A prova de isolamento de condutores e dispositivos eletroeletrônicos industriais e de eletrônica de consumo, na qual 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.
Nota: Artigo publicado na revista Eletrônica Total 157 de 2013.
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 fuga 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.
Na bancada, o mesmo tipo de fuga em um soldador pode aplicar tensões perigosas na ponta quente, capazes de causar a queima de dispositivos mais delicados como transistores de efeito 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 megohms que aparelhos diversos operando com baixas tensões não acusariam.
Funcionando com pilhas e tendo uma lâmpada néon 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. Um inversor gera a alta tensão que é aplicada ao componente (ou aparelho) em teste. Se houver fuga, a tensão que aparece na lâmpada néon 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 megohms é suficiente para deixar passar uma corrente que a acende.
Para produzir a alta tensão de prova a partir de 6 V 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 220 V são produzidos, podendo chegar a mais de 500 V, conforme mostra a forma de onda não simétrica gerada (figura 3).
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 irá 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 Mohms 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 néon 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 néon, o que é suficiente para sabermos se eles se encontram em bom estado.
Se a lâmpada permanecer acesa no teste de um capacitor deste tipo, é sinal de 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 o brilho for máximo, teremos um capacitor em curto. Veja a figura 4.
Montagem
O diagrama completo do provador de isolamento é apresentado na figura 5. Todos os componentes principais incluindo o pequeno transformador podem ser acomodados na placa de circuito impresso, observe a figura 6.
O transformador é do tipo de alimentação comum com um enrolamento primário de 110/220 V (*) ou só 220 V, 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 em um soquete DIL de 8 pinos. O transistor pode ser o TIP31 ou equivalente próximo de média potência, com invólucro TO-220, desde que NPN. Este transistor deve ser dotado de um pequeno radiador de calor.
Os resistores são de 1/8 W 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 néon é do tipo NE-2H ou equivalente, sem resistência interna, visto 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 800 V. 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 néon 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. Se a lâmpada néon acender nesta prova, isso significa que existem fugas entre o circuito e a carcaça, as quais 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 à 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.
