Informe técnico: Accionamiento adecuado de la bobina: fundamental para un buen rendimiento del relevador y el contactor

En esta Nota de aplicación, las referencias a relevadores, por lo general, también se aplican a los contactores. Del mismo modo, se hacen pocas menciones específicas con respecto a la aplicación de relevadores de tipo telecomunicaciones. En general, la necesidad de un accionamiento de bobina adecuado se aplica igualmente a los contactores y relevadores de telecomunicaciones, excepto que el aumento de la temperatura interna y de la bobina debido a la carga de contacto rara vez es un problema en las aplicaciones de telecomunicaciones.

El accionamiento adecuado de la bobina es de vital importancia para el correcto funcionamiento del relé, y un buen rendimiento y vida útil de la carga. Para que un relé (o contactor) funcione correctamente, es necesario asegurarse de que la bobina se acciona correctamente para que los contactos se cierren correctamente y permanezcan cerrados, y la armadura se asiente completamente y permanezca asentada, en todas las condiciones que puedan encontrarse en la aplicación.

Independientemente de si el tipo de bobina es CC o CA, se considera que todas las clasificaciones de contacto del relé para la vida útil de la carga de CA se conmutan aleatoriamente con respecto al ciclo de la línea de alimentación de CA, están distribuidas uniformemente alrededor de todo el ciclo a lo largo del tiempo y tienen la misma probabilidad de conmutación en ciclos positivos y negativos. Se debe tener cuidado de que el hardware y el software de control no provoquen accidentalmente la sincronización de la línea de apertura o cierre del contacto, lo que generaría un desgaste de contacto desigual o acelerado, y una falla temprana.

Los relevadores son electroimanes, y la intensidad del campo magnético que los acciona es una función de amperios-vueltas (AT), es decir, la cantidad de vueltas de cable multiplicado por la corriente que fluye a través de ese cable. Dado que la cantidad de "vueltas" no cambia una vez enrollado, la única variable de aplicación es la corriente de la bobina.

La corriente de la bobina de CC está determinada únicamente por el voltaje aplicado y la resistencia de la bobina. Si el voltaje disminuye o la resistencia aumenta, entonces la corriente de la bobina disminuye, lo que da como resultado un AT más bajo y, por lo tanto, una menor fuerza magnética en la bobina.

La corriente de la bobina de CA se ve afectada de manera similar por el voltaje aplicado y la impedancia de la bobina, pero la impedancia (Z) se define como Z = sqrt (R² + XL ²), por lo que los cambios en la resistencia de la bobina por sí solos tienen un efecto un poco menos directo en las bobinas de CA que en las bobinas de CC.

El voltaje de la bobina aplicado también variará a medida que la fuente de alimentación varíe con el tiempo. El diseñador de control debe definir el rango de voltaje de entrada según el cual se garantiza que funcionará el control (generalmente +10 %/-20 % del valor nominal) y luego compensar lo que corresponda en el diseño de control para garantizar el funcionamiento adecuado en ese rango de voltaje.

No solo habrá variaciones en el voltaje aplicado, sino que la resistencia de la bobina del relé presenta variaciones similares. En primer lugar, la resistencia de la bobina tendrá una tolerancia de fabricación (generalmente +/-5 % o +/-10 % a temperatura ambiente). En segundo lugar, la resistencia del alambre para bobina también tiene un coeficiente de temperatura positivo, por lo que la resistencia de la bobina aumentará a medida que la temperatura del alambre aumente o disminuirá a medida que la temperatura del alambre disminuya. Esto se muestra gráficamente a continuación y también con más detalle en la Nota de aplicación "Compensación de voltaje y temperatura de la bobina".

Resistencia de la bobina vs. temperatura (gráfico):

• Resistencia de la bobina: la resistencia de CC de la bobina del relé generalmente se especifica a temperatura "ambiente" (generalmente 23 °C). Consulte también la Nota de aplicación "Compensación de voltaje y temperatura de la bobina".
• Voltaje de funcionamiento (arranque): el voltaje máximo en el que debe colocarse la armadura del relé contra el núcleo de la bobina suponiendo que está en una posición completamente activada.
• Voltaje de liberación (caída): el voltaje mínimo especificado en el cual la armadura del relé debe restaurarse a su posición desactivada.
• Voltaje de retención: el voltaje mínimo en el cual se requiere que la armadura no se mueva perceptiblemente desde su posición completamente activada después de haber sido energizada eléctricamente. (Tenga en cuenta que esto generalmente no se especifica en las fichas técnicas ni se controla en la fabricación). Más adelante se brinda más información al respecto en la sección sobre reducción de potencia de la bobina y también en la Nota de aplicación "Opciones de reducción de potencia de la bobina del relé de CC".

(Nota: Más allá de este punto, siempre se considera que los relevadores de bobina de CC funcionan con CC bien filtrada, no con media onda ni onda completa sin filtrar, a menos que se lo indique específicamente. Además, se considera que la información de la ficha técnica se proporciona a temperatura ambiente (generalmente 23 °C, a menos que se indique lo contrario).

El diodo CR1 sirve para reducir el voltaje inverso de "retroceso" de la bobina de relé K1 para proteger el controlador Q1 al apagarse, pero también tiene el efecto de ralentizar la caída del contacto que puede degradar la vida útil de la carga. Zener Z1 es opcional, pero cuando se usa reduce el efecto de ralentización de la caída de CR1. El voltaje Z1 zener se selecciona en no más del 80 % del voltaje pico inverso (PIV) del transistor Q1.

Si se va a utilizar un suministro de corriente continua de media onda u onda completa sin filtrar para la bobina, se debe proporcionar el diodo CR1 a través de la bobina (y no se debe usar Z1) para que la energía vuelva a circular hacia la bobina y le permita atravesar las partes de bajo voltaje de la forma de onda de potencia sin desplazar la armadura, sin zumbido, etc. Consulte a TE Relay Products Engineering para obtener asesoramiento. Las condiciones varían significativamente según el tipo de relé/contactor y el diseño del circuito. Algunos relevadores lo toleran bien y otros no lo toleran en absoluto.

Las condiciones de funcionamiento menos favorables para un relé son el voltaje de alimentación mínimo y la máxima resistencia de la bobina a la temperatura ambiente más alta simultáneamente con la carga de corriente de contacto más alta. La inductancia dividida por la resistencia (L/R) define la carga y la velocidad de descarga de la corriente en las bobinas de relé y, por lo tanto, afecta su tiempo de funcionamiento (y el tiempo de liberación si el diodo o el diodo-zener están amortiguados). L/R también varía según el tipo de relé, el voltaje de la bobina y la temperatura ambiente. Del mismo modo, esto da como resultado variaciones en el tiempo de funcionamiento y liberación, así como en la tolerancia al funcionamiento de media onda y onda completa, todo lo cual debe considerarse en cada aplicación.

Es importante restar y corregir las caídas de voltaje en el circuito de la bobina debido a diodos en serie, transistores (especialmente Darlington), etc. para que el voltaje mínimo realmente aplicado a la bobina permanezca como se requiere.

El autocalentamiento a través de pérdidas I² R en el relé debido a la corriente a través del alambre para bobina y la corriente de carga a través de las secciones y terminales del contacto da como resultado un calentamiento adicional de la bobina y la parte interna (además de cualquier aumento en la temperatura ambiente solamente). Todo esto debe tenerse en cuenta al calcular la temperatura real de la bobina.

El diseñador siempre debe corregir el voltaje de entrada para ajustar el aumento de la resistencia de la bobina, las pérdidas del circuito y la disminución de AT para que, en las condiciones menos favorables, todavía haya suficiente AT para que el relé funcione de manera confiable y la armadura se asiente completamente, y se aplique así una fuerza de contacto completa. Si el contacto está cerrado pero la armadura no está completamente asentada, la fuerza de contacto será baja, por lo que los contactos pueden estar sujetos a sobrecalentamiento y ser propensos a la soldadura de adherencia tras la aplicación de altas corrientes.

• Nota: Las bobinas de CA se corrigen de manera similar, teniendo en cuenta que el cambio de resistencia afecta la impedancia de la bobina de CA (y, por lo tanto, la corriente de la bobina) mediante la fórmula Z = sqrt (R2 + XL 2) en lugar de linealmente como en las bobinas de CC.

Consulte la Nota de aplicación  "Compensación de voltaje y temperatura de la bobina" para obtener un análisis detallado de estos problemas.

• La temperatura máxima de la bobina (calculada conforme a la Nota de aplicación "Compensación de voltaje y temperatura de la bobina") al voltaje nominal de la bobina, la carga máxima y la temperatura ambiente máxima no debe exceder la temperatura máxima permitida por UL o CSA para la "Clase de temperatura de aislamiento" (A, B, F o H - [105 °C, 130 °C, 155 °C y 180 °C respectivamente]) del relé seleccionado. 
• Si los relevadores están muy cargados y apretados en el ensamblaje final o si están cerca de otros componentes generadores de calor, se puede prever un mayor aumento de la temperatura de la bobina y se debe definir y compensar de manera similar.
• Se deben considerar todas las fuentes de calor analizadas anteriormente para que las bobinas se accionen correctamente sin temperaturas que excedan los límites del sistema de aislamiento.
• Dado que los relevadores son electroimanes, son susceptibles a campos magnéticos externos de transformadores cercanos, otros relevadores o contactores, conductores de alta corriente, etc.; todo lo cual puede influir en las características de funcionamiento y liberación del relé. Del mismo modo, los relevadores y contactores pueden influir en el rendimiento de otros componentes magnéticamente sensibles que estén cerca.
• La prueba final se produce en el ensamblaje final cuando el relé está expuesto a la carga máxima, la temperatura ambiente máxima y el voltaje mínimo de la fuente de alimentación. En estas condiciones, el aumento de la temperatura de la bobina (y, por lo tanto, el cambio de resistencia) debe reevaluarse para garantizar que todavía haya un factor de seguridad suficiente para accionar de manera confiable el relé a un bajo voltaje de alimentación sin sobrecalentarse al voltaje de alimentación máximo, la corriente de carga y la temperatura ambiente.
• Las características exclusivas de las bobinas de CA se analizarán con más detalle más adelante en esta Nota.
• En el caso de las bobinas de CC, la forma de onda actual de la bobina durante el accionamiento inicial debe verse como en la Figura "A" y no la Figura "B".

Si la transición de corriente de la bobina se ve como en la Figura "B" (que indica que la armadura se "detuvo" momentáneamente y no se asentó firmemente) hay un problema con el circuito de accionamiento que debe corregirse.

Los relevadores de enganche de CC que utilizan sistemas de magnetismo remanente son relevadores de bobina de CC especiales que solo necesitan ser alimentados por un corto tiempo para el modo "SET" (Activado) y luego nuevamente para el modo "RESET" (Desactivado). Estas bobinas generalmente no están diseñadas para ser alimentadas continuamente en modo Set o Reset.

• Todos los comentarios anteriores sobre el accionamiento adecuado de la bobina de los relevadores de CC y la corrección para el aumento de la temperatura ambiente, etc. se aplican, excepto el calentamiento de la bobina debido al voltaje de la bobina aplicado.
• Estos relevadores tienen requisitos mucho más restringidos tanto para el rango de voltaje aplicado como para la precisión de tiempo que los relevadores monoestables. 

El voltaje del modo SET generalmente no debe exceder el 120 % del voltaje nominal. El voltaje del modo RESET, por otro lado, nunca debe exceder el 120 % del voltaje nominal y se recomienda mantenerlo en 110 % como máximo para evitar que aumente el riesgo de "alterar" (pasar al modo RESET y luego al modo SET nuevamente) el sistema magnético. Cuando se necesiten amplios rangos de temperatura ambiente, consulte TE Relay Products Engineering para obtener orientación.

Los intervalos de tiempo mínimos de los modos SET y RESET se especifican en la fica técnica del relé. Estos tiempos mínimos son mucho más largos que el tiempo real necesario para transferir el contacto a su estado opuesto. El tiempo extra es necesario para que el sistema magnético esté adecuadamente "cargado" en cada paso.

• Del mismo modo, no se recomienda una "bomba de carga" ni otros esquemas de accionamiento de bobina pulsada que utilizan condensadores de descarga como fuente de alimentación, porque es muy difícil mantener suficiente corriente durante el intervalo de tiempo adecuado para colocar el relé en modo SET o RESET sin exceder el AT máximo que el sistema magnético puede tolerar, especialmente en modo RESET.

Los relevadores y contactores que utilizan bobinas de CA tienen algunas diferencias importantes con respecto a los tipos de CC. Debido a la naturaleza sinusoidal de la alimentación de CA:

• Algunos relevadores de CA tienden a generar un "zumbido" audible a pesar de que funcionan correctamente. Esto puede variar de un relé a otro, de una operación a otra y a lo largo de la vida útil. Un "zumbido" es un sonido audible que no mueve de forma considerable las piezas internas del relé o los contactos. Un "ruido" o "ajetreo", por otro lado, es más fuerte y mueve físicamente las piezas internas, por lo que nunca se debe permitir que ocurra; de lo contrario, el rendimiento se degradará en gran medida.
• Los relevadores de CA no se pueden sincronizar intencionalmente con la onda sinusoidal de CA porque partes de la onda sinusoidal de CA no contienen suficiente energía para accionar el mecanismo del relé, por lo que hay puntos en los que el relé funciona y la sincronización de liberación simplemente no puede funcionar correctamente.
• Este fenómeno también produce una mayor variación en el tiempo de funcionamiento y liberación que en los relevadores de CC y, a menudo, un mayor contacto, rebote o ajetreo de la armadura. Todo esto depende exactamente de la parte de la onda sinusoidal en la que se conecta o elimina la potencia de la bobina e, incluso, puede causar un rebote de contacto o ajetreo excesivo cuando se acciona inicialmente.
• Como resultado, los relevadores de CA suelen tener una clasificación más baja que los relevadores de CC de la misma familia. Esto se debe a que 1) la onda sinusoidal tiene puntos de baja energía (como se explicó anteriormente) y, por lo tanto, los contactos de relé de CA no se desconectan aleatoriamente durante todo el ciclo en ambas polaridades y 2) esto puede dar lugar a una incidencia excesivamente alta de conexión o desconexión en secciones de alta energía de la onda sinusoidal. Todas estas características tienden a reducir las clasificaciones o la vida útil del contacto en los dispositivos de bobina de CA.
• El funcionamiento de los relevadores de bobina de CA suele generar más calor que los tipos de CC, por lo que la temperatura ambiente máxima permitida es a menudo menor que en los modelos de CC.
• Del mismo modo, los relevadores de bobina de CA impulsados por triodos para corriente alterna (TRIAC) o rectificadores controlados por silicio (SCR) en oposición suelen tener una vida útil más corta. Dichos dispositivos generalmente pueden estar en modo ON (Abierto) y encenderse en cualquier momento del ciclo. También pueden estar en modo OFF (Cerrado) en cualquier lugar, pero en realidad no se desactivarán hasta que la corriente a través de ellos llegue a cero. Esto da como resultado que los contactos "desconecten" la carga en un punto casi fijo del ciclo de alimentación. Si el "tiempo de liberación" del relé hace que eso suceda cerca de la alimentación de corriente cero, el rendimiento es mejor que el promedio, pero si ocurre cerca de la corriente pico, entonces el rendimiento es más deficiente. La ficha técnica y las clasificaciones de vida útil de la carga de las agencias de seguridad se basan en ciclos totalmente aleatorios con respecto a la onda sinusoidal de CA (no a esta condición síncrona) a menos que se especifique lo contrario en los informes.

A veces se recomienda reducir el consumo total de energía de control y el calor. Una forma de hacerlo es usar relevadores con mecanismos de enganche, pero son relativamente costosos y pueden dejar el relé en un estado indeterminado en caso de una falla de energía. Una alternativa es reducir el consumo de energía de la bobina de los relevadores de bobina de CC estándar mediante una de las siguientes técnicas.

• PWM (modulación de ancho de pulsos): con este esquema, el relé o contactor de la bobina de CC se acciona inicialmente a un voltaje de bobina nominal, o ligeramente superior, durante un corto intervalo para activar y estabilizar el mecanismo del relé. La bobina del relé es impulsada por un tren de pulsos de onda rectangular de cierta amplitud, ciclo de trabajo y frecuencia especificados para mantener el relé en la condición activada con menos potencia aplicada.
• Accionamiento de bobina de CC con reducción: Al igual que la PWM, esta técnica acciona inicialmente el relé a un voltaje nominal de la bobina de CC durante un corto intervalo para activar y estabilizar el mecanismo. Luego, el voltaje de CC se reduce a un nivel más bajo para mantener el relé en la condición activada con menos potencia aplicada.
• Precaución: El uso de una "bomba de carga" y otros esquemas similares pueden lograr el mismo propósito, pero utilizan condensadores de carga/descarga para la potencia. La forma de onda no rectangular resultante hace que sea muy difícil garantizar que se aplique una potencia de bobina estable y adecuada a la bobina del relé durante el intervalo de tiempo adecuado para accionar correctamente el relé o para mantenerlo correctamente enganchado mientras se reduce la potencia de la bobina. Aunque se usan comúnmente, tales esquemas no se recomiendan debido a la dificultad de garantizar un accionamiento de bobina adecuado.

Del mismo modo, siempre se debe recordar que la reducción de la potencia de la bobina reduce la capacidad de retención de la bobina del relé y, por lo tanto, reduce la tolerancia a golpes y vibraciones en la aplicación.

Se debe consultar a TE Relay Products Engineering para obtener información específica de la familia de relevadores en cuanto a todas estas técnicas. No todos los relevadores funcionan igual.

• Sincronización cruzada cero: existen varias técnicas que pueden permitir que los relevadores de bobina de CC funcionen mejor que su clasificación de carga/vida útil publicada (para cargas de CA cuando se conmutan aleatoriamente). Esto generalmente implica algún tipo de sincronización cruzada cero del contacto con la forma de onda de voltaje de carga en el modo de "conexión" y con la forma de onda de corriente de carga en el modo de "desconexión". Si se hace correctamente, se pueden lograr mejoras excepcionales en la vida útil de conmutación cuando se utilizan cargas resistivas, cargas reactivas y, especialmente, cargas capacitivas y de lámpara de alta entrada.

También hay varios problemas de rendimiento de contacto relacionados con el aumento potencial de la resistencia de contacto cuando se conmuta con mucha precisión cerca del cruce cero tanto en modo de "conexión" como de "desconexión", ya que no se produce la autolimpieza de desconexión de arcos para reducir la oxidación y contaminación de contacto que ocurren generalmente durante la vida útil del relé.

Este es un proceso intrínsecamente complejo y se analiza por separado y con más detalle en la Nota de aplicación "Mejora del rendimiento y la vida útil de la carga del contacto".

Se debe consultar a TE Relay Products Engineering para obtener información específica de la familia de relevadores para esta técnica. No todos los relevadores funcionan de la misma manera.