PT1618638E - Método e dispositivo de segurança para circuito de protecção de falhas de terra - Google Patents

Description

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DESCRIÇÃO "Método e dispositivo de segurança para circuito de protecção de falhas de terra" 0 invento refere-se a um método para protecção contra correntes de fuga e a um dispositivo para a implementação do mesmo. É conhecido que, quando se utilizam dispositivos alimentados pela rede de alimentação de energia e provavelmente entra em contacto directo com uma pessoa, o risco de fulguração é sempre elevado; esta é a razão pela qual as normas de segurança obrigam a utilizar disjuntores diferenciais de protecção.

Usualmente, num sistema de fase única, um dispositivo eléctrico (isto é, falando de modo geral uma carga) é alimentado pela rede de energia eléctrica pública (também denominada rede) através de dois fios, um denominado de "fase" ou "activo", o outro de "neutro". Usualmente a companhia de electricidade pública perto do posto de distribuição liga à terra o fio de neutro.

Um tipo comum de ferimentos domésticos tem lugar quando as pessoas utilizam dispositivos alimentados pela rede de alimentação eléctrica, enquanto tomam um banho ou próximo de uma piscina. A água torna-se um percurso para uma corrente, denominada corrente de fuga ou falha de terra, que passa do fio de "fase" para a terra; se esta corrente de fuga passa através de um corpo humano a mesma pode originar fulguração. 0 mesmo acontece quando uma pessoa contacta com o fio de "fase", ao mesmo tempo que toca ou permanece sobre uma superfície condutora para a terra.

Os circuitos de protecção comerciais para este tipo de eventos perigosos, denominados interruptores de circuito de falha de terra ou GFCI, compreendem um transformador de corrente diferencial, cujo enrolamento primário é formado pelos fios de fase e de neutro, enquanto que o enrolamento secundário está ligado a um andar de amplificação. Se a corrente do fio de fase atinge a carga e retorna através do 2

ΕΡ 1 618 638 /PT neutro sem fuga para a terra, não existe força magneto motriz no núcleo do dito transformador para induzir uma corrente secundária.

Pelo contrário, se a corrente estiver em fuga, é gerada uma corrente proporcional à diferença entre as correntes de fase e de neutro no enrolamento secundário: este sinal é amplificado e depois comparado com os limiares de segurança adequados e, ao exceder os mesmos, um relé (ou disjuntor) actua desligando os fios de fase e de neutro da carga.

Uma vez que estes dispositivos protegem o sistema eléctrico de uma casa como um todo, a sua sensibilidade está limitada a 30 mA, para não ter em consideração as pequenas correntes de fuga parasitas que passam naturalmente num sistema.

Quando se utilizam aparelhagens eléctricos ou ferramentas manuais em algumas condições, isto é, na presença de humidade ou no caso de contacto possivel com as instalações de água tais como tubos ou aparelhagens sanitários, é recomendável por razões de segurança confiar em circuitos de protecção mais sensíveis, capazes de serem inseridos na ligação de ficha macho que liga à alimentação da rede eléctrica. Neste caso, podem ser pensados dispositivos sensíveis a correntes abaixo de 3 mA, ou mesmo menores. O nível de corrente perigoso nos vários elementos e normas para as aplicações de electromedicina, em que os eléctrodos estão em contacto com um paciente requerem um limiar no máximo de 3 mA para o circuito de protecção; podendo, no entanto, existir perigo para correntes abaixo de 1 mA, se o tempo de corte do circuito de protecção não assegurar a interrupção de corrente antes de poderem ter lugar os eventos perigosos.

Com uma tal sensibilidade elevada, o circuito de protecção pode assegurar a segurança do operador, mas apenas se o dito circuito trabalhar adequadamente. Para permitir uma verificação de que o circuito trabalha adequadamente, as aparelhagens convencionais, presentemente em utilização, estão providas com um botão de teste, cujo premir deixa ser 3

ΕΡ 1 618 638 /PT simulada uma corrente de fuga ligeiramente maior do que a sensibilidade do circuito, cortando, desse modo, o circuito de protecção. A dificuldade da verificação é, no entanto, deixar ao utilizador, o qual deve sempre que ligar aparelhagem à rede, premir o botão de teste e fazer disparar o circuito de novo após o corte.

Um sistema de protecção não deve confiar na intervenção manual por parte do utilizador, para assegurar a maior fiabilidade.

No estado da técnica estão descritas diversas soluções. A patente US 5 982 593 descreve um disjuntor que inclui uma protecção de falha de terra: tal protecção está ainda provida com um circuito de teste para teste da segurança de trabalho do próprio circuito de protecção; tal circuito de teste é, no entanto, activado por um botão de teste. A patente US 6 426 632 descreve um sistema para geração de formas de onda de corrente para teste de uma protecção de falta de arco e descreve resumidamente a utilização de um microprocessador to detectar uma corrente secundária de um transformador diferencial e comparar o mesmo com limiares armazenados no próprio microprocessador: se a corrente detectada for maior do que os ditos limiares, o microprocessador envia um sinal pelo qual o relé é cortado e a ligação à rede é cortada.

No entanto, não são proporcionados pormenores acerca de como o microprocessador e os circuitos relacionado executam esta função, e não é feita referência a outras funções executadas pelo microprocessador. A patente US 5 875 087 refere-se a um disjuntor para controlo da passagem de corrente da rede para uma carga. É utilizado um microprocessador para comparar a dita passagem de corrente com os parâmetros de execução, armazenados e/ou capazes de serem armazenados dentro do dito microprocessador, e para gerar sinais de controlo para um disjuntor. O dito microprocessador executa um teste de trabalho adequado apenas nos circuitos vizinhos e não no sistema de protecção como um 4 ΕΡ 1 618 638 /PT todo; para além disso, nao existe uma fase de calibraçao do sistema. A patente US 6 262 871 refere-se a um circuito electrónico para teste automático de um GFCI; um aspecto importante deste invento é que o mesmo deve ser acoplado a um GFCI já realizado ou o mesmo deve compreender os componentes essenciais do mesmo.

Ciclicamente, é produzida uma corrente de fuga artificial por meio de um microcontrolador e os sinais gerados pelo GFCI são investigados: se estes sinais forem normais o teste termina, caso contrário, uma carga controlada pelo GFCI é isolada da rede por corte de um segundo disjuntor, necessariamente a ser adicionado ao sistema.

Os inconvenientes desta solução são a excessiva redundância dos circuitos, uma vez que o GFCI é complicado pelas funções que o mesmo deve já ter, isto é, uma detecção automática não eficiente; para além disso, a fim de definir os nós críticos de amostragem de tensão, aos quais nem sempre é fácil ter acesso, provocando, por outro lado, um aumento de fios e dos custos do sistema, a arquitectura dos circuitos do GFCI, na qual este invento é aplicado é considerada à priori conhecida. No caso de arquitecturas de circuitos diferentes, o sistema de acordo com este invento deve ser completamente projectado de novo.

Por conseguinte, no estado da técnica não existe um GFCI que ao mesmo tempo: • não necessite de uma intervenção manual, sendo totalmente automático; • seja altamente sensível às correntes de fuga; • tenha um tamanho pequeno e seja tão compacto que possa ser inserido em qualquer ficha macho, ficha fêmea ou elemento de derivação; 5

ΕΡ 1 618 638 /PT • compreenda funções de auto-teste para a sua operação segura, quer durante uma fase iniciação com a energia ligada ao GFCI, ou ciclicamente após a ligação de energia à carga; • mostre ao utilizador o tipo do seu mau funcionamento; • permita o fornecimento de energia pela rede apenas após uma verificação de que a protecção está a trabalhar adequada e eficientemente; • através de uma calibração do circuito de detecção de corrente de fuga, opere independentemente da implementação de tal circuito de detecção e seja capaz de compensar as derivas e deslocações da mesma; • quando da detecção de uma corrente de fuga perigosa desligue uma carga da rede e peça uma intervenção manual do utilizador, para restabelecer a alimentação de energia. É um objecto geral do presente invento proporcionar um GFCI que compreende todas as caracteristicas descritas aqui anteriormente. Tal objecto é conseguido quando um GFCI é realizado de acordo com as reivindicações anexas.

Todas as vantagens de um GFCI de acordo com o presente invento serão, de qualquer modo, mais fácil e claramente entendidas a partir da descrição de uma concretização preferida, embora não única, a qual é proporcionada a seguir por simples exemplo não limitativo, com referencia aos desenhos anexos, nos quais: a FIG. 1 mostra um diagrama de blocos de um GFCI de acordo com o presente invento; a FIG. 2 mostra um esquema pormenorizado do GFCI da FIG. 1; a FIG. 3 mostra um esquema para uma variante do circuito da FIG. 2; a FIG. 4 mostra um esquema para uma outra variante do circuito da FIG. 2. 6

ΕΡ 1 618 638 /PT Ο invento é agora descrito para uma aparelhagem doméstica, isto é, um secador de cabelo, mas é evidente para um especialista na técnica que o invento se refere também a outras aplicações, tais como equipar com um GFCI fiável uma ferramenta, uma máquina numa fábrica ou quaisquer outras aparelhagens eléctricas.

Numa concretização particular, mas isto não deve ser olhada como uma limitação do invento, o GFCI é integrado na ficha macho numa extremidade do cabo de alimentação do secador de cabelo. Uma solução vantajosa equivalente pode, no entanto, ser obtida pela integração do GFCI do presente invento numa ficha fêmea de parede, em que a ficha macho do secador de cabelo, ou de um outro aparelho eléctrico doméstico, é inserida na ficha fêmea.

Referindo a FIG. 1, em que pode ser visto um diagrama de blocos de um GFCI 1, de acordo com o presente invento, a rede de alimentação eléctrica de fase única ou rede está indicada por 10; um fio de fase 12 e um fio de neutro 14, ligado à terra, ligados à rede 10 pelos contactos separáveis 22a, 22b de um relé 20. Podem ser utilizados outros tipos de comutadores controlados (ou disjuntores), isto é, dispositivos semicondutores. Quando o relé 20 é alimentado com energia, os ditos contactos 22a, 22b contactam os dois terminais 24a, 24b, a partir dos quais os dois condutores 12a, 12b são encaminhados e ligados aos terminais de um secador de cabelo 16.

Os condutores 12, 14 fazem parte de um circuito detecção de corrente de fuga nos próprios condutores 12, 14, neste caso, um transformador de corrente diferencial 30, realizado num núcleo toroidal por meio de técnicas conhecidas. O enrolamento primário do dito transformador é obtido com os condutores 12, 14, enquanto que por meio de um outro enrolamento sobre o mesmo toro, esquematicamente indicado por 32, é realizado um secundário. Para detecção de correntes de fuga directas pode ser utilizado, por exemplo, um detector de corrente ou um produto LEM.

Um circuito gerador de teste 40 deriva os ditos condutores 12, 14, por meio dos dois condutores 42, 44. A 7 ΕΡ 1 618 638 /PT função do circuito 40, como será explicado melhor aqui em seguida, é induzir artificialmente uma corrente conhecida com precisão, que passa nos condutores 42, 44, e portanto nos condutores 12, 14: uma vez que a dita corrente é um componente diferencial para o transformador 30, o mesmo detectará a dita corrente, gerando, desse modo, um sinal secundário com uma amplitude proporcional à mesma.

Este sinal é adquirido (ou amostrado) por uma unidade de elaboração lógica 50, com a qual o secundário 32 faz interface através de um andar de amplificação, como será clarificado aqui a seguir; a unidade de elaboração lógica 50 faz também interface com o circuito gerador de teste 40 e com o relé 20, para os quais a mesma envia sinais de controlo e/ou de permissão através das ligações 36 e 38, respectivamente. A dita unidade 50 também compreende, pelo menos, um módulo aritmético para executar operações binárias, uma RAM, uma ROM e um conversor A/D (todos não mostrados).

Referindo a FIG. 2, será descrito o esquema pormenorizado do GFCI 1 de acordo com o presente invento; são mantidas as mesmas referências para as correspondentes partes da FIG. 1.

Em particular, a rede de energia de fase única 10 está ligada através de dois fusíveis 11 aos condutores 12 e 14, os quais alcançam os contactos separáveis 22a, 22b do relé 20; quando a bobina 21 do relé 20 é alimentada com energia, os ditos contactos 22a, 22b contactam com os dois terminais 24a, 24b, a partir dos quais os dois condutores 12a, 12b são encaminhados e ligados aos terminais do secador de cabelo 16.

Os componentes desta concretização do presente invento estão, vantajosamente, alojados dentro de uma ficha macho de alimentação 55 do secador de cabelo 16, esquematicamente mostrada por linhas a traço ponto na FIG. 2.

Como pode ser visto a partir desta figura, os condutores 41, 42, ligados ao circuito gerador de teste 40 (mostrado dentro uma linha a tracejado), e um condutor 45 deriva os condutores 12, 14 da rede de alimentação eléctrica 10. 8

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Uma rede resistiva-capacitiva de queda 46, mostrada dentro da linha a tracejado, está ligada ao condutor 45, para alcançar uma ponte de rectificação 47, a qual está directamente ligada à rede de alimentação de energia 10 através do condutor 44. A saída da dita ponte 47 é filtrada por um condensador electrolítico 48 e nivelada por um zéner 49, nesta concretização para 30 V. Esta tensão é uma primeira alimentação de energia do GFCI 1. O terminal positivo do condensador 48 está ligado, através de um condutor 200, aos emissores de dois transístores PNP 60, 70, enquanto o terminal negativo está ligado a um condutor 100 que constitui a terra para o circuito de GFCI 1, e com um tal nome, terra 100, será referida. É proporcionada uma resistência 61 entre o emissor e a base do transístor 60, cuja base está ligada através de uma resistência de limitação 62 ao colector de um transístor NPN 80, que tem o emissor ligado à terra 100 e a base ligada, através de uma resistência de polarização 63 e de um condutor 38, a um pino de saída da unidade lógica 50. Como uma tal unidade pode ser utilizado, por exemplo, a microcontrolador Motorola MC908Q2. Ao colector do transístor 60 são ligados o cátodo de um diodo de via livre 64, cujo ânodo está ligado à terra 100, uma resistência de polarização 65 para a base do transístor 70, e um terminal da bobina 21 do relé 20. O outro terminal da bobina 21 é encaminhado para a ligação em paralelo de um zéner de regulação 92 e de um condensador de filtragem 91, com os terminais negativos ligados à terra 100 e os positivos a um condutor 110, que forma o positive de uma segunda tensão de alimentação (neste caso 5,1 V) que alimenta tanto a unidade lógica 50 como um amplificador operacional 90 (por exemplo, um LPV321). O dito condutor 110 é alcançado, através de uma resistência de limitação 71, pela corrente de colector do transístor 70, ao qual é aplicado um condensador de Miller 72. A saída 90u do amplificador 90, está ligada tanto a um pino de entrada da unidade 50 como às resistências de realimentação ligadas em estrela 74, 75, 76; a série das primeiras duas resistências está ligada ao pino de inversão do amplificador operacional 90, enquanto a terceira resistência faz o acoplamento do nó comum das resistências 74, 75 a um divisor resistivo que deriva a segunda tensão de alimentação de 5,1 V. 9

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Este divisor é formado pela série de duas resistências iguais 76, 77, a cujo nó comum está ligado um terminal da resistência 76. São proporcionados dois condensadores de curto-circuito 78, 79 em paralelo, respectivamente, às resistências 76, 77. Às entradas de inversão e de não inversão do amplificador 90 estão ligados, respectivamente, a série de uma resistência 82 e um condensador de desacoplamento 83, e uma resistência 84. Estes grupos de componentes detectam a tensão através de uma resistência de carga 85, ligada em série a dois condutores 32a, 32b vindos do secundário 32 do transformador 30. Um terminal da resistência de carga 85 está também ligado à saida do divisor formado pelas resistências 76, 77.

Dentro de uma linha a tracejado estão agrupados os seguintes componentes do circuito gerador de teste 40. Uma resistência de teste de elevada precisão 86 liga o condutor 12, através do condutor 42, o ânodo de um triac 88, cujo cátodo está ligado ao condutor 14 através do condutor 44. A resistência 86 deriva o condutor 12 num nó a jusante do transformador 30, de tal modo que a corrente que passa na dita resistência 86 retorna para a rede 10 através do condutor 44 e 14, mas sem passar através do núcleo toroidal do transformador 30. O condutor 44 contacta, de facto, o condutor 12 a montante do transformador 30. Uma vez que a corrente que passa na resistência 86 é apenas necessária para ser detectada pelo transformador 30, são também possíveis posições diferentes para os condutores. Em paralelo à dita resistência 86 é proporcionada uma outra resistência de compensação 87, a qual em vez disso deriva o condutor 12 através do condutor 41 a montante do transformador 30. Entre a porta e o cátodo do dito triac 88 é proporcionada uma resistência 89. Estão ligadas à dita porta a série de uma resistência 101 e um diodo 104 e a série de uma resistência 103 e um diodo 102, com o seu ânodo virado para a dita porta. Os ditos díodos 104 e 103 estão anti-paralelos. Está ligado à resistência 103 o colector de um transístor NPN 105, com o emissor ligado à terra 100, e a base polarizada por uma resistência 106, por sua vez alimentada por um pino de saída da unidade 50. A este pino de saída está também ligado o 10 ΕΡ 1 618 638 /PT ânodo do diodo 104, o qual está em série com a resistência 101.

Os dois pinos da unidade lógica 50 alimentam duas resistências em série 111, 113 e diodos LED 112, 114, respectivamente. Através do accionamento dos ditos diodos LED, a unidade lógica 50 é capaz de fornecer avisos visuais ou sinais ao utilizador do GFCI 1. A fim de fazer sobressair estes avisos o diodo LED 112 é verde, o diodo LED 114 é vermelho. Pode ser também considerada a utilização dos avisos acústicos, tais como besouros ou semelhantes. A série de duas resistências 28, 29 forma um divisor, com uma extremidade ligada à terra 100 e a outra em série com uma resistência de queda 46, que fornece uma tensão de onda quadrada, com a frequência da rede 10, a um pino da unidade 50, que a dita unidade 50 utiliza para temporização interna pela contagem dos ciclos de linha (20 ms para a rede de 50 Hz e 16,66 ms para a rede 60 Hz) . Uma outra fonte de temporização interna pode ser um sinal de onda quadrada recuperado da plataforma ("dock") da unidade 50 e escalonado adequadamente para baixo pelos divisores. São agora descritas as fases de operação do GFCI 1, a partir da iniciação, quando o utilizador liga a ficha macho 55 à ficha fêmea, numa condição constante, quando utiliza com segurança o secador de cabelo 16. As ditas fases são: I. O utilizador insere a ficha macho 55 na correspondente ficha fêmea. O relê 20, normalmente aberto, não tem alimentação de energia, portanto o secador de cabelo 16 não está ligado à rede de alimentação eléctrica 10 e, por conseguinte, o mesmo não está a trabalhar. Através de uma ponte de diodos 47, o condensador 48 carrega e a tensão através dos seus terminais estabiliza, logo que é alcançada a tensão de ruptura do zéner 49. O transístor 60 é desligado devido ao mesmo não estar polarizado pelo transístor 80, também desligado, uma vez que a unidade 50 não polariza a base do mesmo através da resistência 63. O transístor 70 está, em vez disso, saturado devido a um percurso de corrente para a sua corrente de base, através da 11

ΕΡ 1 618 638 /PT resistência 65, da bobina 21 do relê 20 e do zéner 92. Esta corrente de base é demasiado baixa para alimentar em energia o relé 20. A saturação do transístor 70 alimenta, através da resistência 71, o zéner 92, cuja tensão, filtrada pelo condensador 91, alimenta o amplificador operacional 90 e a unidade lógica 50. II. Uma vez que a corrente não está a passar no secador de cabelo 16 e, por conseguinte, no enrolamento primário do transformador 30, no seu secundário não passa corrente e, como uma consequência, não existe tensão através da resistência 85. Por conseguinte, a tensão da saída 90u do amplificador 90 mantém um valor constante, estabelecido pelo divisor, formado pelas resistências 77a, 77b, em cerca de metade da sua tensão de alimentação. A unidade 50 executa uma aquisição sequencial (amostragem) , através do seu conversor A/D interno (de 8 bit, nesta concretização), da tensão de saída 90u do amplificador 90, calculando a média das amostras com o seu módulo aritmético interno em 65536 (216) aquisições; esta operação demora menos do que um segundo a ser executada. O valor médio deve ser 127, nomeadamente metade da escala completa, com um desvio de três bits mais ou menos para tem em conta as tolerâncias. Tal valor é obtido quando o divisor formado pelas resistências 76, 77 faz sair uma tensão nominal igual a metade da tensão de alimentação. Se o valor adquirido estiver for a desta gama, a fase II é repetida a partir do início, caso contrário, é alcançada a próxima fase III. Nesta fase, ambos os díodos LED 122, 114 estão ligados. III. A unidade 50 armazena o valor médio obtido na fase II e faz a amostragem da saída de tensão 90u do amplificador 90 para outras 65536 vezes, calculando o valor médio das mesmas como na fase II. O valor médio obtido deve ser igual ao anterior com uma diferença máxima de 1 bit, caso contrário o sistema salta de novo para fase II. Isto garante que a segunda tensão de alimentação é constante e que o conversor A/D está a funcionar adequadamente. O valor médio, quando calculado nesta fase, é armazenado dentro da unidade 50 e assume o 12

ΕΡ 1 618 638 /PT significado do valor de referência zero para o conversor A/D. Os díodos LED 112, 114 permanecem ligados. IV. A unidade 50 entra no modo normal de aquisição da tensão de saída 90u do amplificador 90: o valor absoluto da diferença entre a tensão de saída amostrada 90u do amplificador 90 e é calculado o valor de referência zero armazenado na fase III. A partir de todos estes valores processados é armazenado o valor máximo e, após um retardo de alguns ciclos de rede 10, a unidade 50 verifica que o dito valor máximo é mais baixo do que 2, isto é, apenas o bit menos significativo é alterado na conversão A/D. Isto garante que o ruído do sistema é suficientemente baixo para não interferir com a operação do GFCI 1; se esta condição não for satisfeita, a unidade 50 salta de novo para a fase I. Durante esta fase, ambos os díodos LED 112, 114 piscam. V. A unidade 50 polariza com uma tensão positiva o condutor 36, polarizando o transístor 105 com a resistência 106 e saturando o mesmo. A porta do triac 88 é polarizada positivamente, através da série do diodo 104 e da resistência 101, durante a meia onda positiva de tensão da rede 10 no condutor 12. Durante a meia onda negativa, em vez disso, o percurso para a corrente de polarização do triac 88 compreende o diodo 102, a resistência 103 e o transístor 105; em ambos os casos uma corrente passa através da resistência 89 e o triac 88 está ligado. VI. O estado ligado do triac 88 é mantido durante dois ciclos da tensão da rede 10: quando o triac 88 está ligado, a resistência de teste 86, cujo valor é muito preciso, produz uma passagem de diferencial de corrente para o transformador 30, o qual detecta a mesma e induz uma corrente no secundário 32, gerando, desse modo, uma tensão através da resistência 85. Esta tensão AC é amplificada pelo amplificador operacional 90 e fornecida na sua saída 90u. A unidade 50 faz a amostragem deste sinal de tensão, como nas fases anteriores, e converte a mesma num valor digital por meio do conversor A/D interno, armazenando o valor máximo do mesmo. Então a 13

ΕΡ 1 618 638 /PT unidade 50 verifica que o dito valor máximo está compreendido entre um limiar superior e inferior, ambos previamente armazenados na ROM da unidade 50. Isto para garantia de que o circuito para detecção das correntes diferenciais como um todo está a trabalhar e tem uma sensibilidade aceitável. Se o dito valor amostrado máximo for demasiado baixo, diodo LED verde 112 pisca durante um tempo curto e o sistema é iniciado de novo a partir da fase II. Se o dito valor amostrado máximo for demasiado elevado, o diodo vermelho 114 pisca e o sistema é reiniciado de novo a partir da fase II. Se o dito valor amostrado máximo for aceitável, o mesmo é armazenado como o valor de teste, imposto pelo GFCI 1, e é alcançada a próxima fase VII. VII. A unidade 50 polariza agora com o condutor de tensão positivo 38, a polarizar com a resistência 63 o transístor 80, o qual satura. Uma corrente é agora capaz de passar a partir da primeira alimentação de 30 V para a terra 100, através das resistências 61, 62, que saturam o transístor 60 e que alimentam a bobina 21 do relê 20 a partir da primeira alimentação. Uma corrente pode agora passar na bobina 21 com a grandeza suficiente para alimentar energia para o relé 20, o qual permite que o secador de cabelo 16 seja ligado à rede 10, permitindo assim a sua utilização. Ao mesmo tempo, a unidade 50 comuta permanentemente o diodo verde 112 para ligado e comuta o diodo vermelho 114 para desligado. VIII. Após a alimentação de energia para o relé 20 e, desse modo, a alimentação do secador de cabelo 16 a partir da rede 10, a unidade 50 mantém a monitorização da saída de tensão 90u do amplificador operacional 90, como nas fases anteriores. Em particular, após a conversão num número digital da dita saída de tensão 90u com o conversor A/D, a dita unidade 50 subtrai o seu valor máximo ao valor zero, calculando então o módulo (ou o valor absoluto) do mesmo, obtendo o valor máximo da corrente de fuga efectiva. Se este máximo for maior do que um valor limite, neste caso o valor armazenado no fim da fase VI, isto é, o valor de teste, para mais do que 10 vezes consecutivas, isto é, para 10 aquisições 14

ΕΡ 1 618 638 /PT (feitas em cerca de 0,1 ms), a unidade 50 remove a tensão da resistência 38, cortando, desse modo, o relé 20 e desligando o secador de cabelo 16 da rede 10. A unidade lógica 50 assinala a condição de perigo, fazendo piscar diodo LED vermelho 114. Nesta condição de perigo o GFCI 1 permanece bloqueado, evitando, desse modo, qualquer alimentação de energia adicional do relé 20, e pode ser activado de novo apenas comutando o mesmo para desligado e ligado de novo. Isto significa, neste caso, que o utilizador deve desligar a ficha macho 55 da ficha fêmea de parede, remover o que causa a dificuldade no GFCI 1 de modo a ser cortado, e ligar de novo a ficha macho 55. Nesse ponto o GFCI 1 começará a trabalhar a partir da fase I descrita.

Durante a fase VIII, isto é, quando o secador de cabelo 16 está alimentado, é possível executar ciclicamente medidas de teste como nas fases V e VI, para assegura o bom trabalho do GFCI 1. Neste caso durante o teste, isto é, quando as operações descritas nas fases V e VI são executadas, o valor máximo aceitável na saída 90u do transformador operacional 90 necessária para o relé 20 não ser cortado, isto é, o valor limite, é dobrado, para garantir de qualquer modo a segurança do utilizador.

De acordo com o que foi descrito, é evidente que uma outra vantagem do presente invento é a facilidade com que o limiar de operação do GFCI 1 pode ser estabelecido, isto é, pela variação do valor da resistência de teste 86. Não sendo esse limiar um valor fixo para comparação armazenado a priori na unidade 50, mas o resultado de uma corrente pré-estabelecida que na realidade deve ser detectada pelo GFCI 1 na fase de iniciação, o GFCI 1 assegura uma verificação regular um limiar operação efectivamente demasiado baixo para o GFCI 1. Nesse caso, na verdade, a carga a ser alimentado permaneceria isolada.

Uma outra vantagem do presente invento é a facilidade pela qual é possível adicionar outros tipos de protecção activa, tal como as protecções de curto-circuito ou de falha de arco, para a protecção a ser descrita. 15

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Uma condição de curto-circuito tem lugar quando os condutores 12a e 12b da FIG. 2 contactam, mesmo temporariamente, ou a carga atinge valores de impedância muito baixos, por exemplo, se uma pessoa tocar nos condutores 12a e 12b: neste ponto passaria uma corrente elevada através dos condutores 12a e 12b, que é também letal. Os fusíveis 11 (ver a FIG. 2) não garantem uma acção de corte rápida.

Este inconveniente pode ser ultrapassado realizando uma variante do presente invento, mostrada na FIG. 3, em que os números relativos aos componentes adicionais estão escritos, sendo a parte restante do circuito igual ao anteriormente descrito.

Nesta variante, é adicionada uma protecção contra correntes de curto-circuito pela inserção de um transformador de corrente 300 no condutor 14. A inserção do transformador 300 pode ser executada também no condutor 12, ou a jusante do relé 20; o enrolamento primário de tal transformador 300 é o próprio condutor 14, enquanto o secundário, com tomada central, é realizado por meio de um segundo enrolamento 330. A tomada central está ligada ao terminal de uma resistência de valor muito baixo 111a (uns poucos ohm) à qual, no outro terminal, estão ligados os ânodos de dois díodos 310, 311 cujos cátodos estão ligados aos terminais do enrolamento secundário do transformador 300. A resistência 111, a qual na FIG. 2 foi mostrada ligada directamente ao díodo LED 112, está agora ligada ao nó onde os cátodos do diodos 310, 312 se juntam; um condutor 320 liga a tomada central do secundário 330 do transformador 300 ao díodo LED 112, ao qual foi adicionada em paralelo uma resistência 111b, que tem um valor relativo elevado (cerca de lOkQ).

Por conseguinte, será apreciado que a tensão no enrolamento secundário 330 do transformador de corrente 300 é rectificada pelos diodos 310 e 311, assim, será proporcionado através da resistência 111a um sinal pulsante proporcional à 16 ΕΡ 1 618 638 /PT corrente que passa no condutor 14. A operação do circuito é como se segue. 0 pino da unidade 50, ao qual a resistência 111 está ligada, definido aqui por AO, é utilizado durante a iniciação como o pino de saída e acciona o diodo LED vermelho 112 através da resistência 111, como já descrito, e da resistência 111a, enquanto a resistência 111b não influencia a operação do diodo LED 112. No fim das fases de iniciação, o diodo LED vermelho 112 é desligado e o pino AO da unidade 50 torna-se uma entrada analógica, graças a instruções adequadas do programa contido na unidade 50. O dito pino AO é, então, capaz de amostrar a tensão aplicada no mesmo, através do conversor A/D, e consequentemente é capaz de medir indirectamente a corrente alimentada para a carga por meio do transformador de corrente 300: a unidade 50 assegura o desligar do comutador (relé) 20, de uma maneira semelhante à já descrita, no caso de uma passagem de corrente no condutor 14, que excede um limiar pré-estabelecido, garantindo desse modo uma protecção contra curto-circuitos.

Uma segunda variante ao dispositivo de acordo com o presente invento, está mostrada na FIG. 4, em que, muito da mesma é como na primeira variante, por razões de facilidade apenas estão escritos os novos números, sendo o resto do circuito o mesmo que o descrito anteriormente.

No condutor 12b, ligado à carga, está inserido um transformador de corrente 3001, cuja inserção pode ser executada no condutor 12a ou também a montante do comutador (relé) 20; o enrolamento primário do transformador 3001 é realizado por meio do condutor 12b, enquanto o secundário é realizado com um segundo enrolamento 3301.

Uma resistência de valor muito baixo 1111a (uns poucos ohm) liga os terminais do enrolamento secundário 3301. A resistência 111, a qual na FIG. 2 foi mostrada ligada ao diodo LED 112, está agora ligada à resistência 1111a, a qual alimenta o ânodo do LED diodo 112. O seu cátodo está ligado ao colector de um transístor 370, que tem o seu emissor 17 ΕΡ 1 618 638 /PT ligado à terra 100 e a base polarizada por um divisor, formado por duas resistências 346, 344 e alimentado pelo colector do transístor 70. É proporcionado, em paralelo com o dito transístor 370, um condensador 340, enquanto o colector do transístor 370 está ligado à saída 90u do amplificador operacional 90 através de uma resistência 342. O conjunto que consiste na resistência 342 e no condensador 340 forma um filtro passa baixo para a tensão na saída 90u do amplificador 90, mantendo, desse modo, no colector do transístor 370 uma tensão DC igual a metade da segunda tensão de alimentação. A operação do circuito é como se segue.

Durante as fases de iniciação, o pino A0 da unidade 50 é utilizado como o pino de saída e acciona o diodo LED vermelho 112, como já descrito, através da resistência 111 e da resistência 1111a, enquanto o transístor 370 é saturado (devido ao transístor 70 também ser saturado) e o relé 20 não ser alimentado com energia e permitir o desligar do diodo LED 112. No fim das fases de iniciação, o diodo LED vermelho 112 é desligado e o pino A0 da unidade 50 torna-se uma entrada analógica, graças às instruções de programa adequadas.

Ao mesmo tempo o transístor 370 desliga e o relé 20 é alimentado com energia, devido ao desligar do transístor 70; então no colector do transístor 370 estará o componente DC da saída tensão 90u do amplificador 90; esta tensão DC, adicionada ao sinal gerado pelo transformador 3001 através da resistência 1111a, é amostrada através do conversor A/D, e consequentemente a unidade 50 pode medir indirectamente a corrente absorvida pela carga. A leitura da tensão no pino A0 é realizada do mesmo modo que a leitura da saída de tensão 90u do amplificador 90: o valor absoluto da diferença, entre a tensão no pino A0 e a tensão zero (armazenada como o valor zero durante fase IV acima descrita), é comparado com um valor limite armazenado na ROM da unidade 50 e, se for maior, o relé 20 é cortado, desligando, desse modo, a carga 16. 18

ΕΡ 1 618 638 /PT

Deve ser entendido que os desvios não significati método de protecção e do circuito electrónico relativo expresso pela descrição anterior e os desenhos anexos no entanto, compreendidos no âmbito das reivindicações seguem.

Lisboa, vos do , como estão, que se

Claims (33)

1. ΕΡ 1 618 638 /PT 1/6 REIVINDICAÇÕES 1 - Método para a protecção contra as correntes de fuga, geradas na alimentação uma carga (16), ligada a uma rede eléctrica (10), que compreende as fases de: (i) obtenção de um valor de referência zero pela aquisição, uma ou mais vezes, de um sinal (90u) proporcional à corrente de fuga sem a geração de correntes de fuga de teste; (ii) geração de uma corrente de fuga de teste e aquisição de um sinal correspondente (90u), proporcional à mesma, como valor de teste; (iii) detecção das correntes de fuga efectivas e geração de um sinal proporcional às mesmas, (iv) aquisição de um sinal proporcional (90u) proporcional às correntes de fuga efectivas e desligar da carga (16) da rede eléctrica (10), quando atingir uma condição de perigo, que corresponde a um sinal adquirido com um grandeza maior do que um valor limite.
2. 2 - Método de acordo com a reivindicação 1, em que as fases (i) e/ou (ii) are executadas ligando a carga (16) à rede (10).
3. 3 - Método de acordo com a reivindicação 1 ou 2, em que as fases (i) e/ou (ii) são executadas verificando que um tal sinal (90u) está compreendido numa gama pré-estabelecida.
4. 4 - Método de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, que compreende ainda a fase de execução de operações de cálculo da média para obter uma estima mais fiável do valor de referência zero.
5. 5 - Método de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, em que o valor limite é obtido tomando o valor absoluto da diferença entre o valor de referência zero e o valor de teste. ΕΡ 1 618 638 /PT 2/6
6. 6 - Método de acordo com as reivindicações anteriores, que compreende ainda a fase de verificação cíclica, após a ligação da carga (16) à rede (10), da detecção regular das correntes de fuga, pela geração de, pelo menos, uma corrente de teste.
7. 7 - Método de acordo com a reivindicação 6, que compreende ainda a fase de desligar a carga (16) da rede (10), quando, durante a fase de verificação cíclica da detecção regular das correntes de fuga, o máximo em módulo da grandeza do sinal proporcional adquirido (90u), é maior do que a soma do valor limite e do valor de referência zero.
8. 8 - Método de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, em que a detecção das correntes de fuga é executada com um transformador diferencial (30), que compreende um enrolamento primário, formado pelos condutores (12, 14), que alimentam a carga (16), e um enrolamento secundário (32) para geração do dito sinal proporcional às correntes de fuga.
9. 9 - Método de acordo com a reivindicação 8, em que a fase de desligar a carga (16) é executada por um comutador electricamente controlado (20), o qual desliga a carga (16) da rede (10), quando o mesmo está aberto, e liga a carga (16) à rede (10), quando o mesmo está fechado.
10. 10 - Método de acordo com a reivindicação 9, em que, durante uma condição de perigo, o comutador electricamente controlado (20) é forçado a abrir até o mesmo comutador (20) estar desligado da rede (10).
11. 11 - Método de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, que compreende ainda a fase de detecção da corrente, pelo menos, num condutor ligado à carga (16) e desligando a mesma carga (16), quando a dita corrente é maior do que um limiar pré-estabelecido.
12. 12 - Método de acordo com a reivindicação 11, em que a fase de detecção da corrente, pelo menos, num condutor ligado à carga (16) é executada antes e/ou após a ligação da carga (16) à rede (10). ΕΡ 1 618 638 /PT 3/6
13. 13 - Método de acordo com a reivindicação 11 ou 12, em que a detecção da corrente, pelo menos, num condutor ligado à carga (16) é executada por meio de um transformador de corrente.
14. 14 - Método de acordo com as reivindicações 11 a 13, em que o desligar da carga (16) é executado por meio do dito comutador electricamente controlado (20).
15. 15 - Aparelho (1) para execução do método de acordo com as reivindicações anteriores, que compreende: — um comutador electricamente controlado (20), disposto entre a rede (10) e a carga (16), o qual desliga a carga (16) da rede (10), quando aberto, e liga a mesma, quando fechado; — meios de detecção (30) para as correntes de fuga, que geram um sinal proporcional às mesmas correntes de fuga; — um circuito gerador (40), capaz de gerar uma corrente de fuga de teste, — uma unidade de elaboração (50), ligada aos meios de detecção (30) para correntes de fuga, para adquirir o dito sinal proporcional, com o circuito gerador (40) para um controlo do mesmo, e o comutador (20) para accionar a sua abertura com um sinal de controlo (38), sempre que é encontrada uma condição de perigo; caracterizado por a unidade de elaboração (50) estar adaptada para executar o arranque de uma aquisição de um valor de referência zero, pela leitura dos meios de detecção (30), sem a geração de correntes de fuga de teste, para gerar uma corrente de fuga de teste, pelo accionamento do circuito gerador (40), e para adquirir um sinal correspondente (90u) proporcional à mesma, como valor de teste; então, a unidade de elaboração (50) está ainda adaptada para adquirir um sinal (90u) proporcional às correntes de fuga efectivas e desligar a carga (16) da rede eléctrica (10), quando atinge uma condição de perigo, que corresponde a um sinal adquirido (90u) de uma grandeza maior do que um valor limite. ΕΡ 1 618 638 /PT 4/6
16. 16 - Aparelho de acordo com a reivindicação 15, em que o comutador (20) é um relé com bobina de alimentação de energia (21), controlada por um sinal de controlo (38) vindo da unidade de elaboração (50).
17. 17 - Aparelho de acordo com a reivindicação 15 ou 16, em que a unidade de elaboração (50) é um microcontrolador.
18. 18 - Aparelho de acordo com qualquer reivindicação de 15 a 17, que compreende ainda um circuito que gera uma alimentação de energia estabilizada para a dita unidade de elaboração (50), sendo o dito circuito alimentado a partir da rede eléctrica (10).
19. 19 - Aparelho de acordo com qualquer reivindicação de 15 a 18, alimentado por uma única fase de tensão AC.
20. 20 - Aparelho de acordo com qualquer reivindicação de 15 19, em que os meios de detecção (30) para correntes de fuga compreendem um transformador diferencial (30) que tem um núcleo, no qual são proporcionados um enrolamento primário, constituído pelos condutores (12, 14), que alimentam a carga (16), e um enrolamento secundário (32), o qual gera um sinal proporcional à corrente que passa dentro do enrolamento primário.
21. 21 - Aparelho de acordo com qualquer reivindicação de 15 a 20, em que o circuito de geração (40) compreende uma resistência (86) em série com um triac (88), cuja condução é controlada por um sinal (36), gerado pela unidade de elaboração (50), derivando a dita série os condutores (12, 14) que alimentam a carga (16) com um terminal a jusante e um terminal a montante dos meios de detecção (30).
22. 22 - Aparelho de acordo com qualquer reivindicação de 15 a 21, em que é proporcionado, a jusante dos meios de detecção (30) para correntes de fuga, um amplificador (90) para o sinal proporcional às ditas correntes.
23. 23 - Aparelho de acordo com a reivindicação 22, que compreende ainda um circuito que gera uma alimentação de ΕΡ 1 618 638 /PT 5/6 energia estabilizada (91, 92) para o amplificador (90), sendo o dito circuito alimentado a partir da rede eléctrica (10).
24. 24 - Aparelho de acordo com qualquer reivindicação de 15 a 23, em que a dita unidade de elaboração (50) acciona avisadores visuais (112, 114) e/ou acústicos.
25. 25 - Aparelho de acordo com qualquer reivindicação de 15 24, em que a dita unidade de elaboração (50) está provida com meios de temporização (28, 29) adaptados para explorarem o controlo cíclico da grandeza da corrente de fuga antes e/ou após o fecho do comutador (20).
26. 26 - Aparelho de acordo com qualquer reivindicação de 15 a 25, em que a dita unidade de elaboração (50) está provida com um módulo aritmético, adaptado para comparar o valor adquirido pelos meios de detecção (30) para correntes de fuga com valores pré-estabelecidos ou adquiridos em tempo real. 7 - Aparelho de acordo com a reivindicação 26, em que os ditos valores pré-estabelecidos são armazenados numa ROM dentro da unidade de elaboração (50).
27. 28 - Aparelho de acordo com qualquer reivindicação de 15 27, caracterizado por o mesmo compreender ainda meios de detecção (300, 3001) para correntes, pelo menos, num condutor ligado à carga (16), gerando os ditos meios (300, 3001) um sinal proporcional às ditas correntes e estando ligados à dita unidade de elaboração (50), para controlar o corte do comutador (20), quando é encontrada uma condição de perigo.
28. 29 - Aparelho de acordo com a reivindicação 28, caracterizado por os ditos meios de detecção (300, 3001), para correntes, pelo menos, num condutor ligado à carga (16), compreenderem um transformador de corrente.
29. 30 - Aparelho de acordo com a reivindicação 28 ou 29, caracterizado por a dita unidade de elaboração (50) estar ligada quer aos ditos meios de detecção (300, 3001), para correntes, pelo menos, num condutor ligado à carga (16) quer ao comutador (20), a fim de controlar o corte do comutador ΕΡ 1 618 638 /PT 6/6 (20) com um sinal de controlo (38), quando é encontrada uma condição de perigo.
30. 31 - Aparelho de acordo com qualquer reivindicação de 15 a 30, caracterizado por manter a carga (16) desligada da rede (10) no arranque a unidade (50).
31. 32 - Aparelhagem eléctrica provida com uma ficha macho (55) para ligação da aparelhagem a uma rede eléctrica (10), caracterizada por a mesma compreender um aparelho de protecção (1) de acordo com qualquer reivindicação de 15 a 30 .
32. 33 - Aparelhagem de acordo com a reivindicação 32, que é um secador de cabelo ou qualquer outro aparelho eléctrico doméstico.
33. 34 - Ficha fêmea para alimentação de aparelhagens eléctricas, que compreende um aparelho de protecção (1) de acordo com qualquer reivindicação de 15 a 31. Lisboa,