Whitepaper: Vida útil do contato de relé: materiais, classificações e estilos

Os contatos de relé estão disponíveis em uma variedade de metais e ligas, tamanhos e estilos. Não existe um contato universal. O usuário do relé deve selecionar materiais de contato, classificações e estilos para atender, da forma mais precisa possível, aos requisitos de uma determinada aplicação. O não cumprimento pode resultar em problemas de contato e até mesmo falha de contato precoce.

Por exemplo, alguns materiais de contato requerem um arco para mantê-los livres de sulfidação, oxidação e contaminantes. Tais materiais nos contatos usados em um circuito seco ou de baixo nível podem resultar na falha elétrica dos contatos para fechar o circuito, mesmo que seja naturalmente. Os contatos podem parecer visualmente normais, mas isso é um engano. Na realidade, há um filme muito fino de sulfidação isolante, oxidação ou contaminações na superfície dos contatos. Este filme deve ser removido para que a continuidade do circuito seja estabelecida, e o arco pode realizar isso. (Para circuitos secos e de baixo nível, devem ser usados contatos bifurcados.)

Em algumas aplicações, os contatos podem ser submetidos a picos de correntes rigorosas que podem reduzir drasticamente sua vida útil. Considere uma lâmpada incandescente. Uma lâmpada de 40 watts, com 120 V, possui uma corrente de 0,33 amperes. No entanto, a resistência do filamento quando frio é tão baixa que a corrente de partida inicial pode ser de até 6 amperes! A tentativa de trocar a lâmpada de 40 watts com, digamos, 2 contatos de amperes resultará em falha de contato precoce.

A mesma situação existe em aplicações de motores e transformadores, e em aplicações onde existe uma significativa capacitância de linha distribuída. Durante o arranque, um motor pode puxar 600% ou mais da corrente em funcionamento. Dessa forma, um motor de 3 amperes pode realmente puxar 18 amperes ou mais durante a partida. Deve ser utilizado um contato com pelo menos 20 amperes. Além disso, quando desconectado, um motor atua como um gerador de tensão à medida que desacelera para uma parada. Dependendo do motor, ele pode se alimentar de volta pelas tensões do circuito bem acima da tensão de linha nominal. Essas tensões que aparecem através dos contatos de separação podem fazer com que exista um arco destrutivo entre os contatos, o que pode levar à falha precoce dos contatos. Em função disso, é desejável suprimir o arco. (Técnicas de supressão de arco são discutidas mais adiante nesta nota de aplicação.)

Transformadores podem apresentar uma armadilha incomum para um usuário de relé desavisado. Quando a energia é removida de um transformador, seu núcleo pode conter magnetismo remanente. Se a energia for reaplicada quando a tensão é da mesma polaridade do magnetismo remanente, o núcleo pode entrar em saturação durante o primeiro meio ciclo de potência reaplicada. Como resultado, a indutância será mínima e uma corrente de partida de, talvez, 1.000% pode existir por alguns ciclos até que o núcleo saia da saturação. Pior, se a potência reaplicada ocorrer com a tensão em ou perto de zero e a tensão crescente ajudar o magnetismo residual, o núcleo e a folga podem saturar. Pode resultar em uma corrente de partir de talvez 4.000% ou mais! Além disso, como acontece com as cargas motoras, quando a energia é removida de um transformador, o transformador desenvolverá uma contratensão que pode fazer com que exista um arco destrutivo entre os contatos separados.

A capacitância da linha distribuída apresenta problemas particulares para os relés e seus contatos. Isso ocorre quando um relé está localizado a uma distância considerável da carga a ser trocada. No instante em que os contatos se fecham, a capacitância da linha distribuída é carregada antes da corrente de carga fluir. Essa capacitância pode aparecer como um curto-circuito inicial para os contatos, e pode puxar uma corrente bem acima da corrente de carga. Antes de selecionar um relé para alternar um circuito quando a capacitância de linha distribuída pode ser significativa, a corrente de partida instantânea deve ser medida e os contatos selecionados devem estar adequados.

A prata fina tem as mais altas propriedades elétricas e térmicas de todos os metais. É o melhor material de uso geral disponível. No entanto, é afetada pela sulfidação. A taxa de sulfidação em ambiente interno em uma área metropolitana é de aproximadamente 70 microgramas por centímetro quadrado por dia. Esta sulfidação forma um filme na superfície da prata que aumenta a resistência à interface de contato.

Como a prata e ligas de prata sofrem sulfidação, as pressões de contato devem ser grandes o suficiente para romper este filme. (O arco controlado também será útil na hora de remover por combustão a sulfidação e o sobrecurso do contato remove o resíduo.) Embora tais pressões não tenham efeito apreciável sobre os contatos de cádmio de prata, elas resultam em maior desgaste material de contatos finos de prata. Além disso, uma tensão de interface de vários décimos de volts pode ser resultado de contatos de prata fina por causa da película de sulfureto. Este filme é conhecido por capturar e inserir sujeira no ar. O rompimento deste filme gera ruído elétrico. Por causa disso, contatos prateados finos não são usados para comutação de baixo nível, como circuitos de áudio. Em vez disso, os contatos finos de prata e ligas de prata são para uso em circuitos de 12 volts, 0,4 ampere ou mais.

Para relés que devem ficar ociosos por longos períodos de tempo antes da operação inicial, a sulfidação de contatos prateados pode resultar em uma resistência inexpugnável da interface de contato. Em vez de especificar contatos prateados para tais aplicações, devem ser especificados contatos em prata folheados a ouro. O brilho do ouro em cada contato resulta em sulfidação mínima e fornece uma boa fabricação elétrica após o contato. Como o ouro tem uma baixa temperatura de ebulição, a luz intermitente cessará após apenas alguns ciclos de interruptor se a tensão do arco e a corrente forem excedidas. A camada de prata é então exposta e pode desenvolver um filme de sulfeto. A menos que esta situação possa ser tolerada, os contatos dourados não devem ser submetidos a arcos.

Um contato comum para uso em circuitos secos e de baixo nível é com sobreposição de ouro. A sobreposição é de espessura suficiente para não desgastar o metal de base, a menos que esteja sujeita às condições do arco.

Dependendo da aplicação, a transferência de material pode ser bastante prevalente com contatos finos de prata. Normalmente, o material tende a se acumular no centro de um contato, enquanto a perda de material no outro contato deixa um buraco, ou "fosso". Esse buraco pode causar falha de contato prematura. Em tal aplicação, pode ser desejável o uso de contatos finos com grãos de prata. Esses contatos têm ligas de 0,15% de níquel, o que dá aos contatos uma estrutura de grãos finos. Como resultado, a transferência de material é distribuída uniformemente por toda a superfície do contato e os contatos duram mais tempo.

Os contatos de óxido de cádmio de prata têm sido usados há muito tempo para trocar cargas que produzem um arco de alta energia. Os contatos com óxido de cádmio de prata são menos condutivos eletricamente do que os contatos com prata fina, mas têm resistência superior à transferência de material e perda de material devido ao arco. Eles exibem maior resistência à interface entre contatos combinados, e também um aumento ligeiramente maior do calor do conjunto de contato. O arco mínimo de óxido de cádmio prateado é de 10 volts e, como contatos prateados finos, a prata desta liga vai oxidar e sofrer sulfidação. Portanto, um arco é necessário para manter esses contatos limpos.

Os contatos de óxido de índio de estanho prateado, embora não disponíveis facilmente, apresentam melhor resistência à erosão do arco e à soldagem do que os contatos de óxido de cádmio de prata. Eles são ainda menos condutivos eletricamente, no entanto, e são mais difíceis do que os contatos de óxido de cádmio de prata. Eles têm maior resistência à interface entre contatos de compatíveis e, portanto, maior queda de tensão e aumento de calor. Atualmente, o óxido de índio de estanho de prata é mais caro do que o óxido de cádmio de prata, e muitos usuários de relé limitam seu uso a aplicações como cargas de lâmpadas incandescentes e capacitores onde há uma corrente de partida em massa durante o ricocheteio de contato. Para cargas resistivas e indutivas de baixa e média potência, o óxido de cádmio de prata ainda é o mais usado e é recomendado pela Siemens Electromechanical Components (SEC). Para aplicações em que se acredita que o óxido de índio de estanho de prata deve ser usado, entre em contato com a engenharia de aplicações da SEC.

Os contatos de níquel de cobre prateado são para uso em aplicações de CC de alta intensidade, como lâmpadas incandescentes e cargas capacitivas. Estes contatos apresentam boa resistência à soldagem.

Os contatos de liga de níquel de prata dourada são para uso em cargas de comutação geralmente inferiores a um ampere, e são caracterizados por menos ruído elétrico ao ligar e desligar do que contatos de prata fina. Os contatos prateados difusos em ouro oferecem características semelhantes à liga de níquel de prata dourada, mas são menos caros.

Os contatos de paládio não sofrem sulfidação ou oxidação, e por isso oferecem níveis de ruído elétrico extremamente baixos. Eles têm uma expectativa de vida útil elétrica de aproximadamente 10 vezes a dos contatos de prata fina. No entanto, devido às propriedades de condutividade relativamente precárias, as correntes de carga são limitadas a cerca de 5 amperes.

Os contatos de paládio requerem sobrecurso de 0,006" a 0,012" para garantir uma boa ação de limpeza. Por causa disso, eles são usados principalmente em relés do tipo telefone — ou seja, relés nos quais os braços de contato são paralelos ao comprimento da bobina, e nos quais esse sobrecurso é fácil de obter. Além disso, os contatos de paládio devem ser bifurcados para ajudar a garantir a continuidade do circuito no fechamento de contatos.

Os contatos de tungstênio são para uso em aplicações de alta tensão, geralmente onde é necessária comutação altamente repetitiva. O tungstênio tem uma temperatura de fusão de 3.380^ºC que lhe dá excelente resistência à erosão do arco.

O tungstênio pode desenvolver filmes de óxido problemáticos, especialmente quando usado como contato de ânodo em algumas aplicações de CC. Portanto, o tungstênio é frequentemente usado como contato do cátodo, e uma liga de paládio usada como contato com o ânodo. Essa combinação também minimiza a resistência à interface de contato e a transferência de material.

O mercúrio tem uma temperatura de fusão de -38,87^ºC. Assim, como usado em relés, está em estado líquido. O mercúrio se agarra à superfície de qualquer metal limpo, e é usado como os contatos em relés com lâminas umedecidas com mercúrio. Ele tem boa condutividade elétrica e, sendo líquido, não há acúmulo de transferência de material de contato para contato. Qualquer transferência de material é negada pelo fato de que quando os contatos se abrem e o mercúrio retorna ao conjunto na parte inferior do relé, o mercúrio fresco insere-se na próxima operação de interruptor. O mercúrio tem uma temperatura de ebulição de 357^ºC. Por causa disso, os contatos de mercúrio não podem trocar correntes de mais do que alguns amperes.

A expectativa de vida útil elétrica de propósito geral e relés de energia é geralmente avaliada em 100.000 operações mínimas, enquanto a expectativa de vida útil mecânica pode ser de um milhão, 10 ou até 100 milhões de operações.

A razão pela qual a vida elétrica tem uma classificada tão baixa em comparação à vida mecânica é porque a vida útil do contato é dependente da aplicação. A classificação elétrica se aplica aos contatos que trocam suas cargas nominais. Quando um conjunto de contatos alterna para uma carga de valor menos do que o avaliado, a vida útil do contato pode ser significativamente maior. Por exemplo, 25 amperes, 240V AC, 80% de contatos P.F. podem ser esperados para alternar uma carga de 25 amperes acima de 100.000 operações. Se esses contatos forem usados para trocar, digamos, uma carga resistiva CC de 5 amperes e 120V, no entanto, a vida pode ser superior a um milhão de operações. A vida elétrica nominal também leva em consideração a destruição dos contatos. Com o uso da supressão adequada do arco, a vida útil do contato pode ser prolongada. A Tabela 1 lista alguns valores de tensão de arco e corrente para vários metais diferentes. Um arco se acenderá se a tensão mínima do arco e a corrente forem excedidas. No entanto, não haverá arco se a corrente de carga em uma determinada tensão mínima do arco for menor do que a corrente de arco mínima para essa tensão. Da mesma forma, não haverá arco se a tensão de carga (ou contra-eletromotriz) for menor que a tensão mínima do arco do metal de contato. Como dito, um arco pode ser necessário para remoção por combustão dos contatos de qualquer sulfidação, oxidação ou contaminação. No entanto, por sua própria natureza, um arco é destrutivo. Para a vida máxima útil de contato, o arco deve ser suprimido o mais rápido possível assim que ele inflama. Essa supressão de arco pode ser realizada utilizando técnicas apresentadas nesta nota de aplicação.

Na tensão e valores atuais inferiores aos necessários para inflamar um arco, uma faísca pode ocorrer entre a separação de contatos. Esta faísca é uma descarga capacitiva, e é fraca em comparação com um arco. Mesmo assim, a faísca pode ser suficiente para evitar que a sulfidação, a oxidação e os contaminantes se acumulam nos contatos. (Nota: a supressão do arco tem pouco, se houver, efeito sobre o contato.)

A vida útil do contato é interrompida quando os contatos grudam ou soldam, ou quando o material excessivo é perdido de um ou ambos os contatos e uma boa marca elétrica não é possível. Essas condições são resultado de transferência cumulativa de material durante sucessivas operações de comutação e de perda de material devido ao respingo.

A transferência de material ocorre como resultado do calor I2 R. À medida que os contatos de comutação começam a se separar, a área de contato diminui. A corrente de carga que flui através desta área cada vez mais apertada gera calor que faz com que o material de contato derreta e depois ferva. O metal liquefeito tende a se concentrar no contato com o cátodo porque esse contato é mais frio do que o contato com o ânodo. A transferência de material também ocorre durante a formação do arco. No entanto, sob esta condição, a transferência de material é de cátodo para ânodo — a quantidade de transferência depende da gravidade e duração do arco e do tipo de material de contato utilizado. Como o material de contato migra primeiro de um jeito, depois do outro, a técnica ideal de supressão do arco seria resfriar o arco assim como o ânodo recupera todo o material perdido para o cátodo pouco antes do arco ocorrer. No entanto, isso é impraticável até mesmo como tentativa.

A perda de material deve-se principalmente devido ao respingo do metal derretido e fervente à medida que os contatos saltam na marca. Tal perda pode ser significativa ao longo de dezenas de milhares de operações, e a única maneira prática de minimizá-la é pela supressão do arco. A supressão do arco rapidamente apaga o arco, mantendo assim temperaturas de contato mais baixas.

Nas aplicações de CC, a migração de metais é previsível, já que um contato é sempre negativo, e o outro, positivo. Em aplicativos de CA onde a comutação é aleatória, o contato pode ser negativo ou positivo quando ocorre o arco. A migração não será na mesma direção cada vez que o interruptor abrir, e a perda material de qualquer dos contatos não deve ser significativa - a menos que as condições de carga causem perdas.

No entanto, nem todas as aplicações CA incorporam comutação aleatória. Em algumas aplicações, o relé é operado a uma taxa ou frequência definida. Nesses casos, os contatos interrompem a corrente de carga no mesmo ponto aproximado na onda senoidal. Ou seja, o mesmo contato é sempre positivo, e o outro negativo no instante da separação do contato. A transferência de material durante o arco será sempre na mesma direção. Nessas aplicações, a supressão do arco de contato pode ser necessária.

Isso não quer dizer que a supressão do arco não seja necessária em aplicativos CA com comutação aleatória. Pelo contrário, a supressão do arco pode ajudar a controlar a perda de material de contato devido ao respingo do metal derretido. Ou seja, quando o arco é suprimido, a temperatura de contato é mantida no mínimo.

Arcos controlados de curta duração podem ser benéficos para de fato alcançar a vida nominal dos contatos. Como dito, isso ocorre porque esse arco remove por combustão dos contatos quaisquer depósitos que possam impedir a conexão elétrica. Tal controle é alcançado pela supressão do arco. A menos que o sobrecurso do arco e/ou contato limpe os contatos, os filmes podem se desenvolver nas superfícies de contato ou a matéria estranha pode se concentrar. Por essa razão, é melhor aplicar relés de finalidade geral e de potência apenas em aplicações onde a tensão de carga (ou contra-eletromotriz) e a corrente excedem a tensão do arco e as classificações de corrente desses contatos.

Talvez o método mais popular de extinguir um arco entre a separação de contatos seja com uma rede RC colocada diretamente nos contatos. À medida que os contatos começam a se separar e um arco se inflama, a corrente de carga que alimenta o arco será desviada para o capacitor através da resistência da série, privando o arco de parte de sua energia. Como resultado, a duração do arco será encurtada e a perda de material será minimizada.

Teoricamente, o método ideal de supressão de arco seria simplesmente um capacitor colocado diretamente nos contatos. No entanto, sem resistor no circuito, quando os contatos assim possibilitam, não há nada que limite a corrente de descarga do capacitor. Esta corrente de descarga quase instantânea pode gerar um arco breve, mas severo, que pode levar a ocorrência de contatos soldados, dependendo do material de contato e características. Assim, o resistor é necessário para limitar a corrente de descarga do capacitor. No entanto, há uma desvantagem. Ou seja, o resistor tende a isolar o capacitor dos próprios contatos que o capacitor deve proteger. Por causa disso, a quantidade de resistência deve ser mantida a menor possível.

Muitos usuários de relé não estão familiarizados com a seleção de um capacitor para o serviço de extinção do arco. Para começar, a corrente alternada difere da corrente contínua, na medida em que a corrente alternada passa por zero 120 vezes por segundo para o serviço de 60 Hertz, enquanto a corrente contínua, claro, é uma corrente contínua. No serviço em CA, o condensador não precisa de ser tão grande como no serviço em CC porque o arco de CA se extinguirá num ponto de cruzamento zero. No serviço em CC, o condensador deve continuar a desviar a corrente de carga dos contatos até que os contatos se separem o suficiente para o arco se extinguir.

Assuma uma aplicação CC de 28 volts, 5 amperes. Além disso, suponha-se que é necessária uma rede RC que resultará numa tensão de contato de, talvez, 15 volts, 1 ms, após os contatos terem se separado. Uma vez que o valor da resistência deve ser o menor possível, pode ser escolhido um resistor de 2 ohm. Em 2 ohms, a corrente de pico de descarga do capacitor será de 14 amperes no tempo zero. Dependendo do material de contato e do tamanho, estes 14 amperes podem ser bastante aceitáveis por um período tão curto de tempo.

Tensão de contato — ou seja, tensão do arco — em qualquer instante de tempo é simplesmente a soma da queda de tensão do resistor e da tensão do capacitor. Selecione uma tensão capacitiva de, digamos, 10 volts. Os 18 volts restantes devem aparecer através da carga de 5,6 ohm e do resistor de 2 ohm. Assim, a corrente do capacitor instantânea é:

e a queda de tensão do resistor de 2 ohm é de 4,8 volts. A tensão do arco, portanto, um microssegundo após a separação de contato é 4,8V + 10V = 14,8V, ou cerca de 53% da tensão de alimentação.

Para determinar o tamanho da capacitância necessária, pode ser usada a equação básica para tensão capacitiva:

e_c = E(1 - ε ^-t/RC)

Reestruturar a equação a resolver por capacitância resulta em 1,1 μfd.

Em que:
t = 1 μsec.
e_c = 10 volts = tensão capacitiva no momento t.
E = 28 volts (para CA, use o valor de pico).
R = 2,0 ohms.

A próxima pergunta diz respeito à construção de capacitor. O capacitor pode suportar correntes de descarga? Quando os contatos se fecham, o capacitor executará a descarga através do resistor. Para um capacitor de 1 μfd e uma resistência de 2 ohm, a constante de tempo é: R x C = 2 x 1 μfd. = 2,0 μseg.

Para determinar a descarga di/dt:

em que; .63 é a perda de tensão capacitiva durante uma constante de 2,0 μseg.

Este di/dt não é muito grave e uma grande variedade de capacitores deve ser capaz de resistir a ele. No entanto, o di/dt de uma aplicação CA de 5 amperes de 240 volts seria de 107A/ μsec. no pico da linha CA — ou seja, 340 volts; e a seleção do capacitor* deve ser feita adequadamente.

É claro que o di/dt pode ser reduzido por um valor maior de resistência para limitar ainda mais a corrente de descarga do capacitor. Mas, quanto maior o valor da resistência, menor o efeito que o capacitor tem sobre o arco.

Para saciar arcos de CC em determinadas aplicações, estão disponíveis relés que possuem um ímã permanente localizado próximo aos contatos. O ímã repele o arco CC, esticando assim o arco e fazendo com que ele se apague rapidamente.

Alguns usuários de relé conectam um diodo através da carga indutiva para evitar que a contravoltagem atinja os contatos. Quando o relé se abre, a energia armazenada da indução circula novamente através do diodo, não através do arco. Embora este seja um método aceitável de proteção dos contatos, ele resulta em um tempo de espera prolongado da carga indutiva. Para aquelas aplicações que não toleram tempo de espera prolongado, um resistor pode ser colocado em série com o diodo. O resistor, no entanto, diminui a eficácia do diodo e, geralmente, um compromisso deve ser alcançado por tentativa e erro.

Ao usar um diodo zener no lugar do resistor, o tempo de espera é muito reduzido. Isso ocorre porque os diodos não podem ligar até que a tensão através deles seja igual à soma de suas quedas de tensão.

Em alguns circuitos, o espaço é premium e pode não haver espaço suficiente para um diodo zener e um diodo regular. Nesses circuitos, alguns designers usam um varistor de óxido de metal. O MOV funciona de forma semelhante aos diodos zener back to back. E, como o MOV é um dispositivo bidirecional, ele pode ser usado em circuitos CA e CC.

Um benefício adicional da supressão do arco é a minimização de EMI. Um arco não comprimido entre contatos é um excelente gerador de ruído. Esse ruído pode ser problemático para componentes sensíveis em um circuito ou dentro do campo RFI. Nas piores condições, a EMI pode causar um desvio indesejado de portas lógicas IC, SCRs e triacs, e pode causar danos a outros dispositivos semicondutores.

*Os tipos de capacitor sugeridos são folha metalizada e folha de filme. Verifique as especificações do capacitor para as classificações dv/dt e di/dt.