3.8: Diseño de Circuito Seguro

En lo que respecta a la fuente de voltaje y la carga, la conexión a tierra no hace ninguna diferencia. Existe puramente por el bien de la seguridad del personal, al garantizar que al menos un punto en el circuito será seguro de tocar (cero voltaje a tierra). El lado “Caliente” del circuito, llamado así por su potencial de peligro de choque, será peligroso de tocar a menos que el voltaje esté asegurado por la desconexión adecuada de la fuente (idealmente, usando un procedimiento sistemático de bloqueo/etiquetado).

Este desequilibrio de peligro entre los dos conductores en un circuito de alimentación simple es importante de entender. Las siguientes series de ilustraciones se basan en sistemas de cableado domésticos comunes (usando fuentes de voltaje CC en lugar de CA para simplificar).

Si echamos un vistazo a un electrodoméstico sencillo, como una tostadora con una caja metálica conductora, podemos ver que no debe haber peligro de choque cuando está funcionando correctamente. Los cables que llevan la energía al elemento calefactor de la tostadora están aislados de tocar la caja metálica (y entre sí) por caucho o plástico.

Sin embargo, si uno de los cables dentro de la tostadora entrara accidentalmente en contacto con la caja metálica, la caja se hará eléctricamente común al cable, y tocar la caja será tan peligroso como tocar el cable desnudo. Si esto presenta o no un peligro de choque depende de qué cable toque accidentalmente:

Si el cable “caliente” entra en contacto con la caja, pone en peligro al usuario de la tostadora. Por otro lado, si el cable neutro entra en contacto con la caja, no hay peligro de choque:

Para ayudar a garantizar que la primera falla sea menos probable que la segunda, los ingenieros intentan diseñar electrodomésticos de tal manera que se minimice el contacto del conductor caliente con la carcasa. Idealmente, por supuesto, no desea que ninguno de los cables entre accidentalmente en contacto con la carcasa conductora del aparato, pero generalmente hay formas de diseñar el diseño de las piezas para hacer que el contacto accidental sea menos probable para un cable que para el otro. Sin embargo, esta medida preventiva es efectiva solo si se puede garantizar la polaridad del enchufe de alimentación. Si el enchufe se puede invertir, entonces el conductor con más probabilidades de entrar en contacto con la caja podría ser el “caliente”:

Los electrodomésticos diseñados de esta manera generalmente vienen con enchufes “polarizados”, siendo un diente del enchufe un poco más estrecho que el otro. Los receptáculos de alimentación también están diseñados así, siendo una ranura más estrecha que la otra. En consecuencia, el enchufe no se puede insertar “hacia atrás” y se puede garantizar la identidad del conductor dentro del aparato. Recuerde que esto no tiene ningún efecto sobre la función básica del aparato: es estrictamente por el bien de la seguridad del usuario.

Algunos ingenieros abordan el problema de seguridad simplemente haciendo que la caja exterior del aparato no sea conductora. Dichos aparatos se denominan de doble aislamiento, ya que la caja aislante sirve como una segunda capa de aislamiento por encima y más allá de la de los propios conductores. Si un cable dentro del aparato entra accidentalmente en contacto con el estuche, no hay peligro presentado para el usuario del aparato.

Otros ingenieros abordan el problema de la seguridad manteniendo una caja conductora, pero usando un tercer conductor para conectar firmemente esa caja a tierra:

La tercera clavija en el cable de alimentación proporciona una conexión eléctrica directa desde la caja del aparato a tierra, haciendo que los dos puntos sean eléctricamente comunes entre sí. Si son eléctricamente comunes, entonces no puede haber ninguna caída de voltaje entre ellos. Al menos, así es como se supone que debe funcionar. Si el conductor caliente toca accidentalmente la caja metálica del aparato, creará un cortocircuito directo a la fuente de voltaje a través del cable de tierra, disparando cualquier dispositivo de protección contra sobrecorriente. El usuario del aparato permanecerá seguro.

Es por eso que es tan importante nunca cortar la tercera clavija de un enchufe de alimentación cuando se trata de encajarlo en un receptáculo de dos clavijas. Si se hace esto, no habrá conexión a tierra de la caja del aparato para mantener seguros al usuario (s). El aparato seguirá funcionando correctamente, pero si hay una falla interna que pone el cable caliente en contacto con la caja, los resultados pueden ser mortales. Si se debe usar un receptáculo de dos clavijas, se puede instalar un adaptador de receptáculo de dos a tres clavijas con un cable de conexión a tierra conectado al tornillo de cubierta conectado a tierra del receptáculo. Esto mantendrá la seguridad del aparato conectado a tierra mientras está enchufado a este tipo de receptáculo.

Sin embargo, la ingeniería eléctricamente segura no necesariamente termina en la carga. Una salvaguardia final contra descargas eléctricas se puede disponer en el lado de la fuente de alimentación del circuito en lugar del propio aparato. Esta salvaguardia se llama detección de fallas a tierra, y funciona así:

En un aparato que funcione correctamente (mostrado arriba), la corriente medida a través del conductor caliente debe ser exactamente igual a la corriente a través del conductor neutro, porque solo hay una ruta para que los electrones fluyan en el circuito. Sin fallas dentro del aparato, no hay conexión entre los conductores del circuito y la persona que toca la caja, y por lo tanto no hay choque.

Sin embargo, si el cable caliente entra en contacto accidentalmente con la caja metálica, habrá corriente a través de la persona que toca la caja. La presencia de una corriente de choque se manifestará como una diferencia de corriente entre los dos conductores de potencia en el receptáculo:

Esta diferencia de corriente entre los conductores “calientes” y “neutros” solo existirá si hay corriente a través de la conexión a tierra, lo que significa que hay una falla en el sistema. Por lo tanto, dicha diferencia de corriente puede usarse como una forma de detectar una condición de falla. Si se configura un dispositivo para medir esta diferencia de corriente entre los dos conductores de alimentación, se puede usar una detección de desequilibrio de corriente para activar la apertura de un interruptor de desconexión, cortando así la energía y evitando golpes graves:

Dichos dispositivos se denominan Interruptores de Corriente de Falla a Tierra, o GFCI para abreviar. Fuera de Norteamérica, el GFCI se conoce como interruptor de seguridad, dispositivo de corriente residual (RCD), RCBO o RCD/MCB si se combina con un disyuntor en miniatura o disyuntor de fuga a tierra (ELCB). Son lo suficientemente compactos como para integrarse en un receptáculo de alimentación. Estos receptáculos se identifican fácilmente por sus distintivos botones “Test” y “Reset”. La gran ventaja de usar este enfoque para garantizar la seguridad es que funciona independientemente del diseño del aparato. Por supuesto, usar un aparato de doble aislamiento o conexión a tierra además de un receptáculo GFCI sería mejor aún, pero es reconfortante saber que se puede hacer algo para mejorar la seguridad por encima y más allá del diseño y condición del aparato.

El interruptor de circuito de falla de arco (AFCI), un disyuntor diseñado para evitar incendios, está diseñado para abrirse en cortocircuitos resistivos intermitentes. Por ejemplo, un interruptor normal de 15 A está diseñado para abrir el circuito rápidamente si se carga mucho más allá de la clasificación de 15 A, más lentamente un poco más allá de la clasificación. Si bien esto protege contra cortocircuitos directos y varios segundos de sobrecarga, respectivamente, no protege contra arcos, similares a la soldadura por arco. Un arco es una carga altamente variable, pico repetitivo a más de 70 A, circuito abierto con cruces por cero de corriente alterna. Sin embargo, la corriente promedio no es suficiente para disparar un interruptor estándar, es suficiente para iniciar un incendio. Este arco podría ser creado por un cortocircuito metálico que quema el metal abierto, dejando un plasma resistivo de pulverización catódica de gases ionizados.

El AFCI contiene circuitos electrónicos para detectar este cortocircuito resistivo intermitente. Protege contra arcos calientes a neutros y calientes a tierra. La AFCI no protege contra riesgos de choque personales como lo hace un GFCI. Por lo tanto, los GFCI aún necesitan instalarse en circuitos de cocina, baño y exteriores. Dado que la AFCI a menudo se dispara al arrancar motores grandes, y más generalmente en motores cepillados, su instalación está limitada a circuitos de dormitorio por el código eléctrico nacional de Estados Unidos. El uso de la AFCI debe reducir el número de incendios eléctricos. Sin embargo, los tropiezos molestos cuando se ejecutan electrodomésticos con motores en circuitos AFCI es un problema.

Revisar

• Los sistemas de energía a menudo tienen un lado de la fuente de voltaje conectado a tierra para garantizar la seguridad en ese punto.
• El conductor “conectado a tierra” en un sistema de alimentación se llama conductor neutro, mientras que el conductor no conectado a tierra se llama caliente.
• La conexión a tierra en los sistemas de energía existe en aras de la seguridad del personal, no por el funcionamiento de la (s) carga (s).
• La seguridad eléctrica de un aparato u otra carga puede mejorarse con una buena ingeniería: los enchufes polarizados, el doble aislamiento y los enchufes de “puesta a tierra” de tres clavijas son formas en que la seguridad se puede maximizar en el lado de la carga.
• Los Interruptores de Corriente de Falla a Tierra (GFCI) funcionan detectando una diferencia de corriente entre los dos conductores que suministran energía a la carga. No debería haber ninguna diferencia de corriente en absoluto. Cualquier diferencia significa que la corriente debe estar entrando o saliendo de la carga por algún medio distinto a los dos conductores principales, lo cual no es bueno. Una diferencia de corriente significativa abrirá automáticamente un mecanismo de interruptor de desconexión, cortando la energía completamente.