms ou mesmo algumas dezenas de megohms entre os enrolamentos de um transformador, ou entre os condutores de um fio que transporte dados num link de computadores ou para um sensor de uma máquina industrial (ou seu controle) poderá significar problemas, e estes problemas exigem técnicas especiais para sua detecção.

Muito mais graves são as resistências de fugas que podem ocorrer por deficiências de isolamento, que aparecem em máquinas industriais, eletrodomésticos e eletrônicos alimentados pela rede de energia onde existe o perigo de choques para os operadores.

Uma máquina industrial que opere com um elemento de aquecimento atuando sobre produtos úmidos e que tenha este elemento umedecido ou ainda suas conexões internas deterioradas, poderá deixar passar pequenas correntes para a carcaça, as quais podem ser extremamente perigosas para um operador que esteja, por exemplo, descalço. Observe a ilustração da figura 1.

Um aterramento mal-feito pode causar choques perigosos.

Na bancada, o mesmo tipo de fuga num soldador pode aplicar tensões perigosas na ponta quente capazes de causar a queima de dispositivos mais delicados como transistores de efeitos de campo e circuitos integrados CMOS, pelo simples toque.

O aparelho que descrevemos aqui é muito interessante para quem trabalha em condições onde a detecção de fugas ou problemas de isolamento sejam importantes.

Ao gerar uma alta tensão de prova, da ordem de 500 volts, ele pode detectar fugas muito pequenas, mesmo as responsáveis por resistências de muitos meg? que aparelhos diversos operando com baixas tensões não acusariam.

Funcionando com pilhas e tendo uma lâmpada neon como indicadora, este aparelho é bastante simples de montar, não exigindo nem ajustes especiais nem componentes críticos.

Dentre as provas que podem ser feitas com ele, destacamos as seguintes:

• Isolamento de cabos e fios
• Isolamento de máquinas industriais
• Isolamento entre enrolamentos de transformadores
• Isolamento de eletrodomésticos
• Isolamento entre componentes e invólucros ou carcaças
• Isolamento de capacitores e outros componentes que tenham dielétricos
• Isolamento de instalações ou fiações elétricas

CARACTERÍSTICAS

• Tensão de alimentação: 6 V
• Corrente drenada durante a prova: 80 a 200 mA
• Tensão de prova: 500 V (tip)
• Resistência máxima de fuga detectada: 50 megohms (tip)

COMO FUNCIONA

O aparelho tem sua configuração mostrada em blocos na figura 2.

Diagrama de blocos de teste de isolamento.

Um inversor gera a alta tensão que é aplicada ao componente ou aparelho em teste. Se houver fuga, a tensão que aparece na lâmpada neon é suficiente para ionizá-la e ela acende com um brilho alaranjado característico do gás.

O brilho será tanto mais intenso quanto maior for a fuga. Como esta lâmpada opera tipicamente em função da tensão, exigindo correntes muito baixas, mesmo uma resistência de fuga da ordem de dezenas de meg? é suficiente para deixar passar uma corrente que a acende.

Para produzir a alta tensão de prova a partir de 6V de pilhas comuns, usamos um inversor com base no circuito integrado 555 na configuração astável.

Este circuito integrado gera um sinal entre 500 e 2 000 Hz e o aplica a um transistor de potência, que tem como carga de coletor o enrolamento de baixa tensão de um pequeno transformador.

O primário deste transformador é para a rede de 220 V, entretanto, como a forma de onda gerada no circuito não é senoidal, ele não opera de maneira normal.

Assim, devido às suas características, picos de tensão muito mais altos que os 220V são produzidos, podendo chegar a mais de 500 V, conforme mostra a forma de onda não simétrica gerada da figura 3.

Forma de onda da tensão no transformador.

Pelo fato da forma de onda obtida no enrolamento de alta tensão do transformador não ser simétrica, com a retificação podem ocorrer variações nos resultados obtidos.

Assim, em alguns casos, poderá ser necessário inverter os terminais do enrolamento de alta tensão do transformador no sentido de conseguir a tensão mais alta possível.

Observe, todavia, que a alta tensão que aparece neste ponto do circuito vem de uma fonte de resistência interna muito alta, ou seja, que não dispõe de corrente.

Então, a corrente é extremamente baixa e se tentarmos medir a tensão com um multímetro, ele certamente virá carregar o circuito proporcionando uma falsa indicação de valor, bem abaixo da tensão real que existe com o circuito aberto.

A alta tensão retificada é usada para carregar um capacitor de poliéster que funciona como filtro e ao mesmo tempo como reservatório de energia.

A alta tensão armazenada é utilizada para alimentar o circuito de prova, no qual temos um resistor de 4,7 M? que limita a corrente de prova no circuito externo, caso sua resistência seja muito baixa, e que serve também para evitar que um toque acidental nas pontas de prova cause choques desagradáveis no operador.

O dispositivo indicador é uma lâmpada neon que, conforme vimos, requer uma tensão da ordem de 80 V para acender, mas que precisa de uma corrente extremamente baixa para se manter acesa.

Como a corrente de prova que temos neste circuito é extremamente baixa, além do isolamento, poderemos fazer a prova de capacitores de baixo valor, que tenham tensões de trabalho de pelo menos 450 V.

Encostando as pontas de prova nos terminais destes capacitores (com valores na faixa de 47 pF a 100 nF) a carga sobre eles produz uma piscada visível da lâmpada neón, o que é suficiente para sabermos se eles se encontra em bom estado.

Se a lâmpada permanecer acesa no teste de um capacitor deste tipo, é sinal que, mesmo carregado (ou descarregado) flui uma pequena corrente entre suas armaduras.

Caso o brilho da lâmpada seja reduzido, temos uma simples fuga, mas se for o brilho máximo, teremos um capacitor em curto. Veja a figura 4.

Faixa de resistência dos testes de isolamento.

MONTAGEM

O diagrama completo do provador de isolamento é apresentado na figura 5.

Diagrama completo do aparelho.

Todos os componentes principais incluindo o pequeno transformador podem ser acomodados na placa de circuito impresso, observe a figura 6.

Placa de circuito impresso para a montagem do teste de isolamento.

O transformador é do tipo de alimentação comum com um enrolamento primário de 110/220V (Lembramos que na realidade as tensões da rede de energia são especificadas para valores de 127 V.) ou só 220V, já que a tomada de 110 V permanecerá desligada, e um enrolamento secundário de 6+6 V ou 7,5 + 7,5 V com corrente entre 100 e 300 mA.

Como este tipo de transformador varia bastante de tamanho em função da corrente e do fabricante, será interessante tê-lo antes em mãos para verificar se ele cabe no espaço disponível na placa que desenhamos. Se for maior, deverá ser feita uma alteração nesse espaço, o que não é difícil.

Para maior segurança o circuito integrado pode ser instalado num soquete DIL de 8 pinos.

O transistor pode ser o TIP31 ou equivalentes próximos de média potência com invólucros TO-220, desde que NPN. Este transistor deve ser dotado de um pequeno radiador de calor.

Os resistores são de 1/8W e o capacitor C2 deve ser de poliéster com uma tensão de isolamento de pelo menos 600 V. Os demais capacitores são comuns, com as tensões e os tipos indicados na relação de material.

A lâmpada neon é do tipo NE-2H ou equivalente, sem resistência interna, já que alguns tipos que são montados em soquetes possuem internamente um resistor de alto valor.

Para as pilhas médias ou pequenas deve ser usado um suporte apropriado com a polaridade devidamente observada. A caixa utilizada na montagem vai ter seu tamanho determinado principalmente pelo espaço que as pilhas exigem.

Para a prova externa são colocadas duas pontas de prova comuns do tipo encontrado em multímetros, sendo uma vermelha e a outra preta.

O diodo pode ser o 1N4007 ou qualquer equivalente que tenha uma tensão inversa de pico de pelo menos 800V.

Para ligar e desligar o aparelho usamos um interruptor simples de qualquer tipo.

PROVA E USO

Para testar o aparelho é simples: ligando a alimentação poderemos ouvir o leve zumbido do transformador indicando que o inversor se encontra em funcionamento.

Se isso não ocorrer, verifique os componentes em torno do 555. Encostando uma ponta de prova na outra, a lâmpada neon deverá acender se tudo estiver em ordem.

Para usar o aparelho, basta encostar as pontas de prova nos pontos entre os quais se deseja verificar o isolamento.

Na figura 7 temos um exemplo de prova de isolamento de um ferro comum de passar roupas.

Testando o isolamento de um ferro de passar roupas.

Se a lâmpada neon acender nesta prova, isso significa que existem fugas entre o circuito e a carcaça, que podem causar choques na pessoa que tocar no ferro.

A intensidade com que a lâmpada brilha indica o grau de fuga existente no elemento em prova.

Essa fuga tanto pode ser devida á umidade quanto a problemas internos de isolamento que, evidentemente, devem ser verificados.

Na figura 8 indicamos o modo de fazer a verificação do isolamento de um cabo que pode ser de uma rede, de um sensor ou simplesmente de alimentação de algum eletroeletrônico.

O acendimento da lâmpada forte indica curto interno e o acendimento fraco sinaliza que podem estar ocorrendo pequenas fugas.

Testando o isolamento de um cabo de uma instalação elétrica.

Importante:

a) nunca use o aparelho na prova de circuitos eletrônicos que possuam componentes sensíveis a altas tensões como, por exemplo, circuitos integrados CMOS e FETs.

b) Nunca use o aparelho em equipamentos que estejam em funcionamento (ligados).

c) Teste apenas componentes de altas tensões como cabos, capacitores acima de 200 V, eletrodomésticos com motores ou elementos de aquecimentos (prova de fuga), etc.

As provas de componentes e fios desses circuitos devem ser feitas com a retiradas dos componentes ou fios.