Whitepaper: Aprimoramento do desempenho da carga/vida útil do contato

(NOTA: aplica-se apenas às bobinas CC que comutam cargas CA)

Lâmpadas incandescentes, cargas indutivas como motores e solenoides, cargas capacitivas como lastros eletrônicos e fontes de alimentação de comutação etc. podem exibir correntes de sobretenção inicial muito altas ao energizar. Isso pode ser até 10X a corrente de estado constante ou mais e é especialmente problemático caso o fechamento de contato ocorra aleatoriamente perto do pico da onda senoidal de tensão. A soldagem de contatos devido a essa corrente de sobretensão excessiva é frequentemente o resultado. Os relés para tais aplicações geralmente precisam ser superdimensionados ou especialmente projetados para lidar com a alta corrente de partida em relação à corrente de estado estacionário relativamente modesta. Isso geralmente resulta em custo de controle extra e aumento do uso do espaço.

Da mesma forma, como o arco de contato de ruptura geralmente se extingue apenas quando a alta corrente de onda passa pelo zero e inverte a polaridade, a sincronização deve ser baseada na interseção zero das formas de onda de tensão em "liga" e na forma de onda atual em "desliga". No caso de cargas com fator de potência de unidade (resistiva, lâmpada etc.), não há mudança de fase e, portanto, o sensoriamento baseado em tensão de interseção zero pode ser usado para as sincronizações "ligar" e "desligar".

Implementada corretamente, a capacidade máxima de pico de corrente pode ser aumentada em aproximadamente 8-10X, a vida útil de comutação em uma determinada carga pode ser potencialmente aumentada em aproximadamente 8-10X e a carga máxima em uma determinada vida útil de comutação também pode ser potencialmente aumentada em até 5X ou mais (desde que não exceda a corrente máxima que o relé é capaz de transportar).

Mesmo em cargas não reativas com fator de potência unitário e pouca corrente de pico inicial, é possível obter uma melhoria significativa no desempenho da vida útil da carga.

NOTA: Veja também os cuidados sobre a troca de cargas indutivas do núcleo de ferro nas seções "Sincronizar ao fechar contato (Make)" e "Considerações especiais de Make/Break para cargas indutivas".

(NOTA: aplica-se apenas às bobinas CC que comutam cargas CA)

Consulte também a opção seguinte "Considerações especiais de liga/desliga para cargas indutivas".

Existem várias maneiras de melhorar o desempenho do relé ao alternar alguns tipos de carga usando a sincronização do tempo "liga" e "desliga" dos contatos para a tensão CA e/ou corrente de onda senoidal. Isso só funciona para tipos de bobinas CC porque há partes da onda senoidal de CA onde não há energia suficiente para efetuar o funcionamento de um relé de bobina CA ou contator.

Implementada corretamente, a vida útil da troca de contatos e, especialmente, a capacidade de lidar com cargas de partida altas é significativamente aumentada. A capacidade atual de corrente de partida e as melhorias de vida de comutação de carga de aproximadamente 10X são muitas vezes alcançáveis dependendo da implementação precisa e outros fatores na aplicação específica.

Algumas dessas técnicas e suas vantagens e limitações são discutidas abaixo:

• Sincronizar no fechamento de contato (ligar):

Quando o fechamento de contato é sincronizado para pouco antes ou logo após o ponto de interseção zero da forma de onda de tensão, o contato do    relé não produz muita corrente ou tensão e, portanto, uma vida útil mais longa de contato pode ser esperada, bem como maior capacidade de lidar com cargas com altas correntes de partida (porque a tensão e a corrente aumentam a partir de zero após a onda senoidal para que a corrente máxima de pico raramente seja vista durante o tempo em que o contato do relé está fechando e estabilizando).

Isto é conseguido ao acionar uma bobina do relé de cada vez (deslocamento de uma passagem subsequente de tensão zero pelo tempo de operação do relé) de modo que o contato do relé sempre "ligue" pouco antes ou pouco depois do ponto zero (geralmente +/- 1 milissegundo de zero é aceitável e realizável).

Uma vez que os tempos de operação do relé variam de acordo com a família do relé, de relé a relé, lote a lote e ao longo da vida útil do relé, isso é melhor implementado usando microcontroladores em que o tempo real de operação do relé é monitorado e o tempo de deslocamento ajustado para atingir com muita precisão o ponto de cruzamento zero através de uma média móvel ou de 8 a 10 operações. A variação do tempo de operação também pode ser minimizada ao dirigir a bobina em excesso a 125% ou 150% da tensão nominal (não recomendado se a comutação da corrente nominal estiver no máximo). O tempo de retorno da operação também deve ser considerado para o cálculo do tempo.

A maioria das cargas não indutivas deve ser energizada muito perto da tensão zero para o desempenho máximo de contato. Isso minimiza o pico da corrente durante o intervalo em que o contato está fechando e se estabilizando, reduzindo assim a chance de soldagem do agente aderente. Isso é especialmente crítico em cargas de alta corrente de partida, como lâmpadas incandescentes, lastros eletrônicos de lâmpada, troca de fontes de alimentação etc.

Exemplo 3a mostra uma lâmpada incandescente ligada muito perto da tensão zero de modo que a corrente aumenta após a onda senoidal de CA. Exemplo 3b mostra a mesma carga ligada na tensão de pico - com uma alta corrente de partida resultante como alta tensão é aplicada ao filamento de lâmpada fria. Tais altas correntes de partida aumentam muito o risco de soldar o contato à medida que fecha e estabiliza. Da mesma forma, altas correntes são comuns em cargas capacitivas também quando comutadas perto da tensão de pico.

• Sincronizar na abertura de contatos (pausa):

Da mesma forma, quando a abertura de contato é sincronizada para ocorrer pouco antes (geralmente -1/2 / +0 milissegundos é aceitável e alcançável), mas nunca após o ponto de interseção zero da configuração de onda atual, o contato do relé não "quebra" muita corrente ou tensão e o arco então extinguirá na iminente interseção zero reduzindo muito a erosão e o desgaste do contato. Para cargas não indutivas, em que não há diferencial de fase entre tensão e corrente, quebrar em tensão zero é igualmente aceitável e produz um design de controle mais simples.

Consulte também a opção seguinte "Considerações especiais de liga/desliga para cargas indutivas".

Obviamente, no caso de cargas resistivas ou incandescentes, a quebra do contato pouco antes da tensão zero ou corrente produz menos intensidade de arco de ruptura e maior vida útil do contato.

• Consulte também a opção seguinte "Considerações especiais para ligar/desligar cargas indutivas". 

As cargas indutivas (especialmente aquelas com núcleos de ferro) devem ser manuseadas de forma diferente porque têm tendências à alta corrente partida ao serem acionadas e à geração de um arco de contato severo e altas tensões transitórias no intervalo.

Ao contrário das cargas não indutivas, em que a marca do contato muito perto da interseção zero é desejável, cargas indutivas (especialmente indutores de núcleo de ferro como transformadores e solenoides) nunca devem ser acionadas na interseção zero. Isso levará o indutor à saturação, resultando em um alto pico inicial de corrente. Tais cargas indutivas têm melhor desempenho quando acionadas a cerca de 75° na configuração de onda de tensão CA. Cada carga é um pouco diferente, por isso cada uma deve ser monitorada e ajustada para o melhor desempenho.

O desempenho ao quebrar cargas indutivas é especialmente melhorado. Isso se deve à redução da erosão do arco do material de contato devido à menor intensidade e duração do arco de ruptura. Da mesma forma, devido à pouca energia sendo armazenada na indutância de carga no momento em que o contato quebra, a interferência eletromagnética (EMI) e os transitórios de tensão reversa gerados são de intensidade reduzida para que os efeitos adversos sobre eletrônicos sensíveis sejam minimizados. Isto é conseguido através da remoção do acionamento da bobina de relé de cada vez (desvio de uma subsequente passagem de corrente zero pelo tempo de libertação do relé) de modo a que o contato do relé "quebre" sempre um pouco antes (mas nunca depois) do ponto zero (normalmente -1/2 / +0 milissegundos é aceitável e realizável).

A sincronização do contato liga-desliga à tensão da carga e da corrente pode produzir melhorias acentuadas no desempenho quando implementada corretamente. No entanto, se a técnica for implementada incorretamente, a degradação do desempenho também pode ocorrer devido à transferência de material ou à erosão acelerada do contato. A TE Engineering deve ser sempre consultada para obter conselhos de implementação para cada tipo de relé.

Uma vez que os tempos de operação e liberação do relé variam de acordo com a família do relé, de relé a relé, lote a lote e ao longo da vida útil do relé, isso é melhor implementado utilizando microcontroladores em que os tempos reais de operação e liberação do relé são monitorados com relação à configuração de onda da tensão (e corrente se quebrar cargas indutivas) e ao tempo de deslocamento ajustado periodicamente. Esta é a melhor maneira de assegurar uma comutação precisa ao longo da vida útil do relé.

Acionar em +/-1 milissegundo em torno de tensão zero e desativar em - 1/2 / +0 milissegundos antes que a corrente zero seja aceitável e alcançável. Em cargas não indutivas, a sincronização à tensão zero na quebra produz desempenho aceitável e um design de controle mais simples.

É importante notar que o efeito da temperatura sobre a resistência do fio da bobina do relé, e por isso operar a tensão e o tempo de operação/liberação, deve ser compensado. Isso é discutido nas Notas de aplicação "A condução adequada da bobina é crítica para o bom desempenho do relé e do contator" e "Compensação da tensão e temperatura da bobina"