Maximize o desempenho e a confiabilidade dos relés, enquanto protege o circuito de controle de tensões induzidas pela bobina
Esta nota sobre a aplicação descreve os problemas relacionados aos métodos de desenergização de bobinas de relés eletromagnéticos, principalmente quando uma chave de estado sólido é usada, além de explicar como isso afeta a vida útil do dispositivo.
A principal preocupação aqui é com o ciclo de desenergização do relé, e discutimos
- A dinâmica da armadura e da comutação do sistema de relés após a desenergização da bobina.
- Como ocorrem as tensões induzidas pela bobina.
- Técnicas para proteger o interruptor de estado sólido.
- O efeito adverso de um diodo simples de supressão da bobina na dinâmica de comutação do relé e na vida útil do contato.
- A típica "colagem" dos contatos de acoplamento e a capacidade reduzida de rompimento quando um diodo de supressão é utilizado.
- Como a adição de um diodo Zener ao diodo comum pode fornecer tanto supressão de tensão quanto desempenho de comutação confiável.
A desenergização do relé ou o "desligamento" em relés comuns do tipo chocalho normalmente se desenvolve da seguinte forma: à medida que a alimentação da bobina é interrompida, o fluxo magnético decai ao ponto em que a força de detenção magnética decrescente (tentando manter a armadura no lugar) fica abaixo das forças da mola (tentando tirá-la do lugar), e a armadura começa a abrir. À medida que a abertura da armadura continua, as forças da mola diminuem de acordo com a posição deste; a força magnética contrária, porém, diminui tanto com a posição da armadura quanto com a queda da corrente da bobina (ambas reduzem o fluxo magnético da bobina). Quando a corrente elétrica na bobina de um relé é interrompida, uma tensão transitória induzida da ordem de centenas ou mesmo milhares de volts pode ser gerada através dessa bobina à medida que seu fluxo magnético, que está ligado às voltas da bobina, começa a cair. Essa tensão induzida, somada à tensão de alimentação da bobina, como mostrado na Fig. 1, aparece através da chave de interrupção da bobina em um circuito de comutação em série simples.
Figura 1. Dinâmica de operação e liberação da bobina V e I, relé CC típico sem diodo
Nos sistemas de controle lógico atuais, geralmente é usado um interruptor de estado sólido para operar um relé de bobina CC, que é protegido contra tensões induzidas pela desenergização da bobina, por várias técnicas de supressão. Essas técnicas frequentemente são executadas através de meios de desvio da bobina, projetados para mitigar os efeitos da súbita interrupção de corrente e a consequente alta taxa de queda do fluxo magnético da bobina.
Uma prática muito comum é simplesmente fazer um desvio da bobina com um diodo de uso geral, de modo que este bloqueie a tensão de origem e faça a condução com a polaridade reversa da tensão induzida pela bobina. Isso fornece um caminho para que a corrente fluindo na bobina desenergizada seja externamente desviada de volta para a bobina, limitando a magnitude da tensão induzida pela bobina à queda direta do diodo, que é a corrente da bobina, e, como consequência, o fluxo magnético, cai lentamente (ver Fig. 2).
Figura 2. Dinâmica de operação e liberação da bobina V e I, relé CC típico com diodo
Esse desvio fornecido pelo diodo garante a máxima proteção para o interruptor de estado sólido, mas pode ter efeitos muito adversos na capacidade de comutação do relé. É importante perceber que a força resultante disponível para fazer com que a armadura se abra é a diferença entre as forças de contenção magnética e as de abertura da mola, que cada uma delas varia de maneira a fazer com que a força resultante varie tanto com o tempo quanto com a posição da armadura. É essa força resultante que dá origem à velocidade do sistema de induzido e a energia de impulso à medida que tenta efetuar a transferência da armadura e da mola do contato.
Um fluxo magnético em queda lenta (o mais lento pode ser alcançado com um desvio de diodo simples na bobina) significa a menor força resultante integral disponível para acelerar a abertura da armadura. De fato, a perda rápida das forças de abertura fornecidas por molas rígidas sem contato, juntamente com as forças magnéticas em queda lenta, pode realmente causar um período de reversão da força resultante onde a rotação da armadura é diminuída, parada ou mesmo momentaneamente revertida até o fluxo cair ainda mais, finalmente permitindo que as forças de "retorno" disponíveis da mola façam que a transferência continue.
É igualmente importante perceber que quando os contatos de um relé de energia típico são feitos, conectando cargas de média e alta corrente cuja elevação é muito rápida (por exemplo, resistivas) à fonte de tensão, ocorre uma minúscula interface fundida entre os contatos de acoplamento, dando origem a uma condição de microsolda ou colagem que precisará ser eliminada na próxima transferência de abertura.
A força de "colagem" normalmente está dentro da capacidade da força resultante de abertura, auxiliada pelo impulso da armadura em movimento, para quebrar a colagem e efetuar a transferência de contato. No entanto, a perda ou mesmo a inversão da rotação da armadura (sob condições de desvio de diodo simples como as descritas acima) e a perda concomitante do impulso da armadura necessário para ajudar a quebrar a colagem do contato podem impedir que essa força de colagem seja rompida e o contato será "soldado".
Quanto mais rapidamente a corrente da bobina cair, menor será a retenção magnética e, portanto, maior será o impulso da armadura e a sua capacidade de romper a colagem dos contatos.
Obviamente, isso é otimizado quando nenhuma supressão é usada. No entanto, uma taxa de queda próxima do ideal pode ser obtida usando um diodo Zener em série com um diodo de uso geral. Quando a fonte da bobina é interrompida, a corrente dela é desviada através dessa disposição em série, mantendo uma tensão igual à tensão do Zener (mais a queda direta de diodo) até que a energia da bobina seja dissipada. Isso é ilustrado na Fig. 3.
Figura 3. Dinâmica de operação e liberação da bobina V e I, relé CC típico com diodo e Zener de 24 V
Escolhe-se o valor de tensão do Zener para limitar a tensão do interruptor da bobina a um nível aceitável para a sua classificação. Isso oferece o melhor equilíbrio entre a proteção do interruptor da bobina e o desempenho de comutação do relé, e deve ser empregado para garantir o máximo desempenho e confiabilidade do relé, enquanto fornece proteção ao circuito de controle contra tensões induzidas pela bobina.
É prática normal do setor testar relés e, posteriormente, estabelecer classificações de desempenho sem a supressão da bobina. Quando as condições de aplicação requerem a supressão das tensões induzidas pela bobina, recomenda-se que o desempenho do relé seja avaliado com a supressão que será utilizada.
Maximize o desempenho e a confiabilidade dos relés, enquanto protege o circuito de controle de tensões induzidas pela bobina
Esta nota sobre a aplicação descreve os problemas relacionados aos métodos de desenergização de bobinas de relés eletromagnéticos, principalmente quando uma chave de estado sólido é usada, além de explicar como isso afeta a vida útil do dispositivo.
A principal preocupação aqui é com o ciclo de desenergização do relé, e discutimos
- A dinâmica da armadura e da comutação do sistema de relés após a desenergização da bobina.
- Como ocorrem as tensões induzidas pela bobina.
- Técnicas para proteger o interruptor de estado sólido.
- O efeito adverso de um diodo simples de supressão da bobina na dinâmica de comutação do relé e na vida útil do contato.
- A típica "colagem" dos contatos de acoplamento e a capacidade reduzida de rompimento quando um diodo de supressão é utilizado.
- Como a adição de um diodo Zener ao diodo comum pode fornecer tanto supressão de tensão quanto desempenho de comutação confiável.
A desenergização do relé ou o "desligamento" em relés comuns do tipo chocalho normalmente se desenvolve da seguinte forma: à medida que a alimentação da bobina é interrompida, o fluxo magnético decai ao ponto em que a força de detenção magnética decrescente (tentando manter a armadura no lugar) fica abaixo das forças da mola (tentando tirá-la do lugar), e a armadura começa a abrir. À medida que a abertura da armadura continua, as forças da mola diminuem de acordo com a posição deste; a força magnética contrária, porém, diminui tanto com a posição da armadura quanto com a queda da corrente da bobina (ambas reduzem o fluxo magnético da bobina). Quando a corrente elétrica na bobina de um relé é interrompida, uma tensão transitória induzida da ordem de centenas ou mesmo milhares de volts pode ser gerada através dessa bobina à medida que seu fluxo magnético, que está ligado às voltas da bobina, começa a cair. Essa tensão induzida, somada à tensão de alimentação da bobina, como mostrado na Fig. 1, aparece através da chave de interrupção da bobina em um circuito de comutação em série simples.
Figura 1. Dinâmica de operação e liberação da bobina V e I, relé CC típico sem diodo
Nos sistemas de controle lógico atuais, geralmente é usado um interruptor de estado sólido para operar um relé de bobina CC, que é protegido contra tensões induzidas pela desenergização da bobina, por várias técnicas de supressão. Essas técnicas frequentemente são executadas através de meios de desvio da bobina, projetados para mitigar os efeitos da súbita interrupção de corrente e a consequente alta taxa de queda do fluxo magnético da bobina.
Uma prática muito comum é simplesmente fazer um desvio da bobina com um diodo de uso geral, de modo que este bloqueie a tensão de origem e faça a condução com a polaridade reversa da tensão induzida pela bobina. Isso fornece um caminho para que a corrente fluindo na bobina desenergizada seja externamente desviada de volta para a bobina, limitando a magnitude da tensão induzida pela bobina à queda direta do diodo, que é a corrente da bobina, e, como consequência, o fluxo magnético, cai lentamente (ver Fig. 2).
Figura 2. Dinâmica de operação e liberação da bobina V e I, relé CC típico com diodo
Esse desvio fornecido pelo diodo garante a máxima proteção para o interruptor de estado sólido, mas pode ter efeitos muito adversos na capacidade de comutação do relé. É importante perceber que a força resultante disponível para fazer com que a armadura se abra é a diferença entre as forças de contenção magnética e as de abertura da mola, que cada uma delas varia de maneira a fazer com que a força resultante varie tanto com o tempo quanto com a posição da armadura. É essa força resultante que dá origem à velocidade do sistema de induzido e a energia de impulso à medida que tenta efetuar a transferência da armadura e da mola do contato.
Um fluxo magnético em queda lenta (o mais lento pode ser alcançado com um desvio de diodo simples na bobina) significa a menor força resultante integral disponível para acelerar a abertura da armadura. De fato, a perda rápida das forças de abertura fornecidas por molas rígidas sem contato, juntamente com as forças magnéticas em queda lenta, pode realmente causar um período de reversão da força resultante onde a rotação da armadura é diminuída, parada ou mesmo momentaneamente revertida até o fluxo cair ainda mais, finalmente permitindo que as forças de "retorno" disponíveis da mola façam que a transferência continue.
É igualmente importante perceber que quando os contatos de um relé de energia típico são feitos, conectando cargas de média e alta corrente cuja elevação é muito rápida (por exemplo, resistivas) à fonte de tensão, ocorre uma minúscula interface fundida entre os contatos de acoplamento, dando origem a uma condição de microsolda ou colagem que precisará ser eliminada na próxima transferência de abertura.
A força de "colagem" normalmente está dentro da capacidade da força resultante de abertura, auxiliada pelo impulso da armadura em movimento, para quebrar a colagem e efetuar a transferência de contato. No entanto, a perda ou mesmo a inversão da rotação da armadura (sob condições de desvio de diodo simples como as descritas acima) e a perda concomitante do impulso da armadura necessário para ajudar a quebrar a colagem do contato podem impedir que essa força de colagem seja rompida e o contato será "soldado".
Quanto mais rapidamente a corrente da bobina cair, menor será a retenção magnética e, portanto, maior será o impulso da armadura e a sua capacidade de romper a colagem dos contatos.
Obviamente, isso é otimizado quando nenhuma supressão é usada. No entanto, uma taxa de queda próxima do ideal pode ser obtida usando um diodo Zener em série com um diodo de uso geral. Quando a fonte da bobina é interrompida, a corrente dela é desviada através dessa disposição em série, mantendo uma tensão igual à tensão do Zener (mais a queda direta de diodo) até que a energia da bobina seja dissipada. Isso é ilustrado na Fig. 3.
Figura 3. Dinâmica de operação e liberação da bobina V e I, relé CC típico com diodo e Zener de 24 V
Escolhe-se o valor de tensão do Zener para limitar a tensão do interruptor da bobina a um nível aceitável para a sua classificação. Isso oferece o melhor equilíbrio entre a proteção do interruptor da bobina e o desempenho de comutação do relé, e deve ser empregado para garantir o máximo desempenho e confiabilidade do relé, enquanto fornece proteção ao circuito de controle contra tensões induzidas pela bobina.
É prática normal do setor testar relés e, posteriormente, estabelecer classificações de desempenho sem a supressão da bobina. Quando as condições de aplicação requerem a supressão das tensões induzidas pela bobina, recomenda-se que o desempenho do relé seja avaliado com a supressão que será utilizada.
