Instalações Elétricas

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Instalações Elétricas
(Para domingueiros e profissionais)
Prof. Luiz Ferraz Netto
[email protected]
Introdução
Dia a dia cresce o número de aparelhos eletro-eletrônicos instalados na rede elétrica
domiciliar. Já não há mais uma divisão nítida entre o que é de eletrônica e o que é de
eletricidade doméstica. Conhecer o básico das instalações elétricas é dever de todos os
estudantes de Ciências, eletro-eletrônicos e famosos domingueiros.
Nesse texto analisaremos uma instalação elétrica domiciliar típica, através de alguns
conceitos de Eletricidade. Esses serão o ponto de partida para que possamos entender o
funcionamento de alguns dispositivos nela utilizados.
3 fios
A energia elétrica que recebemos da empresa de eletricidade, chega até nossa casa por
meio de 3 fios. O porque do uso de três fios não é muito bem entendido por muitos
instaladores. Eles, pela prática, simplesmente usam desses 3 fios para distribuírem as
tensões típicas de 110 V e de 220 V entre os aparelhos domésticos comuns para que
funcionem. De modo geral, as técnicas usadas nessas distribuições e instalações são
simplesmente deploráveis.
Assim, nosso primeiro ponto importante, na análise de uma instalação elétrica domiciliar
típica, é saber de que modo a eletricidade vem por estes três fios.
A energia elétrica que recebemos em nossa casa, numa linguagem simples, é transportada
por ondulações da corrente elétrica que vai e vem pelos condutores, impulsionada pelo que
denominamos de tensão elétrica.
Isso quer dizer que a tensão varia continuamente, mudando de polaridade 120 vezes por
segundo, de modo que, 60 vezes, a cada segundo, ela empurra a corrente num sentido e
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60 vezes, no mesmo segundo, ela puxa a corrente no sentido oposto, alternadamente. Daí
a denominação corrente alternada.
Representando isso por um gráfico, teremos semiciclos positivos quando a corrente é
empurrada e semiciclos negativos quando a corrente é puxada; algo como se ilustra a
seguir.
Para que uma corrente elétrica possa circular por um aparelho que seja ligado a esses
condutores de energia, ela precisa de um percurso completo (circuito fechado), ou seja, de
ida e volta, o que significa que um só fio não pode alimentar nenhum aparelho.
Temos de usar dois fios, entre os quais a tensão elétrica ou diferença de potencial muda
alternadamente de polaridade.
Um desses fios, por motivo de segurança, a própria Companhia Elétrica coloca em contato
mais íntimo possível com o solo (chão, terra). Dos dois fios da rede elétrica, aquele que não
apresenta nenhuma diferença de potencial com o solo (porque está intimamente ligado com
ele) é denominado subjetivamente de retorno, neutro ou terra. O outro, para diferenciação,
é denominado de fase ou vivo.
Para um aparelho elétrico esses nomes são supérfluos, uma vez que os dois fios
trabalham exatamente do mesmo modo, alternadamente.
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Para o instalador e para os moradores da residência ‘que fio está ligando aonde’, é
importante por motivos de segurança e não por motivos de funcionamento do aparelho. Isso
fica patente quando ligamos um liquidificador na tomada de qualquer lado que se espete
o plugue, ele funcionará!
Como aqueles que manuseiam os aparelhos estão permanentemente em contato com a
terra (assim como um dos fios da rede), é prudente que as partes metálicas do aparelho
que possam ser tocadas, sejam aquelas ligadas ao fio neutro ou terra. Desse modo, como
não há diferença de potencial, não haverá riscos de choques elétricos (passagem de
corrente elétrica pelo corpo e suas conseqüências) .
Erros comuns
Um erro comum dos instaladores, por falta de sólidos conceitos, deriva desses nomes
diferenciadores.
Quando se trata do fio vivo ou fio fase, eles lhe conferem certas importâncias elétricas (em
relação ao circuito todo), que simplesmente não existem!
Atribuem o conceito de pressão ou de tensão elétrica apenas para o fio fase e um
papel secundário de retorno para o fio terra.
Para eles é o fio fase que provoca a corrente. A falha está no conceito de tensão elétrica ou
d.d.p. conceito aplicado a pelo menos dois condutores elétricos (rigorosamente, entre
dois pontos distintos de um campo elétrico, em superfícies não eqüipotenciais). Não existe
um condutor com tensão elétrica pode existir um par de condutores (dos quais um
deles pode ser o fio terra) entre os quais estabelece-se uma tensão elétrica ou diferença de
potencial. Um fio de alto potencial elétrico é comumente citado como ‘um fio de alta
tensão’ é um erro!
Outro erro comum dos instaladores é imaginar que, pelo fato da Companhia Elétrica
aterrar um dos fios, a terra seja efetivamente utilizada como um dos fios de transporte de
energia elétrica. Se isso fosse verdade, não seriam necessários 3 fios entrando em nossas
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residências; bastariam 2, o terceiro seria ligado a uma longa haste cobreada enfiada no
chão.
Nomenclaturas
Na figura, a seguir, mostramos um circuito elétrico simples e a nomenclatura associada.
Dos três fios que chegam até nossa casa, trazendo energia elétrica da empresa geradora e
distribuidora, um deles é ligado em terra (na saída do gerador, no transformador da rua e
em centenas de outros pontos ao longo de seu percurso). Os outros dois são isolados da
terra. São os denominados fios vivos.
Entre qualquer fio vivo e o fio terra há uma diferença de potencial (110V - nominal). Entre os
dois fios vivos também há uma diferença de potencial (220V - nominal); o dobro daquela
que se estabelece entre um fio vivo e o fio terra. A fase da tensão alternada entre um fio
vivo e o terra é oposta à fase que existe entre o outro fio vivo e o terra.
A figura a seguir ilustra as tensões elétricas e as correspondentes fases entre eles.
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Modelos didáticos.
A melhor ilustração possível, a nível
de demonstração, para a rede elétrica
domiciliar
é
feita
com
um
transformador abaixador de tensão
com
center-tape
central)
no
(CT
secundário
-
terminal
de
baixa
tensão.
Ligamos o primário do transformador
na
rede
elétrica
(110
ou
220V,
conforme a rede). Nos três fios do
secundário (num transformador para
6V + 6V, por exemplo) temos a exata
imagem de nossa rede domiciliar.
Os três fios que chegam a nossas casas também vêm de um transformador abaixador de
tensão (instalado em algum poste perto de sua casa!) são os três fios do secundário
desse transformador ... com center-tape.
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Usando
nosso
"transformadorzinho
didático", basta ligar o fio central (centertape) num condutor aterrado (um cano
metálico enfiado na terra úmida).
Os fios laterais do secundário desse
transformador passam a denominar-se fios
vivos ou fios fases e o fio central será o fio
neutro ou fio terra.
No exemplo desse transformador teremos:
6VAC entre qualquer fio vivo e o fio terra;
12VAC entre os dois fios vivos.
Entre os fios vivos há uma diferença de
fase de 180 graus.
Eis um outro modelo didático.
A menos do tipo e valores da d.d.p.
desenvolvida, podemos fazer uma analogia
desse circuito domiciliar (ou do modelo do
transformadorzinho) com o circuito de duas
pilhas associadas. Confronte!
Nessa figura, 1,5V , 3,0V e 1,5V são
tensões elétricas (diferenças de potenciais);
+1,5V , 0V e -1,5V são potenciais elétricos
em relação à Terra.
Como nos circuitos de pilhas não há
aterramento (ainda que muitos deles usem
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dos chassis dos aparelhos como sendo um
dos condutores), não comparece aqui os
termos vivos e terra. Por motivos da história
da eletrônica, um dos condutores pode ser
denominado de +B e o outro de chassis,
massa ou terra.
Curtos e fusíveis.
Evidentemente, antes do primeiro acesso que temos a esses fios condutores de energia
elétrica, a empresa coloca um medidor de energia elétrica ou de consumo de energia. O
"relógio da luz", como é popularmente conhecido, mede os quilowatts-horas consumidos
que correspondem à quantidade de energia fornecida.
Em outra oportunidade abordaremos como calcular esses consumos domiciliares.
O medidor só funciona quando a corrente circula, ou seja, quando algum aparelho é ligado
e exige ,com isso, a circulação de uma corrente que lhe forneça energia.
Observe que, se houver alguma deficiência na instalação de energia que provoque um
"escape" de corrente, por exemplo, um fio desencapado encostado num ferro da estrutura
da casa, conforme exemplo da figura a seguir, a corrente circulante acionará o medidor que
registrará um consumo indevido.
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De uma maneira mais simples, podemos dizer que se trata de um "vazamento" de energia
pelo qual o usuário paga sem saber, pois toda a corrente que passa pelo "relógio" é
registrada, determinando o consumo de energia. Isso é algo análogo ao uso de uma
mangueira d'água para regar uma planta (e não para lavar a calçada, como estupidamente
se faz), mas que apresenta algum furo em sua extensão. O "relógio da água" marcará o
consumo total: água que vaza pelo furo + água para a planta.
Após o relógio, encontramos um conjunto de dispositivos de proteção que podem ser
fusíveis comuns ou disjuntores.
Os fusíveis comuns são ligas metálicas que "queimam" (fundem-se) quando a corrente
ultrapassa um valor considerado perigoso para a instalação.
A intensidade máxima da corrente que pode passar por um fio é determinada basicamente
pelo material de que ele é feito e por sua espessura.
Nas ligações com fios de cobre com determinada espessura, se a corrente ultrapassar um
certo valor, a quantidade de calor produzida pode ser exagerada, a ponto de afetar a
integridade da capa plástica do fio.
Se essa capa derreter, com a perda do isolamento, o perigo se torna maior, pois pode
ocorrer um curto-circuito. Assim, a função do fusível é queimar, interrompendo assim a
circulação da corrente, caso sua intensidade se tome perigosa a ponto de colocar em risco
a integridade da instalação. Se o fusível não queimar, por ocasião de um surto extra de
corrente, a instalação e todos os aparelhos (em funcionamento) ligados a ela serão
percorridos por esse surto de corrente ... alguns poderão "pifar"!
Nota: "curto-circuito" não é um circuito "curto"; não é um trajeto físico de pequena extensão
... é um percurso de menor resistência elétrica para a corrente.
Disjuntores
Os disjuntores têm a mesma finalidade que os fusíveis comuns, se bem que funcionem de
modo um pouco diferente. Os disjuntores têm a aparência mostrada a seguir.
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Consistem, basicamente, numa chave que desliga automaticamente quando a intensidade
da corrente alcança o valor para o qual é projetado. Vale a pena desmontar um deles para
uma análise criteriosa de seu funcionamento.
A vantagem do disjuntor em relação ao fusível é que o disjuntor simplesmente "desarma",
interrompendo a corrente quando ela se torna perigosa, enquanto que o de fio fusível
queima. Uma vez que a causa do excesso de corrente tenha sido eliminada, o fusível
precisa ser trocado por outro novo, enquanto o disjuntor é simplesmente rearmado.
Fusíveis em d.c.
Nos circuitos DC, alimentados por pilhas ou baterias os fusíveis também têm sua atuação
como protetores. Nos automóveis, por exemplo, há um bom conjunto de fusíveis
protegendo as mais variadas partes. Os rádios e toca-fitas também devem ser protegidos
mediante fusíveis. Em muitos desses rádios, o circuito interno não tem qualquer contato
com a carcaça do aparelho, por isso, além dos fios que vão aos alto-falantes, aparecem em
destaque os fios de alimentação: vermelho (+) e preto (-). O vermelho deve ser ligado ao
positivo da bateria (regra geral para os veículos modernos) e o preto ao chassis do veículo.
E o fusível onde deve ser posto?
No fio vermelho? No fio preto?
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Faça essa pergunta a 100 instaladores de rádio e equipamentos de som em carros. A
maioria dirá: É no fio vermelho, no positivo, no que vai para a bateria.
Sem dúvida, certos instaladores de rádios e aparelhos de som em automóveis, insistem na
instalação dos fusíveis no fio positivo (fio vermelho que vai para o pólo positivo da bateria).
Eles alegam que a alta corrente extra entra por ali e queima o fusível antes de entrar
no rádio!
Realmente, isso é uma falha grave no conceito. A corrente que passa pelo fusível
também passa pelo rádio ... sempre! A corrente que passa pelo fio positivo também passa,
ao mesmo tempo e com a mesma intensidade pelo fio negativo ... sempre! É indiferente
colocar o fusível no fio preto ou no vermelho.
A principal causa da queima de fusíveis ou desarme de disjuntores numa instalação elétrica
é o curto-circuito.
Curto circuito = caminho de menor resistência elétrica
Ocorre curto-circuito quando a energia elétrica encontra um caminho de retorno com menor
resistência que aquele que encontraria passando normalmente por um aparelho. Esse
novo caminho, não necessariamente é o mais curto, em termos de distância. Ele o mais
curto, em termos de menor resistência.
Se um fio encostar em outro (fase e neutro, por exemplo) não havendo um aparelho para
entregar a energia, mas sim um percurso de muito baixa resistência, a corrente se torna
intensa a ponto de colocar em perigo a instalação. Ocorreu o que denominamos de curtocircuito, ou seja, o "circuito" (percurso) não passa pelo aparelho alimentado (grande
resistência), mas vai diretamente ao retorno (quase nenhuma resistência).
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Nas instalações que utilizam fusíveis existem também chaves que permitem desligar os
diversos setores da instalação, para o caso de necessidade de manutenção, reparos ou
alterações. Observe que é desse local que a distribuição de energia pela residência é feita.
Distribuição da energia
O normal numa residência é termos três circuitos de distribuição.
Estes circuitos podem fornecer tensões de 110 V e 220 V ou somente uma delas, conforme
a instalação.
Partindo da chave principal (*) onde chegam os três fios, observamos que a partir deles
podemos obter duas tensões.
Cada fio vivo extremo está ao potencial elétrico de 110 V e têm como terra comum o fio do
meio, ou seja, ele é o neutro para os dois fios vivos extremos.
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Um
osciloscópio
de
traço
duplo
devidamente
instalado para colher informações de tensões entre
esses fios denunciará que há uma defasagem de 180
graus entre os dois pares vivo-terra.
A distribuição de energia elétrica pela residência deve
ser feita de modo a equilibrar as correntes que
passam pelos dois fusíveis.
(*) NOTA: Em instalações já um tanto antigas, é comum encontrarmos uma chave geral, de
faca, com 3 facas. Elas têm incorporados os suportes (soquetes) para 3 fusíveis. Cada
fusível da lateral protege um fio vivo. O fusível central não protege nada, ele não está
ligado em nada. O suporte central é apenas "um armário" para um fusível de reserva. Se
durante a noite um dos fusíveis laterais queima, com uma lanterna o localizamos e o
substituímos pelo fusível do meio o reserva.
Se você retirar esse fusível central verá que há uma arruela de latão (e um parafuso central)
curto-circuitando essa entrada de terra. Essa arruela, com as habituais trepidações do
prédio, pode desfazer a ligação do terra ... e algum aparelho vai queimar lá dentro da casa!
Vale a pena, periodicamente, desligar a chave geral, retirar esse parafuso central do
suporte do meio da chave, retirar a arruela e lixá-la bem. Recoloque-a no lugar e aperte
bem esse parafuso central. Enrosque, nesse suporte-"armário" o fusível de reserva.
As duas fases ou fios vivos irão para os dispositivos que requeiram 220V (chuveiro, torneira
elétrica etc.). Deve haver um par de disjuntores ou uma chave especial com fusíveis para
esse circuito.
Uma das fases e o neutro são usados para alimentar as tomadas de energia distribuídas
pela casa. Neste circuito, pode-se fazer uma segunda separação nas casas tipo sobrado,
por exemplo, para as tomadas do andar de cima e para as tomadas do térreo.
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A outra fase e o neutro servem para alimentar as lâmpadas. Aqui também podemos fazer a
separação entre o circuito do andar de cima e o térreo, no caso de um sobrado.
Veja que essas separações são interessantes não só em termos de distribuição das
correntes como também para a manutenção. Podemos desligar a chave que alimenta as
tomadas para trabalhar numa delas, sem precisar desligar a luz, que vai iluminar o local que
esta sendo trabalhado.
Os circuitos individuais dos dispositivos alimentados vêm a seguir.
Interruptores
Os interruptores são ligados em série com as lâmpadas ou seja, a corrente que passa pelo
interruptor é a mesma que passa pela lâmpada.
Circuito série do interruptor e lâmpada
Observe que basta interromper a corrente em apenas um fio, pois isso interrompe seu
percurso, impedindo sua circulação: a lâmpada não acende. Em princípio, podemos
interromper a corrente no fio vivo ou no fio neutro, mas é uma boa prática do instalador
identificar o pólo vivo e nele colocar o interruptor.
Esse procedimento é interessante porque, se tentarmos trocar uma lâmpada tendo apenas
o interruptor desligado e esse se achar no neutro, um toque em qualquer parte metálica do
soquete ou do circuito não impede que levemos um choque, pois passamos a formar o
circuito de terra para a corrente.
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Ligação inadequada do interruptor
Ligação recomendada para o
interruptor
Se o fio interrompido for o vivo, nas partes metálicas do soquete da lâmpada teremos
apenas neutro, ou seja, elementos com o mesmo potencial de nosso corpo e que portanto,
não podem dar choque mesmo que toquemos neles.
Evidentemente, isso não se aplica a uma lâmpada alimentada por 220 V, onde temos os
dois fios vivos.
Outros dispositivos são as tomadas de energia que alimentam diversos tipos de
dispositivos.
Essas são conectadas nos diversos pontos da instalação, conforme as necessidades.
Podemos ter numa instalação tomadas especiais de 220 V conectadas aos pontos em que
existe essa tensão.
Termos usados
TERRA, NEUTRO, MASSA E FASE
Em diversos pontos deste artigo, onde analisamos a estrutura básica de uma instalação
elétrica domiciliar, falamos nos quatro termos acima, mostrando aos leitores que existem
"estados" ou níveis de potenciais elétricos que caracterizam de forma bem distinta os fios
ou os pontos de uma instalação em que os dispositivos externos são ligados.
As definições com as explicações mais detalhadas dos termos usados são dadas a seguir:
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TERRA - O solo terrestre é um semicondutor de eletricidade. Em certas situações, qualquer
corpo que esteja em conexão com a terra terá o potencial desta, ou seja, não haverá
diferença de potencial entre eles (corpo e terra), de modo que, não haverá circulação de
corrente de um para o outro.
Se um corpo estiver carregado ou sob um potencial diferente da terra, ao ser colocado em
contato com ela, ele se descarrega. Em outras palavras, adquire o mesmo potencial elétrico
que a Terra que, por convenção é de 0 volts. Isso esclarece porque o usuário da rede
elétrica, ao tocar pontos da rede que estão interligados com a terra, não toma choque.
Isso significa que a ligação de um objeto à terra é a garantia de que ele não vai causar
choque se for tocado. A barra de terra de uma instalação elétrica é para garantir que, em
caso de interrupção dos fios ou problemas na instalação teremos um dos condutores ligado
à terra.
NEUTRO - Um dos condutores de energia da empresa distribuidora é ligado à terra.
No local onde a energia elétrica é gerada, ao longo das torres de distribuição, nas
subestações e nos transformadores de rua há uma ligação desse condutor até o solo. Esse
condutor é denominado de neutro.
Na maioria das instalações ele está no mesmo potencial da terra (caso em que ambos
podem ser confundidos), mas existem casos em que um defeito na instalação, como por
exemplo, uma interrupção de um fio, torna o potencial do neutro diferente do potencial do
terra, caso em que choques podem ocorrer. Quando o neutro e o terra apresentam
potenciais elétricos diferentes dissemos que houve um "mau aterramento".
MASSA - Se o neutro ou o terra for ligado a um chassi de um aparelho de modo que esse
chassi de metal sirva como um condutor de corrente, esse chassi será chamado de massa.
Na maioria dos casos, a MASSA de um aparelho coincide com o terra e o neutro, o que
significa que se for tocada nada acontece em termos de choque. No entanto, existem
aparelhos em que a MASSA não é obrigatoriamente terra ou neutro. Existem televisores,
por exemplo, em que um dos fios da rede de energia é ligado ao chassi e ele não é
necessariamente o neutro. Desta forma, a MASSA desses televisores pode estar com um
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potencial de 110 V ou 220 V em relação à Terra, podendo assim causar choques em quem
nele tocar.
FASE - O condutor isolado da Terra e que apresenta potencial elétrico em relação a ela é
denominado de fio fase. Evidentemente, se com os pés no chão, tocarmos nesse condutor,
tomaremos choque.
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