A necessidade de supressão transitória
Esta nota de aplicação foi escrita em resposta aos inúmeros problemas de aplicação resultantes da supressão inadequada da bobina de relé. O sintoma típico é a soldagem aleatória de "aderência" dos contatos normalmente abertos ao alternar uma carga indutiva ou uma carga de lâmpada com alta corrente de ativação.
Quando um relé eletromecânico é desenergizado rapidamente por um interruptor mecânico ou semicondutor, o campo magnético em colapso produz uma tensão substancial transitória em seu esforço para dispersar a energia armazenada e se opor à mudança repentina do fluxo de corrente. Um relé de 12 V CC, por exemplo, pode gerar uma tensão de 1.000 a 1.500 volts durante o desligamento. Com o advento dos sistemas eletrônicos modernos, este transiente de tensão relativamente grande criou problemas de EMI, quebra de semicondutores e desgaste do interruptor para o engenheiro de design. Tornou-se, portanto, prática comum suprimir bobinas de relé com outros componentes que limitam a tensão de pico a um nível muito menor.
Tipos de supressão transiente utilizada com relés
As técnicas básicas de supressão de tensões transientes das bobinas de relé são mostradas na figura
- Como observado aqui, o dispositivo de supressão pode estar em paralelo com a bobina de relé ou em paralelo com o interruptor usado para controlar o relé. É normalmente preferível ter a supressão paralela à bobina, pois ela pode estar localizada mais perto do relé (exceto no caso de aplicações de placas de PC onde ambos podem ser usados). Quando a supressão estiver em paralelo com a bobina do relé, qualquer um dos seguintes pode ser usado.
A. Um diodo supressor transiente bilateral semelhante nas características V-I a dois diodos zener conectados de cátodo a cátodo (ou ânodo a ânodo).
B. Um diodo retificador com viés reverso em série com um diodo zener de tal forma que seus ânodos (ou cátodos) são comuns e o retificador impede o fluxo normal de corrente.
C. Um varistor de óxido de metal (MOV).
D. Um diodo retificador invertido em série com um resistor.
E. Um resistor, quando as condições permitem seu uso, é muitas vezes a supressão mais econômica.
F. Um diodo retificador de viés invertido.
G. Um resistor-capacitor "snubber". Geralmente a solução menos econômica e não considerada mais como uma solução prática.
H. Uma bobina de enrolamento bifilar com o segundo enrolamento usado como dispositivo de supressão. Isso não é muito prático, pois adiciona custo e tamanho significativos ao relé.
A supressão usada em paralelo com o elemento de comutação é provável que seja um diodo zener ou um resistor-capacitor "snubber". Os comentários associados à aplicação "paralelo à bobina" também são aplicáveis a este circuito.
Supressor paralelo ao interruptor
Figura 1. Esquema para supressão de bobina de relé: supressor paralelo à bobina e supressor paralelo ao interruptor
Efeitos da supressão da bobina na dinâmica e na vida útil do relé
Embora o uso da supressão da bobina esteja se tornando mais significativo, os relés são normalmente projetados sem levar em conta o impacto dinâmico dos supressores. A vida útil de comutação ideal (para contatos normalmente abertos) é, portanto, obtida com um relé totalmente não suprimido e a vida útil elétrica nominal geralmente são baseadas nesta premissa. A "quebra" bem-sucedida de uma carga CC requer que os contatos de relé se movam para abrir com uma velocidade razoavelmente alta.
Um relé típico terá um movimento acelerado de sua armadura em direção à posição de descanso não energizada durante a queda. A velocidade da armadura no instante da abertura de contato desempenhará um papel significativo na capacidade do relé de evitar a "soldagem de aderência" fornecendo força adequada para quebrar quaisquer soldas leves feitas durante a "criação" de uma alta carga resistiva de corrente alta (ou uma com uma alta corrente de ativação). É a velocidade da armadura que é mais afetada pela supressão da bobina. Se o supressor fornecer um caminho condutor, permitindo assim que a energia armazenada no circuito magnético do relé decaia lentamente, o movimento de armadura será retardado e a armadura pode até mesmo temporariamente reverter a direção. A inversão da direção e o novo fechamento dos contatos (particularmente quando combinados com cargas indutivas) muitas vezes leva à "soldagem de aderência" aleatória e intermitente dos contatos de modo que o relé possa se libertar se operado novamente ou mesmo desconjuntado ligeiramente.
Com base no impacto no movimento da armadura e na otimização para contatos normalmente abertos, o melhor método de supressão é usar um diodo supressor transiente de silício. Este supressor terá o menor efeito na dinâmica de queda do relé, uma vez que o transiente do relé será autorizado a ir para um nível de tensão predeterminado e, em seguida, permitir que a corrente flua com uma baixa impedância. Isso faz com que a energia armazenada seja rapidamente dissipada pelo supressor. Os diodos supressores transientes estão disponíveis como componentes bidirecionais e permitem que o relé não seja polarizado quando instalado internamente. Observe que se um supressor transiente unidirecional for usado, um diodo retificador deve ser colocado em série com ele para bloquear o fluxo normal de corrente e tem pouca vantagem sobre o uso de um diodo zener. O supressor transiente deve ser selecionado de tal forma que sua classificação de energia de pulso exceda qualquer transiente antecipado, como o desligamento da bobina ou o "ruído" do motor encontrado na aplicação.
Um varistor de óxido de metal fornecerá resultados semelhantes aos do diodo supressor transiente, mas terá uma maior impedância "no estado" e permitirá assim que uma tensão mais alta seja desenvolvida. Como exemplo, um diodo supressor transiente de 33 volts pode ter uma tensão de "fixação" entre 30 e 36 volts. Em comparação, um MOV de 33 volts provavelmente fixará o relé a 45 a 55 volts (baseado em um relé automotivo típico com corrente de bobina de 130 mA). Quando a tensão adicional não é problema, um MOV pode economizar o custo sobre o diodo supressor transiente e também fornecer um relé não polarizado.
O uso de um diodo retificador invertido em série com um diodo zener fornecerá a melhor solução quando o relé pode ser polarizado. Essa supressão é frequentemente recomendada pela Siemens Electromechanical Components (SEC) para uso em circuitos automotivos. O impacto na dinâmica de liberação é mínimo e não representa perda de confiabilidade. Este é normalmente um método de baixo custo e a única precaução de projeto é selecionar um zener com uma tensão de ruptura adequada e especificações de energia de impulso adequadas para o relé em sua aplicação. Em aplicações de placa de circuito impresso com transistores usados como condutores de relé, o diodo zener pode ser colocado "através" do transistor; ou seja, para um circuito emissor comum, o cátodo conectado ao coletor e ânodo conectado ao emissor (o diodo retificador da série não é usado neste tipo de circuito).
Um retificador com viés invertido em série com um resistor pode ser usado com sucesso com alguns relés quando a capacidade máxima de comutação de carga não é necessária. Deve-se tomar cuidado ao usar um resistor grande o suficiente em valor para dissipar rapidamente a energia armazenada do relé, mas ainda assim permanecer dentro do transiente de tensão de pico desejado. O valor do resistor necessário pode ser aproximado da seguinte equação:
R = Vpico/Ibobina
em que:
R = valor do resistor em Ohms
Vpico = tensão transiente de pico permitida
Ibobina = corrente de bobina de relé de estado estável
O pico real de tensão observado será menor do que o calculado por esta fórmula devido a perdas de energia no resistor. Ao usar este tipo de supressão é melhor consultar o fabricante de relé para obter valores recomendados.
Um resistor também pode ser usado sozinho como um supressor transiente quando a dissipação de energia adicional e o calor resultante gerado pelo resistor podem ser tolerados. Na maioria das situações, isso fornecerá o método de supressão mais barato (assumindo que o valor do resistor pode ser adequadamente dimensionado para minimizar seu impacto no desempenho do relé). Este método é normalmente recomendado pela SEC quando os requisitos de solicitação permitem.
Muitos engenheiros usam um diodo retificador sozinho para fornecer a supressão transiente para bobinas de relé. Embora isso seja econômico e elimine totalmente a tensão transiente, seu impacto no desempenho do relé pode ser devastador. Problemas de "soldagem de aderência" inexplicáveis e aleatórios ocorrem frequentemente nesses sistemas. Em algumas aplicações, este problema é apenas um pequeno incômodo ou inconveniente e o controlador ou operador vai fazer ciclo do relé até que a resposta adequada seja obtida. Em muitas aplicações; no entanto, a primeira ocorrência pode causar uma falha completa do sistema ou até mesmo apresentar uma situação perigosa. É importante que esses sistemas sejam projetados com outro método de supressão de relé.
Para ilustrar o impacto da supressão de várias bobinas no tempo de resposta do relé, considere os seguintes dados que foram registrados usando um relé tipo ISO automotivo com uma bobina de 55 ohm e com 13,5 V CC aplicados na bobina.
Figura 2. Impacto da supressão de várias bobinas no tempo de resposta do relé
Métodos sugeridos para supressão de bobina de relé
Do ponto de vista da física, a técnica sugerida para supressão transiente da bobina de relé é usar um diodo retificador com viés invertido e diodo zener em paralelo com a bobina de relé. Isso permite que o relé tenha uma dinâmica de liberação ideal e vida útil de contato normalmente aberta. Essa supressão pode ser incorporada facilmente aos circuitos para relés de placa de circuito impresso; no entanto, ao especificar a supressão para um relé montado em soquetes, este método pode ser menos prático do que usar um resistor.
Quando a tensão transiente admissível é grande o suficiente e a dissipação de energia tolerável, o relé pode ser suprimido com um resistor. Do ponto de vista de um Modo de Falha e Análise de Efeitos (FMEA), o resistor fornecerá menos risco adicional de falha do que os dois diodos sugeridos acima (desde que seu valor seja alto o suficiente para evitar efeitos prejudiciais à dinâmica de liberação do relé). Deve-se notar que o valor ideal do resistor para um tipo de relé não será necessariamente o valor certo para outro tipo.
Agora que fornecemos técnicas sugeridas de supressão com base no desempenho de contato normalmente aberto, devemos adicionar um comentário de qualificação sobre os contatos normalmente fechados. Quando a carga primária está nos contatos normalmente fechados (e uma pequena carga ou nenhuma no normalmente aberto), pode ser desejável usar um diodo retificador sozinho como a supressão do relé (ou talvez um diodo retificador e um menor valor de resistor de série). O movimento de armadura retardado que impacta negativamente o desempenho de contato normalmente aberto normalmente melhorará o desempenho de contato normalmente fechado. A melhora resulta de menor salto de contato durante o fechamento dos contatos normalmente fechados. Isso resulta da velocidade de impacto mais baixa criada pelo movimento de armadura retardada e foi utilizada no passado para melhorar o desempenho de contato normalmente fechado em certos relés.
A necessidade de supressão transitória
Esta nota de aplicação foi escrita em resposta aos inúmeros problemas de aplicação resultantes da supressão inadequada da bobina de relé. O sintoma típico é a soldagem aleatória de "aderência" dos contatos normalmente abertos ao alternar uma carga indutiva ou uma carga de lâmpada com alta corrente de ativação.
Quando um relé eletromecânico é desenergizado rapidamente por um interruptor mecânico ou semicondutor, o campo magnético em colapso produz uma tensão substancial transitória em seu esforço para dispersar a energia armazenada e se opor à mudança repentina do fluxo de corrente. Um relé de 12 V CC, por exemplo, pode gerar uma tensão de 1.000 a 1.500 volts durante o desligamento. Com o advento dos sistemas eletrônicos modernos, este transiente de tensão relativamente grande criou problemas de EMI, quebra de semicondutores e desgaste do interruptor para o engenheiro de design. Tornou-se, portanto, prática comum suprimir bobinas de relé com outros componentes que limitam a tensão de pico a um nível muito menor.
Tipos de supressão transiente utilizada com relés
As técnicas básicas de supressão de tensões transientes das bobinas de relé são mostradas na figura
- Como observado aqui, o dispositivo de supressão pode estar em paralelo com a bobina de relé ou em paralelo com o interruptor usado para controlar o relé. É normalmente preferível ter a supressão paralela à bobina, pois ela pode estar localizada mais perto do relé (exceto no caso de aplicações de placas de PC onde ambos podem ser usados). Quando a supressão estiver em paralelo com a bobina do relé, qualquer um dos seguintes pode ser usado.
A. Um diodo supressor transiente bilateral semelhante nas características V-I a dois diodos zener conectados de cátodo a cátodo (ou ânodo a ânodo).
B. Um diodo retificador com viés reverso em série com um diodo zener de tal forma que seus ânodos (ou cátodos) são comuns e o retificador impede o fluxo normal de corrente.
C. Um varistor de óxido de metal (MOV).
D. Um diodo retificador invertido em série com um resistor.
E. Um resistor, quando as condições permitem seu uso, é muitas vezes a supressão mais econômica.
F. Um diodo retificador de viés invertido.
G. Um resistor-capacitor "snubber". Geralmente a solução menos econômica e não considerada mais como uma solução prática.
H. Uma bobina de enrolamento bifilar com o segundo enrolamento usado como dispositivo de supressão. Isso não é muito prático, pois adiciona custo e tamanho significativos ao relé.
A supressão usada em paralelo com o elemento de comutação é provável que seja um diodo zener ou um resistor-capacitor "snubber". Os comentários associados à aplicação "paralelo à bobina" também são aplicáveis a este circuito.
Supressor paralelo ao interruptor
Figura 1. Esquema para supressão de bobina de relé: supressor paralelo à bobina e supressor paralelo ao interruptor
Efeitos da supressão da bobina na dinâmica e na vida útil do relé
Embora o uso da supressão da bobina esteja se tornando mais significativo, os relés são normalmente projetados sem levar em conta o impacto dinâmico dos supressores. A vida útil de comutação ideal (para contatos normalmente abertos) é, portanto, obtida com um relé totalmente não suprimido e a vida útil elétrica nominal geralmente são baseadas nesta premissa. A "quebra" bem-sucedida de uma carga CC requer que os contatos de relé se movam para abrir com uma velocidade razoavelmente alta.
Um relé típico terá um movimento acelerado de sua armadura em direção à posição de descanso não energizada durante a queda. A velocidade da armadura no instante da abertura de contato desempenhará um papel significativo na capacidade do relé de evitar a "soldagem de aderência" fornecendo força adequada para quebrar quaisquer soldas leves feitas durante a "criação" de uma alta carga resistiva de corrente alta (ou uma com uma alta corrente de ativação). É a velocidade da armadura que é mais afetada pela supressão da bobina. Se o supressor fornecer um caminho condutor, permitindo assim que a energia armazenada no circuito magnético do relé decaia lentamente, o movimento de armadura será retardado e a armadura pode até mesmo temporariamente reverter a direção. A inversão da direção e o novo fechamento dos contatos (particularmente quando combinados com cargas indutivas) muitas vezes leva à "soldagem de aderência" aleatória e intermitente dos contatos de modo que o relé possa se libertar se operado novamente ou mesmo desconjuntado ligeiramente.
Com base no impacto no movimento da armadura e na otimização para contatos normalmente abertos, o melhor método de supressão é usar um diodo supressor transiente de silício. Este supressor terá o menor efeito na dinâmica de queda do relé, uma vez que o transiente do relé será autorizado a ir para um nível de tensão predeterminado e, em seguida, permitir que a corrente flua com uma baixa impedância. Isso faz com que a energia armazenada seja rapidamente dissipada pelo supressor. Os diodos supressores transientes estão disponíveis como componentes bidirecionais e permitem que o relé não seja polarizado quando instalado internamente. Observe que se um supressor transiente unidirecional for usado, um diodo retificador deve ser colocado em série com ele para bloquear o fluxo normal de corrente e tem pouca vantagem sobre o uso de um diodo zener. O supressor transiente deve ser selecionado de tal forma que sua classificação de energia de pulso exceda qualquer transiente antecipado, como o desligamento da bobina ou o "ruído" do motor encontrado na aplicação.
Um varistor de óxido de metal fornecerá resultados semelhantes aos do diodo supressor transiente, mas terá uma maior impedância "no estado" e permitirá assim que uma tensão mais alta seja desenvolvida. Como exemplo, um diodo supressor transiente de 33 volts pode ter uma tensão de "fixação" entre 30 e 36 volts. Em comparação, um MOV de 33 volts provavelmente fixará o relé a 45 a 55 volts (baseado em um relé automotivo típico com corrente de bobina de 130 mA). Quando a tensão adicional não é problema, um MOV pode economizar o custo sobre o diodo supressor transiente e também fornecer um relé não polarizado.
O uso de um diodo retificador invertido em série com um diodo zener fornecerá a melhor solução quando o relé pode ser polarizado. Essa supressão é frequentemente recomendada pela Siemens Electromechanical Components (SEC) para uso em circuitos automotivos. O impacto na dinâmica de liberação é mínimo e não representa perda de confiabilidade. Este é normalmente um método de baixo custo e a única precaução de projeto é selecionar um zener com uma tensão de ruptura adequada e especificações de energia de impulso adequadas para o relé em sua aplicação. Em aplicações de placa de circuito impresso com transistores usados como condutores de relé, o diodo zener pode ser colocado "através" do transistor; ou seja, para um circuito emissor comum, o cátodo conectado ao coletor e ânodo conectado ao emissor (o diodo retificador da série não é usado neste tipo de circuito).
Um retificador com viés invertido em série com um resistor pode ser usado com sucesso com alguns relés quando a capacidade máxima de comutação de carga não é necessária. Deve-se tomar cuidado ao usar um resistor grande o suficiente em valor para dissipar rapidamente a energia armazenada do relé, mas ainda assim permanecer dentro do transiente de tensão de pico desejado. O valor do resistor necessário pode ser aproximado da seguinte equação:
R = Vpico/Ibobina
em que:
R = valor do resistor em Ohms
Vpico = tensão transiente de pico permitida
Ibobina = corrente de bobina de relé de estado estável
O pico real de tensão observado será menor do que o calculado por esta fórmula devido a perdas de energia no resistor. Ao usar este tipo de supressão é melhor consultar o fabricante de relé para obter valores recomendados.
Um resistor também pode ser usado sozinho como um supressor transiente quando a dissipação de energia adicional e o calor resultante gerado pelo resistor podem ser tolerados. Na maioria das situações, isso fornecerá o método de supressão mais barato (assumindo que o valor do resistor pode ser adequadamente dimensionado para minimizar seu impacto no desempenho do relé). Este método é normalmente recomendado pela SEC quando os requisitos de solicitação permitem.
Muitos engenheiros usam um diodo retificador sozinho para fornecer a supressão transiente para bobinas de relé. Embora isso seja econômico e elimine totalmente a tensão transiente, seu impacto no desempenho do relé pode ser devastador. Problemas de "soldagem de aderência" inexplicáveis e aleatórios ocorrem frequentemente nesses sistemas. Em algumas aplicações, este problema é apenas um pequeno incômodo ou inconveniente e o controlador ou operador vai fazer ciclo do relé até que a resposta adequada seja obtida. Em muitas aplicações; no entanto, a primeira ocorrência pode causar uma falha completa do sistema ou até mesmo apresentar uma situação perigosa. É importante que esses sistemas sejam projetados com outro método de supressão de relé.
Para ilustrar o impacto da supressão de várias bobinas no tempo de resposta do relé, considere os seguintes dados que foram registrados usando um relé tipo ISO automotivo com uma bobina de 55 ohm e com 13,5 V CC aplicados na bobina.
Figura 2. Impacto da supressão de várias bobinas no tempo de resposta do relé
Métodos sugeridos para supressão de bobina de relé
Do ponto de vista da física, a técnica sugerida para supressão transiente da bobina de relé é usar um diodo retificador com viés invertido e diodo zener em paralelo com a bobina de relé. Isso permite que o relé tenha uma dinâmica de liberação ideal e vida útil de contato normalmente aberta. Essa supressão pode ser incorporada facilmente aos circuitos para relés de placa de circuito impresso; no entanto, ao especificar a supressão para um relé montado em soquetes, este método pode ser menos prático do que usar um resistor.
Quando a tensão transiente admissível é grande o suficiente e a dissipação de energia tolerável, o relé pode ser suprimido com um resistor. Do ponto de vista de um Modo de Falha e Análise de Efeitos (FMEA), o resistor fornecerá menos risco adicional de falha do que os dois diodos sugeridos acima (desde que seu valor seja alto o suficiente para evitar efeitos prejudiciais à dinâmica de liberação do relé). Deve-se notar que o valor ideal do resistor para um tipo de relé não será necessariamente o valor certo para outro tipo.
Agora que fornecemos técnicas sugeridas de supressão com base no desempenho de contato normalmente aberto, devemos adicionar um comentário de qualificação sobre os contatos normalmente fechados. Quando a carga primária está nos contatos normalmente fechados (e uma pequena carga ou nenhuma no normalmente aberto), pode ser desejável usar um diodo retificador sozinho como a supressão do relé (ou talvez um diodo retificador e um menor valor de resistor de série). O movimento de armadura retardado que impacta negativamente o desempenho de contato normalmente aberto normalmente melhorará o desempenho de contato normalmente fechado. A melhora resulta de menor salto de contato durante o fechamento dos contatos normalmente fechados. Isso resulta da velocidade de impacto mais baixa criada pelo movimento de armadura retardada e foi utilizada no passado para melhorar o desempenho de contato normalmente fechado em certos relés.
