La necesidad de una supresión transitoria
Esta nota de aplicación se escribió en respuesta a los numerosos problemas de aplicación que se generan por la supresión incorrecta de la bobina de relé. El síntoma típico es la soldadura aleatoria de "adherencia" de los contactos normalmente abiertos al conmutar una carga inductiva o una carga de lámpara con alta corriente de entrada.
Cuando un relé electromecánico es desactivado rápidamente por un interruptor mecánico o semiconductor, el campo magnético en descenso produce un voltaje transitorio considerable en su esfuerzo por dispersar la energía almacenada y oponerse al cambio repentino del flujo de corriente. Un relé de 12 V de CC, por ejemplo, puede generar un voltaje de 1000 a 1500 voltios durante el apagado. Con el surgimiento de los sistemas electrónicos modernos, este voltaje transitorio relativamente grande ha creado problemas de interferencia electromagnética (EMI), averías de semiconductores y desgaste del interruptor en la ingeniería de diseño. Por lo tanto, la supresión de las bobinas de relé con otros componentes que limitan el voltaje máximo a un nivel mucho más pequeño se ha convertido en una práctica común.
Tipos de supresión transitoria utilizada con relés
Las técnicas básicas para la supresión de voltajes transitorios de bobinas de relé se muestran en la Figura
- Como se observa aquí, el dispositivo de supresión puede estar en una ubicación paralela a la bobina del relé o paralela al interruptor utilizado para controlar el relé. Generalmente, se prefiere la supresión paralela a la bobina, ya que puede ubicarse más cerca del relé (excepto en el caso de aplicaciones de placas de circuito impreso donde se puede usar cualquiera de las dos opciones). Cuando la supresión es paralela a la bobina de relé, se puede utilizar cualquiera de las siguientes opciones:
A. Un diodo supresor transitorio bilateral que es similar en las características de voltaje-corriente (V-I) a dos diodos zener con conexión cátodo a cátodo (o ánodo a ánodo).
B. Un diodo rectificador de polarización en sentido inverso en serie con un diodo zener de manera tal que sus ánodos (o cátodos) sean comunes y el rectificador impida el flujo normal de corriente.
C. Un varistor de óxido metálico (MOV).
D. Un diodo rectificador de polarización inversa en serie con una resistencia.
E. Una resistencia, cuando las condiciones permiten su uso, es a menudo el método de supresión más económico.
F. Un diodo rectificador en sentido inverso.
G. Un "amortiguador" de resistencia-condensador. Generalmente, es la solución menos económica y ya no se considera una solución práctica.
H. Una bobina bifilar en la que el devanado secundario se utiliza como dispositivo de supresión. Esto no es muy práctico, ya que agrega un costo y tamaño significativos al relé.
Es probable que la supresión utilizada en paralelo con el elemento de conmutación sea un diodo zener o un "amortiguador" de resistencia-condensador. Los comentarios asociados con la aplicación "en paralelo con la bobina" también son pertinentes para este circuito.
Supresor paralelo al conmutador
Figura 1. Esquema para la supresión de bobinas de relé: supresor paralelo a la bobina y supresor paralelo al interruptor
Efectos de la supresión de bobinas en la dinámica y la vida útil de los relés
A pesar de que el uso de la supresión de bobinas es cada vez más significativo, los relés generalmente se diseñan sin tener en cuenta el impacto dinámico de los supresores. Por lo tanto, la vida útil de conmutación óptima (en el caso de los contactos normalmente abiertos) se obtiene con un relé completamente sin supresión y las afirmaciones de vida útil eléctrica nominal generalmente se basan en esta premisa. La "ruptura" exitosa de una carga de CC requiere que los contactos del relé se muevan para abrirse con una velocidad razonablemente alta.
Un relé típico tendrá un movimiento acelerado de su armadura hacia la posición de descanso no energizada durante la caída. La velocidad de la armadura en el instante de la apertura del contacto jugará un papel importante en la capacidad del relé para evitar la "soldadura de adherencia" dado que proporcionará la fuerza suficiente para romper cualquier soldadura ligera realizada durante la "prueba" de una carga resistiva de alta corriente (o una con una acometida eléctrica alta). Es la velocidad de la armadura la que se ve más afectada por la supresión de la bobina. Si el supresor proporciona una vía de conducción, lo que permite que la energía almacenada en el circuito magnético del relé descienda lentamente, el movimiento de la armadura se retrasará y la armadura puede, incluso, invertir temporalmente la dirección. La inversión de la dirección y el nuevo cierre de los contactos (particularmente cuando se combina con cargas inductivas) a menudo conduce a una "soldadura de adherencia" aleatoria e intermitente de los contactos, de modo que el relé puede liberarse si se acciona de nuevo o, incluso, si se agita ligeramente.
En función del impacto en el movimiento de la armadura y la optimización para contactos normalmente abiertos, el mejor método de supresión consiste en utilizar un diodo supresor transitorio de silicio. Este supresor tendrá el menor efecto en la dinámica de caída del relé, ya que se permitirá que el transitorio del relé vaya a un nivel de voltaje predeterminado y luego permita que la corriente fluya con una baja impedancia. Esto da como resultado que la energía almacenada sea disipada rápidamente por el supresor. Los diodos supresores transitorios están disponibles como componentes bidireccionales y permiten que el relé no se polarice cuando se instala internamente. Tenga en cuenta que si se utiliza un supresor transitorio unidireccional, se debe colocar un diodo rectificador en serie con este para bloquear el flujo de corriente normal; esto tiene pocas ventajas con respecto al uso de un diodo zener. El supresor transitorio debe seleccionarse de tal manera que su clasificación de pulso de energía exceda cualquier transitorio anticipado, como el apagado de la bobina o el "ruido" del motor que se encuentra en la aplicación.
Un varistor de óxido metálico proporcionará resultados similares a los del diodo supresor transitorio, pero tendrá una mayor impedancia "en estado" y, por lo tanto, permitirá desarrollar un voltaje más alto. Como ejemplo, un diodo supresor transitorio de 33 voltios puede tener un voltaje de "bloqueo" de entre 30 y 36 voltios. En comparación, un MOV de 33 voltios probablemente bloqueará el relé a 45-55 voltios (en función de un relé automotriz típico con corriente de bobina de 130 mA). Cuando el voltaje adicional no es un problema, un MOV puede ahorrar costos con respecto al diodo supresor transitorio y también proporcionará un relé no polarizado.
El uso de un diodo rectificador de polarización inversa en serie con un diodo zener proporcionará la mejor solución cuando el relé se pueda polarizar. Esta supresión es a menudo recomendada por Siemens Electromechanical Components (SEC) para usar en circuitos automotrices. El impacto en la dinámica de liberación es mínimo y no plantea ninguna pérdida de confiabilidad. Este es generalmente un método de bajo costo y la única precaución de diseño es seleccionar un zener con un voltaje de ruptura apropiado y especificaciones de potencia de impulso suficientes para el relé en su aplicación. En aplicaciones de placas para circuito impreso con transistores utilizados como controladores de relés, el diodo zener se puede colocar "a través" del transistor; es decir, en un circuito emisor común, cátodo conectado al colector y ánodo conectado al emisor (el diodo rectificador en serie no se utiliza en este tipo de circuito).
Con algunos relés se puede utilizar con éxito un rectificador de polarización inversa en serie con una resistencia cuando no se requiere la capacidad máxima de conmutación de carga. Se debe tener cuidado de usar una resistencia con un valor lo suficientemente grande como para disipar rápidamente la energía almacenada del relé, pero aun así mantenerse dentro del voltaje transitorio máximo deseado. El valor de resistencia requerido puede aproximarse a partir de la siguiente ecuación:
R = Vpico/bobina I
donde:
R = valor de la resistencia en ohmios
Vpico = pico de voltaje transitorio permitido
BobinaI = corriente de bobina de relé en estado estacionario
El pico de voltaje real observado será menor que el calculado por esta fórmula debido a las pérdidas de energía en la resistencia. Cuando se utiliza este tipo de supresión, es mejor consultar al fabricante del relé para conocer los valores recomendados.
También se puede utilizar una resistencia por sí misma como supresor transitorio cuando se pueden tolerar la disipación de potencia adicional y el calor resultante generado por la resistencia. En la mayoría de las situaciones, esto proporcionará el método de supresión menos costoso (suponiendo que el valor de la resistencia se pueda dimensionar adecuadamente para minimizar su impacto en el rendimiento del relé). Este método generalmente es recomendado por SEC cuando los requisitos de la aplicación lo permiten.
Muchos ingenieros utilizan un diodo rectificador solo para proporcionar la supresión transitoria de las bobinas de relé. Si bien esto es rentable y elimina completamente el voltaje transitorio, su impacto en el rendimiento del relé puede ser devastador. Con frecuencia, se generan problemas de "soldadura de adherencia" inexplicables y aleatorios. En algunas aplicaciones, este problema es simplemente una molestia o inconveniente menor, y el controlador u operador repetirá el ciclo del relé hasta que se obtenga la respuesta adecuada. Sin embargo, en muchas aplicaciones, el primer incidente puede causar una falla completa del sistema o, incluso, generar una situación peligrosa. Es importante que estos sistemas se diseñen con otro método de supresión de relés.
Para ilustrar el impacto de varias supresiones de bobinas en el tiempo de respuesta del relé, considere los siguientes datos que se registraron mediante el uso de un relé de tipo ISO automotriz con una bobina de 55 ohmios y con 13.5 V de CC aplicados a la bobina.
Figura 2. Impacto de la supresión de varias bobinas en el tiempo de respuesta del relé
Métodos sugeridos para la supresión de bobinas de relé
Desde el punto de vista de la física, la técnica sugerida para la supresión transitoria de la bobina de relé consiste en utilizar un diodo rectificador de polarización inversa y un diodo zener en serie en paralelo con la bobina de relé. Esto permite que la dinámica de liberación y la vida útil del contacto normalmente abierto del relé sean óptimas. Dicha supresión puede incorporarse fácilmente a los circuitos de los relés de la placa para circuitos impresos; sin embargo, al especificar la supresión para un relé montado en el enchufe, este método puede ser menos práctico que el uso de una resistencia.
Cuando el voltaje transitorio permisible es lo suficientemente grande y la disipación de potencia tolerable, el relé puede suprimirse con una resistencia. Desde el punto de vista de un análisis de modo y efectos de falla (FMEA), la resistencia proporcionará menos riesgo adicional de falla que los dos diodos sugeridos anteriormente (siempre que su valor sea lo suficientemente alto como para evitar efectos perjudiciales para la dinámica de liberación del relé). Debe tenerse en cuenta que el valor óptimo de la resistencia para un tipo de relé no será necesariamente el valor correcto para otro tipo.
Ahora que hemos proporcionado técnicas de supresión sugeridas basadas en el rendimiento del contacto normalmente abierto, debemos agregar un comentario de calificación con respecto a los contactos normalmente cerrados. Cuando la carga primaria está en los contactos normalmente cerrados (y una carga pequeña o ninguna en el normalmente abierto), puede ser recomendable usar un diodo rectificador solo como supresión del relé (o tal vez un diodo rectificador y un valor más bajo de resistencia en serie). El movimiento retardado de la armadura que afecta negativamente el rendimiento del contacto normalmente abierto generalmente mejorará el rendimiento del contacto normalmente cerrado. La mejora resulta de un menor rebote de contacto durante el cierre de los contactos normalmente cerrados. Esto es consecuencia de la menor velocidad de impacto creada por el movimiento retardado de la armadura y se ha utilizado en el pasado para mejorar el rendimiento del contacto normalmente cerrado en ciertos relés.
La necesidad de una supresión transitoria
Esta nota de aplicación se escribió en respuesta a los numerosos problemas de aplicación que se generan por la supresión incorrecta de la bobina de relé. El síntoma típico es la soldadura aleatoria de "adherencia" de los contactos normalmente abiertos al conmutar una carga inductiva o una carga de lámpara con alta corriente de entrada.
Cuando un relé electromecánico es desactivado rápidamente por un interruptor mecánico o semiconductor, el campo magnético en descenso produce un voltaje transitorio considerable en su esfuerzo por dispersar la energía almacenada y oponerse al cambio repentino del flujo de corriente. Un relé de 12 V de CC, por ejemplo, puede generar un voltaje de 1000 a 1500 voltios durante el apagado. Con el surgimiento de los sistemas electrónicos modernos, este voltaje transitorio relativamente grande ha creado problemas de interferencia electromagnética (EMI), averías de semiconductores y desgaste del interruptor en la ingeniería de diseño. Por lo tanto, la supresión de las bobinas de relé con otros componentes que limitan el voltaje máximo a un nivel mucho más pequeño se ha convertido en una práctica común.
Tipos de supresión transitoria utilizada con relés
Las técnicas básicas para la supresión de voltajes transitorios de bobinas de relé se muestran en la Figura
- Como se observa aquí, el dispositivo de supresión puede estar en una ubicación paralela a la bobina del relé o paralela al interruptor utilizado para controlar el relé. Generalmente, se prefiere la supresión paralela a la bobina, ya que puede ubicarse más cerca del relé (excepto en el caso de aplicaciones de placas de circuito impreso donde se puede usar cualquiera de las dos opciones). Cuando la supresión es paralela a la bobina de relé, se puede utilizar cualquiera de las siguientes opciones:
A. Un diodo supresor transitorio bilateral que es similar en las características de voltaje-corriente (V-I) a dos diodos zener con conexión cátodo a cátodo (o ánodo a ánodo).
B. Un diodo rectificador de polarización en sentido inverso en serie con un diodo zener de manera tal que sus ánodos (o cátodos) sean comunes y el rectificador impida el flujo normal de corriente.
C. Un varistor de óxido metálico (MOV).
D. Un diodo rectificador de polarización inversa en serie con una resistencia.
E. Una resistencia, cuando las condiciones permiten su uso, es a menudo el método de supresión más económico.
F. Un diodo rectificador en sentido inverso.
G. Un "amortiguador" de resistencia-condensador. Generalmente, es la solución menos económica y ya no se considera una solución práctica.
H. Una bobina bifilar en la que el devanado secundario se utiliza como dispositivo de supresión. Esto no es muy práctico, ya que agrega un costo y tamaño significativos al relé.
Es probable que la supresión utilizada en paralelo con el elemento de conmutación sea un diodo zener o un "amortiguador" de resistencia-condensador. Los comentarios asociados con la aplicación "en paralelo con la bobina" también son pertinentes para este circuito.
Supresor paralelo al conmutador
Figura 1. Esquema para la supresión de bobinas de relé: supresor paralelo a la bobina y supresor paralelo al interruptor
Efectos de la supresión de bobinas en la dinámica y la vida útil de los relés
A pesar de que el uso de la supresión de bobinas es cada vez más significativo, los relés generalmente se diseñan sin tener en cuenta el impacto dinámico de los supresores. Por lo tanto, la vida útil de conmutación óptima (en el caso de los contactos normalmente abiertos) se obtiene con un relé completamente sin supresión y las afirmaciones de vida útil eléctrica nominal generalmente se basan en esta premisa. La "ruptura" exitosa de una carga de CC requiere que los contactos del relé se muevan para abrirse con una velocidad razonablemente alta.
Un relé típico tendrá un movimiento acelerado de su armadura hacia la posición de descanso no energizada durante la caída. La velocidad de la armadura en el instante de la apertura del contacto jugará un papel importante en la capacidad del relé para evitar la "soldadura de adherencia" dado que proporcionará la fuerza suficiente para romper cualquier soldadura ligera realizada durante la "prueba" de una carga resistiva de alta corriente (o una con una acometida eléctrica alta). Es la velocidad de la armadura la que se ve más afectada por la supresión de la bobina. Si el supresor proporciona una vía de conducción, lo que permite que la energía almacenada en el circuito magnético del relé descienda lentamente, el movimiento de la armadura se retrasará y la armadura puede, incluso, invertir temporalmente la dirección. La inversión de la dirección y el nuevo cierre de los contactos (particularmente cuando se combina con cargas inductivas) a menudo conduce a una "soldadura de adherencia" aleatoria e intermitente de los contactos, de modo que el relé puede liberarse si se acciona de nuevo o, incluso, si se agita ligeramente.
En función del impacto en el movimiento de la armadura y la optimización para contactos normalmente abiertos, el mejor método de supresión consiste en utilizar un diodo supresor transitorio de silicio. Este supresor tendrá el menor efecto en la dinámica de caída del relé, ya que se permitirá que el transitorio del relé vaya a un nivel de voltaje predeterminado y luego permita que la corriente fluya con una baja impedancia. Esto da como resultado que la energía almacenada sea disipada rápidamente por el supresor. Los diodos supresores transitorios están disponibles como componentes bidireccionales y permiten que el relé no se polarice cuando se instala internamente. Tenga en cuenta que si se utiliza un supresor transitorio unidireccional, se debe colocar un diodo rectificador en serie con este para bloquear el flujo de corriente normal; esto tiene pocas ventajas con respecto al uso de un diodo zener. El supresor transitorio debe seleccionarse de tal manera que su clasificación de pulso de energía exceda cualquier transitorio anticipado, como el apagado de la bobina o el "ruido" del motor que se encuentra en la aplicación.
Un varistor de óxido metálico proporcionará resultados similares a los del diodo supresor transitorio, pero tendrá una mayor impedancia "en estado" y, por lo tanto, permitirá desarrollar un voltaje más alto. Como ejemplo, un diodo supresor transitorio de 33 voltios puede tener un voltaje de "bloqueo" de entre 30 y 36 voltios. En comparación, un MOV de 33 voltios probablemente bloqueará el relé a 45-55 voltios (en función de un relé automotriz típico con corriente de bobina de 130 mA). Cuando el voltaje adicional no es un problema, un MOV puede ahorrar costos con respecto al diodo supresor transitorio y también proporcionará un relé no polarizado.
El uso de un diodo rectificador de polarización inversa en serie con un diodo zener proporcionará la mejor solución cuando el relé se pueda polarizar. Esta supresión es a menudo recomendada por Siemens Electromechanical Components (SEC) para usar en circuitos automotrices. El impacto en la dinámica de liberación es mínimo y no plantea ninguna pérdida de confiabilidad. Este es generalmente un método de bajo costo y la única precaución de diseño es seleccionar un zener con un voltaje de ruptura apropiado y especificaciones de potencia de impulso suficientes para el relé en su aplicación. En aplicaciones de placas para circuito impreso con transistores utilizados como controladores de relés, el diodo zener se puede colocar "a través" del transistor; es decir, en un circuito emisor común, cátodo conectado al colector y ánodo conectado al emisor (el diodo rectificador en serie no se utiliza en este tipo de circuito).
Con algunos relés se puede utilizar con éxito un rectificador de polarización inversa en serie con una resistencia cuando no se requiere la capacidad máxima de conmutación de carga. Se debe tener cuidado de usar una resistencia con un valor lo suficientemente grande como para disipar rápidamente la energía almacenada del relé, pero aun así mantenerse dentro del voltaje transitorio máximo deseado. El valor de resistencia requerido puede aproximarse a partir de la siguiente ecuación:
R = Vpico/bobina I
donde:
R = valor de la resistencia en ohmios
Vpico = pico de voltaje transitorio permitido
BobinaI = corriente de bobina de relé en estado estacionario
El pico de voltaje real observado será menor que el calculado por esta fórmula debido a las pérdidas de energía en la resistencia. Cuando se utiliza este tipo de supresión, es mejor consultar al fabricante del relé para conocer los valores recomendados.
También se puede utilizar una resistencia por sí misma como supresor transitorio cuando se pueden tolerar la disipación de potencia adicional y el calor resultante generado por la resistencia. En la mayoría de las situaciones, esto proporcionará el método de supresión menos costoso (suponiendo que el valor de la resistencia se pueda dimensionar adecuadamente para minimizar su impacto en el rendimiento del relé). Este método generalmente es recomendado por SEC cuando los requisitos de la aplicación lo permiten.
Muchos ingenieros utilizan un diodo rectificador solo para proporcionar la supresión transitoria de las bobinas de relé. Si bien esto es rentable y elimina completamente el voltaje transitorio, su impacto en el rendimiento del relé puede ser devastador. Con frecuencia, se generan problemas de "soldadura de adherencia" inexplicables y aleatorios. En algunas aplicaciones, este problema es simplemente una molestia o inconveniente menor, y el controlador u operador repetirá el ciclo del relé hasta que se obtenga la respuesta adecuada. Sin embargo, en muchas aplicaciones, el primer incidente puede causar una falla completa del sistema o, incluso, generar una situación peligrosa. Es importante que estos sistemas se diseñen con otro método de supresión de relés.
Para ilustrar el impacto de varias supresiones de bobinas en el tiempo de respuesta del relé, considere los siguientes datos que se registraron mediante el uso de un relé de tipo ISO automotriz con una bobina de 55 ohmios y con 13.5 V de CC aplicados a la bobina.
Figura 2. Impacto de la supresión de varias bobinas en el tiempo de respuesta del relé
Métodos sugeridos para la supresión de bobinas de relé
Desde el punto de vista de la física, la técnica sugerida para la supresión transitoria de la bobina de relé consiste en utilizar un diodo rectificador de polarización inversa y un diodo zener en serie en paralelo con la bobina de relé. Esto permite que la dinámica de liberación y la vida útil del contacto normalmente abierto del relé sean óptimas. Dicha supresión puede incorporarse fácilmente a los circuitos de los relés de la placa para circuitos impresos; sin embargo, al especificar la supresión para un relé montado en el enchufe, este método puede ser menos práctico que el uso de una resistencia.
Cuando el voltaje transitorio permisible es lo suficientemente grande y la disipación de potencia tolerable, el relé puede suprimirse con una resistencia. Desde el punto de vista de un análisis de modo y efectos de falla (FMEA), la resistencia proporcionará menos riesgo adicional de falla que los dos diodos sugeridos anteriormente (siempre que su valor sea lo suficientemente alto como para evitar efectos perjudiciales para la dinámica de liberación del relé). Debe tenerse en cuenta que el valor óptimo de la resistencia para un tipo de relé no será necesariamente el valor correcto para otro tipo.
Ahora que hemos proporcionado técnicas de supresión sugeridas basadas en el rendimiento del contacto normalmente abierto, debemos agregar un comentario de calificación con respecto a los contactos normalmente cerrados. Cuando la carga primaria está en los contactos normalmente cerrados (y una carga pequeña o ninguna en el normalmente abierto), puede ser recomendable usar un diodo rectificador solo como supresión del relé (o tal vez un diodo rectificador y un valor más bajo de resistencia en serie). El movimiento retardado de la armadura que afecta negativamente el rendimiento del contacto normalmente abierto generalmente mejorará el rendimiento del contacto normalmente cerrado. La mejora resulta de un menor rebote de contacto durante el cierre de los contactos normalmente cerrados. Esto es consecuencia de la menor velocidad de impacto creada por el movimiento retardado de la armadura y se ha utilizado en el pasado para mejorar el rendimiento del contacto normalmente cerrado en ciertos relés.
