Usao da filtragem para operar qualquer bobina de relé
Uma bobina de relé é enrolada muitas vezes em fio de cobre em uma bobina em que está situado um núcleo de ferro. Quando uma tensão de magnitude suficiente é impressa através da bobina, a bobina e o núcleo desenvolvem magnetismo que atrai a armadura. A armadura, por sua vez, controla o movimento do contato. Dependendo do comprimento total do fio e de sua área de unidade transversal, a bobina apresenta certa resistência ao fluxo de corrente elétrica. De acordo com a Lei de Ohm, para uma determinada quantidade de resistência, a corrente é diretamente proporcional à tensão. Isto é:
Assim, uma bobina de 12 V CC que tem 120 ohms de resistência puxa 0,1 ampere de corrente. Algumas bobinas de relé aceitam tensão CC, enquanto outras aceitam tensão CA. A tensão CC (corrente contínua) tem um valor constante e imutável. A qualquer momento, uma fonte de alimentação de 12 V CC mede exatamente 12 volts (mais ou menos alguns décimos de volt, normalmente). (Consulte a Fig. 1A)
Assim, uma bobina de 12 V CC que tem 120 ohms de resistência puxa 0,1 ampere de corrente.
Algumas bobinas de relé aceitam tensão CC, enquanto outras aceitam tensão CA. A tensão CC (corrente contínua) tem um valor constante e imutável. A qualquer momento, uma fonte de alimentação de 12 V CC mede exatamente 12 volts (mais ou menos alguns décimos de volt, normalmente). (Consulte a Fig. 1A)
Figura 1a. Forma de onda da tensão CC.
A tensão CA (corrente alternada), por outro lado, está constantemente mudando de valor. Conforme apontado na lição 2 da série de estudos autodidáticos de Componentes Eletromecânicos da Siemens, “Entenda os relés”, em qualquer momento, a tensão em uma linha de 120 V CA, por exemplo, está passando por uma mudança. (Consulte a Fig. 1B) isto é, a tensão começa em zero, aumenta para uma tensão CA (corrente alternada), e inversamente, está constantemente mudando de valor. Conforme apontado na lição 2 da série de estudos autodidáticos de Componentes Eletromecânicos da Siemens, “Entenda os relés”, em qualquer momento, a tensão em uma linha de 120 V CA, por exemplo, está passando por uma mudança. (Consulte a Fig. 1B)
Figura 1b. Forma de onda da tensão CA.
Isto é, a tensão começa em zero, aumenta para um valor de pico, diminui para zero, cruza o zero e aumenta para o pico na direção oposta, depois diminui para zero novamente. Esse processo se repete continuamente.
Suponha que esses 120 V CA devam ser transformados em 12 volts e impressos na bobina de 12 V CC. Uma medição da corrente da bobina mostraria que uma corrente consideravelmente menor do que a calculada pela Lei de Ohm fluiria na bobina (e no circuito associado). Essa redução na corrente da bobina é o resultado da impedância que a bobina apresenta à corrente alternada. (A impedância é uma função da indutância e está presente apenas quando a corrente alternada flui.)
A fim de operar sua armadura, uma certa quantidade de potência deve ser desenvolvida na bobina do relé. Como a potência é o produto da corrente ao quadrado vezes a resistência (P = I2 R), a quantidade de potência desenvolvida na bobina seria consideravelmente menor do que a exigida para a operação adequada do relé. Para desenvolver a potência exigida, a tensão da bobina teria que ser aumentada para esse valor em que a corrente suficiente flui.
Em teoria, então, a CA pode ser usada para operar um relé CC. Na realidade, no entanto, isso é impraticável. Uma vez que a corrente alternada diminui para zero a cada meio ciclo (120 vezes por segundo para 60 tensões de ciclo), a armadura do relé tende a ser liberada a cada meio ciclo. Esse movimento contínuo da armadura não só causa um "zumbido" audível, mas fará com que os contatos abram e fechem à medida que a armadura se move.
A fim de operar um relé da CA, os fabricantes de relés usam um dispositivo conhecido como anel de sombreamento (ou bobina de sombreamento) na parte superior do núcleo. (Consulte a Fig. 2). Por causa do anel de sombreamento, o magnetismo desenvolvido em parte do núcleo atrasa um pouco o magnetismo do restante do núcleo. Isto é, há um leve deslocamento de fase entre o magnetismo de parte do núcleo e o restante do núcleo. Assim, à medida que a energia magnética do núcleo não sombreado diminui para zero a cada meio ciclo, a energia magnética diminui para zero a cada meio ciclo, a energia magnética ainda presente na porção sombreada do núcleo mantém a armadura selada. No momento em que a energia na porção sombreada diminui para zero, a energia magnética da bobina e do núcleo não sombreado começam a aumentar mais uma vez à medida que a corrente aumenta de valor.
Figura 2. As bobinas CA usam um anel de sombreamento para evitar que a armadura do relé seja liberada à medida que a energia magnética diminui para zero a cada meio ciclo de CA.
"Sombreamento" do relé da Série R10 (bobina CA)
Os relés R10 (e concorrentes) usam um método exclusivo de sombreamento da bobina. Conforme mostrado na Fig. 3, quando a tensão CA na parte superior da bobina torna-se negativa, o diodo M1 conduz a corrente através da metade inferior da bobina.
Uma vez que o M1 está paralelo à metade superior da bobina, nenhuma corrente está presente na metade superior da bobina. No entanto, como resultado da magnetização de metade da bobina e do magnetismo do núcleo resultante, a energia magnética é gerada na metade superior da bobina. Essa energia magnética é um pouco atrasada em relação à metade condutora da bobina e, conforme descrito, serve para manter a armadura assentada quando a corrente diminui para zero.
Quando a tensão CA reverte, o diodo M2 conduz e o M1 desliga. A corrente da bobina está presente na metade superior da bobina e gera magnetismo da mesma polaridade que a restante do meio ciclo anterior. Assim, a armadura não tem chance de ser liberada. Como antes, a parte não condutora da bobina serve como um sombreador para manter a armadura assentada. Um diodo pode ser usado em série com uma bobina de relé, e serve para retificar a tensão CA. No entanto, um diodo nunca deve ser colocado em paralelo com a bobina em um circuito CA. Isso resultaria na condução pelo diodo, não pelo relé, uma vez que a tensão oscila em negativo no diodo. (Além disso, na primeira vez que o diodo conduz, ele será destruído porque não há nada em série com ele para limitar a corrente.)
CC em um relé CA
Assim como é impraticável operar um relé CC da CA, também é impraticável operar um relé CA da CC. No entanto, em uma emergência, um relé CA pode ser operado da CC — desde que certas precauções sejam tomadas. A primeira precaução é fornecer algum tipo de ruptura residual entre o núcleo do relé e a armadura, a fim de evitar que a armadura “grude” como resultado de qualquer magnetismo residual apreciável que permaneça no núcleo após a remoção da potência da bobina. A segunda precaução que deve ser tomada é garantir que a quantidade de tensão CC usada seja menor que a classificação de tensão CA da bobina.
Em relação à ruptura residual, os relés CA são construídos de modo que, quando a armadura está em sua posição assentada, ela encosta fisicamente (magneticamente) no núcleo. (Nos relés CC, um pequeno pino de cobre na armadura impede efetivamente que ela fique em contato magnético com o núcleo.) Enquanto o relé CA for operado da tensão CA, não há problema no magnetismo residual que mantém a armadura assentada após a liberação da potência da bobina. Porém, quando um relé CA é operado da tensão CC, há o perigo de que o magnetismo residual possa manter a armadura assentada. No mínimo, a presença de magnetismo residual no núcleo causa uma redução na tensão de queda do relé.
Para negativar os efeitos do magnetismo residual, é possível afixar um pequeno pedaço da fita mylar no topo do núcleo de relé CA. Essa fita é extremamente durável e deve durar talvez centenas (se não milhares) de operações. A fita deve ter 0,002" a 0,004" de espessura.
Quanto à redução exigida na tensão da bobina, considere a bobina de relé da série KR. A bobina de 12V CA tem uma resistência CC de 24 ohms. De acordo com a Lei de Ohm, 12 volts divididos por 24 ohms equivalem a 0,5 ampere. No entanto, conforme apontado na ficha de dados do KR, na verdade a bobina puxa apenas 0,168 ampere! (Isso é resultado da impedância da bobina.) Esse 0,168 ampere faz com que a bobina desenvolva potência suficiente para realizar o trabalho pretendido. No entanto, o 0,5 ampere causaria o desenvolvimento de 6 watts de potência. Isso está bem acima do máximo permitido. Como resultado, a bobina superaqueceria e o isolamento dos fios se queimaria. Em seguira, os giros da bobina entrariam em curto juntos. A bobina puxaria ainda mais a corrente, e por fim queimaria completamente.
Para usar uma bobina CA na CC, é necessário reduzir a quantidade de tensão CC para o valor em que a potência da bobina está dentro dos limites máximos. Novamente, considere o KR. A unidade de estilo aberto tem uma potência máxima de 4 watts. Para determinar a quantidade de tensão CC a ser usada com uma bobina de 12 V CA com uma resistência CC de 24 ohms:
Portanto, a tensão CC não pode exceder 9,8 volts. Uma vez que a ficha de dados lista o valor de captação ao usar a tensão CC como 75% do valor classificado, a tensão CC nesse exemplo não deve ser menor que 7,35 volts.
Ao usar a CA retificada para operar qualquer bobina de relé, é melhor usar a filtragem. Conforme mostrado na Fig. 4A, a CA que é retificada, mas não filtrada tem picos e vales de tensão — isto é, valores máximos e mínimos. Se os valores mínimos precisarem ser de 75% ou menos da tensão classificada, a armadura poderá sofrer movimentos. Conforme mostrado na Fig. 4B, a filtragem elimina a ondulação residual. Portanto, a CA retificada e devidamente filtrada não terá ondulação residual apreciável.
Figura 4a. A tensão CA retificada e não filtrada tem ondulação residual presente.
Figura 4b. A tensão CA retificada e filtrada tem pouca ou nenhuma ondulação residual presente.
Usao da filtragem para operar qualquer bobina de relé
Uma bobina de relé é enrolada muitas vezes em fio de cobre em uma bobina em que está situado um núcleo de ferro. Quando uma tensão de magnitude suficiente é impressa através da bobina, a bobina e o núcleo desenvolvem magnetismo que atrai a armadura. A armadura, por sua vez, controla o movimento do contato. Dependendo do comprimento total do fio e de sua área de unidade transversal, a bobina apresenta certa resistência ao fluxo de corrente elétrica. De acordo com a Lei de Ohm, para uma determinada quantidade de resistência, a corrente é diretamente proporcional à tensão. Isto é:
Assim, uma bobina de 12 V CC que tem 120 ohms de resistência puxa 0,1 ampere de corrente. Algumas bobinas de relé aceitam tensão CC, enquanto outras aceitam tensão CA. A tensão CC (corrente contínua) tem um valor constante e imutável. A qualquer momento, uma fonte de alimentação de 12 V CC mede exatamente 12 volts (mais ou menos alguns décimos de volt, normalmente). (Consulte a Fig. 1A)
Assim, uma bobina de 12 V CC que tem 120 ohms de resistência puxa 0,1 ampere de corrente.
Algumas bobinas de relé aceitam tensão CC, enquanto outras aceitam tensão CA. A tensão CC (corrente contínua) tem um valor constante e imutável. A qualquer momento, uma fonte de alimentação de 12 V CC mede exatamente 12 volts (mais ou menos alguns décimos de volt, normalmente). (Consulte a Fig. 1A)
Figura 1a. Forma de onda da tensão CC.
A tensão CA (corrente alternada), por outro lado, está constantemente mudando de valor. Conforme apontado na lição 2 da série de estudos autodidáticos de Componentes Eletromecânicos da Siemens, “Entenda os relés”, em qualquer momento, a tensão em uma linha de 120 V CA, por exemplo, está passando por uma mudança. (Consulte a Fig. 1B) isto é, a tensão começa em zero, aumenta para uma tensão CA (corrente alternada), e inversamente, está constantemente mudando de valor. Conforme apontado na lição 2 da série de estudos autodidáticos de Componentes Eletromecânicos da Siemens, “Entenda os relés”, em qualquer momento, a tensão em uma linha de 120 V CA, por exemplo, está passando por uma mudança. (Consulte a Fig. 1B)
Figura 1b. Forma de onda da tensão CA.
Isto é, a tensão começa em zero, aumenta para um valor de pico, diminui para zero, cruza o zero e aumenta para o pico na direção oposta, depois diminui para zero novamente. Esse processo se repete continuamente.
Suponha que esses 120 V CA devam ser transformados em 12 volts e impressos na bobina de 12 V CC. Uma medição da corrente da bobina mostraria que uma corrente consideravelmente menor do que a calculada pela Lei de Ohm fluiria na bobina (e no circuito associado). Essa redução na corrente da bobina é o resultado da impedância que a bobina apresenta à corrente alternada. (A impedância é uma função da indutância e está presente apenas quando a corrente alternada flui.)
A fim de operar sua armadura, uma certa quantidade de potência deve ser desenvolvida na bobina do relé. Como a potência é o produto da corrente ao quadrado vezes a resistência (P = I2 R), a quantidade de potência desenvolvida na bobina seria consideravelmente menor do que a exigida para a operação adequada do relé. Para desenvolver a potência exigida, a tensão da bobina teria que ser aumentada para esse valor em que a corrente suficiente flui.
Em teoria, então, a CA pode ser usada para operar um relé CC. Na realidade, no entanto, isso é impraticável. Uma vez que a corrente alternada diminui para zero a cada meio ciclo (120 vezes por segundo para 60 tensões de ciclo), a armadura do relé tende a ser liberada a cada meio ciclo. Esse movimento contínuo da armadura não só causa um "zumbido" audível, mas fará com que os contatos abram e fechem à medida que a armadura se move.
A fim de operar um relé da CA, os fabricantes de relés usam um dispositivo conhecido como anel de sombreamento (ou bobina de sombreamento) na parte superior do núcleo. (Consulte a Fig. 2). Por causa do anel de sombreamento, o magnetismo desenvolvido em parte do núcleo atrasa um pouco o magnetismo do restante do núcleo. Isto é, há um leve deslocamento de fase entre o magnetismo de parte do núcleo e o restante do núcleo. Assim, à medida que a energia magnética do núcleo não sombreado diminui para zero a cada meio ciclo, a energia magnética diminui para zero a cada meio ciclo, a energia magnética ainda presente na porção sombreada do núcleo mantém a armadura selada. No momento em que a energia na porção sombreada diminui para zero, a energia magnética da bobina e do núcleo não sombreado começam a aumentar mais uma vez à medida que a corrente aumenta de valor.
Figura 2. As bobinas CA usam um anel de sombreamento para evitar que a armadura do relé seja liberada à medida que a energia magnética diminui para zero a cada meio ciclo de CA.
"Sombreamento" do relé da Série R10 (bobina CA)
Os relés R10 (e concorrentes) usam um método exclusivo de sombreamento da bobina. Conforme mostrado na Fig. 3, quando a tensão CA na parte superior da bobina torna-se negativa, o diodo M1 conduz a corrente através da metade inferior da bobina.
Uma vez que o M1 está paralelo à metade superior da bobina, nenhuma corrente está presente na metade superior da bobina. No entanto, como resultado da magnetização de metade da bobina e do magnetismo do núcleo resultante, a energia magnética é gerada na metade superior da bobina. Essa energia magnética é um pouco atrasada em relação à metade condutora da bobina e, conforme descrito, serve para manter a armadura assentada quando a corrente diminui para zero.
Quando a tensão CA reverte, o diodo M2 conduz e o M1 desliga. A corrente da bobina está presente na metade superior da bobina e gera magnetismo da mesma polaridade que a restante do meio ciclo anterior. Assim, a armadura não tem chance de ser liberada. Como antes, a parte não condutora da bobina serve como um sombreador para manter a armadura assentada. Um diodo pode ser usado em série com uma bobina de relé, e serve para retificar a tensão CA. No entanto, um diodo nunca deve ser colocado em paralelo com a bobina em um circuito CA. Isso resultaria na condução pelo diodo, não pelo relé, uma vez que a tensão oscila em negativo no diodo. (Além disso, na primeira vez que o diodo conduz, ele será destruído porque não há nada em série com ele para limitar a corrente.)
CC em um relé CA
Assim como é impraticável operar um relé CC da CA, também é impraticável operar um relé CA da CC. No entanto, em uma emergência, um relé CA pode ser operado da CC — desde que certas precauções sejam tomadas. A primeira precaução é fornecer algum tipo de ruptura residual entre o núcleo do relé e a armadura, a fim de evitar que a armadura “grude” como resultado de qualquer magnetismo residual apreciável que permaneça no núcleo após a remoção da potência da bobina. A segunda precaução que deve ser tomada é garantir que a quantidade de tensão CC usada seja menor que a classificação de tensão CA da bobina.
Em relação à ruptura residual, os relés CA são construídos de modo que, quando a armadura está em sua posição assentada, ela encosta fisicamente (magneticamente) no núcleo. (Nos relés CC, um pequeno pino de cobre na armadura impede efetivamente que ela fique em contato magnético com o núcleo.) Enquanto o relé CA for operado da tensão CA, não há problema no magnetismo residual que mantém a armadura assentada após a liberação da potência da bobina. Porém, quando um relé CA é operado da tensão CC, há o perigo de que o magnetismo residual possa manter a armadura assentada. No mínimo, a presença de magnetismo residual no núcleo causa uma redução na tensão de queda do relé.
Para negativar os efeitos do magnetismo residual, é possível afixar um pequeno pedaço da fita mylar no topo do núcleo de relé CA. Essa fita é extremamente durável e deve durar talvez centenas (se não milhares) de operações. A fita deve ter 0,002" a 0,004" de espessura.
Quanto à redução exigida na tensão da bobina, considere a bobina de relé da série KR. A bobina de 12V CA tem uma resistência CC de 24 ohms. De acordo com a Lei de Ohm, 12 volts divididos por 24 ohms equivalem a 0,5 ampere. No entanto, conforme apontado na ficha de dados do KR, na verdade a bobina puxa apenas 0,168 ampere! (Isso é resultado da impedância da bobina.) Esse 0,168 ampere faz com que a bobina desenvolva potência suficiente para realizar o trabalho pretendido. No entanto, o 0,5 ampere causaria o desenvolvimento de 6 watts de potência. Isso está bem acima do máximo permitido. Como resultado, a bobina superaqueceria e o isolamento dos fios se queimaria. Em seguira, os giros da bobina entrariam em curto juntos. A bobina puxaria ainda mais a corrente, e por fim queimaria completamente.
Para usar uma bobina CA na CC, é necessário reduzir a quantidade de tensão CC para o valor em que a potência da bobina está dentro dos limites máximos. Novamente, considere o KR. A unidade de estilo aberto tem uma potência máxima de 4 watts. Para determinar a quantidade de tensão CC a ser usada com uma bobina de 12 V CA com uma resistência CC de 24 ohms:
Portanto, a tensão CC não pode exceder 9,8 volts. Uma vez que a ficha de dados lista o valor de captação ao usar a tensão CC como 75% do valor classificado, a tensão CC nesse exemplo não deve ser menor que 7,35 volts.
Ao usar a CA retificada para operar qualquer bobina de relé, é melhor usar a filtragem. Conforme mostrado na Fig. 4A, a CA que é retificada, mas não filtrada tem picos e vales de tensão — isto é, valores máximos e mínimos. Se os valores mínimos precisarem ser de 75% ou menos da tensão classificada, a armadura poderá sofrer movimentos. Conforme mostrado na Fig. 4B, a filtragem elimina a ondulação residual. Portanto, a CA retificada e devidamente filtrada não terá ondulação residual apreciável.
Figura 4a. A tensão CA retificada e não filtrada tem ondulação residual presente.
Figura 4b. A tensão CA retificada e filtrada tem pouca ou nenhuma ondulação residual presente.
