Whitepaper: Unidade de bobina adequada: crítica para bom desempenho do relé/contator

Ao longo desta Nota de Aplicação, as referências a "relés" geralmente podem ser assumidas para aplicação em "contatores" também. Da mesma forma, pouco se menciona especificamente em relação à aplicação de "relés do tipo de telecomunicações". Geralmente, a necessidade de uma unidade de bobina adequada aplica-se igualmente aos contatores e relés de telecomunicações, exceto se o aumento da temperatura interna e da bobina devido à carga de contato raramente for um problema nos aplicativos de telecomunicações.

A unidade adequada de bobina é extremamente importante para a operação correta do relé e um bom desempenho da carga/vida útil. Para que um relé (ou contator) funcione corretamente, é necessário garantir que a bobina seja adequadamente acionada para que os contatos fechem corretamente e permaneçam fechados, e as bases de armadura estejam totalmente assentadas e permaneçam assim, sobre todas as condições que possam ser encontradas na aplicação.

Independentemente do tipo de bobina ser CC ou CA, todas as classificações de contato de relé para vida útil/carga CA são consideradas como sendo alternadas aleatoriamente em relação ao ciclo da linha de alimentação CA, distribuídas uniformemente ao longo de todo o ciclo ao longo do tempo, e com igual probabilidade de troca em ciclos positivos e negativos. Deve-se ter cuidado para que o hardware e o software de controle não causem inadvertidamente a sincronização de linha de abertura de contato e/ou fechamento - o que resultará em desgaste de contato desigual ou acelerado e falha precoce.

Os relés são eletroímãs, e a força do campo magnético que os opera é uma função de ampere-voltas (AT) - (ou seja, o número de voltas de fio multiplicadas pela corrente que flui através desse fio). Como o número de "voltas" não muda uma vez enroladas, a única variável de aplicação é a corrente da bobina.

A corrente CC da bobina é determinada unicamente pela tensão aplicada e pela resistência da bobina. Se a tensão diminuir ou a resistência aumentar, a corrente da bobina diminui - resultando em menor AT e, portanto, redução da força magnética na bobina.

A corrente CA da bobina é igualmente afetada pela tensão aplicada e impedância da bobina - mas a impedância (Z) é definida como Z=sqrt(R² + XL ²) de modo que as alterações na resistência à bobina por si só têm um efeito um pouco menos direto nas bobinas CA do que nas bobinas CC.

A tensão aplicada da bobina também varia conforme a fonte de alimentação varia ao longo do tempo. O designer de controle deve definir a faixa de tensão de entrada sobre a qual o controle é garantido para operar (tipicamente +10%/-20% do nominal) e, em seguida, compensar no projeto de controle para garantir o bom funcionamento sobre essa faixa de tensão.

Não só haverá variações na tensão aplicada, mas a resistência da bobina do relé tem variações semelhantes. Em primeiro lugar, a resistência à bobina terá uma tolerância de fabricação (tipicamente +/-5% ou +/-10% à temperatura ambiente). Em segundo lugar, a resistência do fio da bobina também tem um coeficiente de temperatura positivo para que a resistência à bobina aumente à medida que a temperatura do fio aumenta ou diminua à medida que a temperatura do fio diminui. Isso é mostrado graficamente a seguir e também com mais detalhes na Nota de aplicação "Tensão de bobina e compensação de temperatura".

Resistência da bobina versus temperatura (graficamente):

• Resistência da bobina - A resistência CC da bobina do relé é geralmente especificada à temperatura "ambiente" (tipicamente 23 °C). Consulte também a nota de aplicação "Tensão de Bobina e compensação de temperatura".
• Tensão de operação (mínima) - A tensão em ou abaixo da qual a armadura do relé deve ser assentada contra o núcleo da bobina, assumindo sua posição totalmente operada.
• Tensão de liberação (desligamento) - A tensão especificada em ou acima da qual a armadura do relé deve restaurar à sua posição não operada.
• Tensão de retenção - A tensão em ou acima da qual é necessário que a armadura não se mova perceptivelmente a partir de sua posição totalmente operada depois de ter sido energizada eletricamente. (Observe que isso normalmente não é especificado em folhas de dados ou controlado na fabricação) - Veja mais sobre isso adiante na seção sobre redução de energia da bobina e também na Nota de Aplicação "Opções de redução de potência na bobina do relé CC".

(Nota: além deste ponto, os relés de bobina CC são sempre considerados alimentados por CC bem filtrada - não meia onda não filtrada ou ondas completas, a menos que especificamente observados. Além disso, as informações da folha de dados são assumidas como em temperatura ambiente (normalmente. 23 °C, a menos que seja observado em contrário).

O diodo CR1 serve para desafiar a tensão de "coice" reverso da bobina do relé K1 para proteger o acionador Q1 ao desligar, mas também tem o efeito de retardar a queda de contato que pode degradar a vida útil da carga. O zener Z1 é opcional, mas quando usado reduz o efeito de desaceleração de queda do CR1. A tensão do zener Z1 é selecionada em no máximo 80% do PIV do transistor Q1.

Se for usada a potência da bobina CC de meia onda não filtrada ou de ondas completas, o diodo CR1 deve ser fornecido através da bobina (e Z1 não deve ser usado) para que a energia volte a circular para a bobina e permitir que ela passe pelas porções de baixa tensão da forma de onda de energia sem deslocar a armadura, sem zumbido etc. Consulte a Engenharia de Produtos de Relé da TE para obter orientações. As condições variam significativamente de acordo com o tipo de relé/contator e o design do circuito. Alguns relés toleram bem isso e outros não.

As piores condições de operação para um relé são a tensão mínima de alimentação e resistência máxima da bobina na temperatura ambiente mais alta concomitante com o carregamento de corrente de maior contato. A indutância dividida pela resistência (L/R) define a taxa de carga e descarga da corrente em bobinas de relé e, portanto, afeta seu tempo de operação (e tempo de liberação se houver diodo ou diodo-zener resistindo). A L/R também varia de acordo com o tipo de relé, tensão da bobina e temperatura ambiente. Da mesma forma, isso resulta em variações no tempo de operação e liberação, bem como na tolerância à operação de meia onda e ondas completas - todas as quais devem ser consideradas em cada aplicação.

É importante subtrair e corrigir as quedas de tensão no circuito da bobina devido a diodos de série, transistores (especialmente Darlington) etc. para que a tensão mínima efetivamente aplicada à bobina permaneça conforme necessário.

O autoaquecimento via perdas I² R no relé devido à corrente através do fio da bobina e corrente de carga através dos braços de contato e terminais resulta em aquecimento adicional da bobina e da parte interna (além de quaisquer aumentos apenas na temperatura ambiente). Tudo precisa ser considerado ao calcular a temperatura real da bobina.

O designer deve sempre corrigir a tensão de entrada para ajustar para o aumento da resistência da bobina, perdas de circuito e diminuição do AT para que, nas piores condições do caso, ainda haja AT suficiente para operar o relé de forma confiável e para acomodar totalmente a armadura para que haja força de contato total aplicada. Se o contato for fechado, mas a armadura não estiver totalmente assentada, a força de contato será baixa, portanto, os contatos podem estar sujeitos a superaquecimento e propensos à soldagem de aderência após a aplicação de altas correntes.

• Nota: as bobinas CA são corrigidas da mesma forma, lembrando que a mudança de resistência afeta a impedância da bobina CA (e, portanto, a corrente da bobina) pela fórmula Z=sqrt(R2 + XL 2) em vez de linearmente como nas bobinas CC.

Consulte a nota da aplicação " Tensão de Bobina e Compensação de Temperatura" para uma discussão detalhada sobre essas questões.

• A temperatura máxima da bobina (calculada de acordo com a Nota de Aplicação "Tensão da Bobina e Compensação de Temperatura") na tensão nominal da bobina, carga máxima e temperatura ambiente máxima não deve exceder a temperatura máxima permitida por UL ou CSA para a "Classe de Temperatura de Isolamento" (A, B, F ou H - (105 °C, 130 °C, 155 °C e 180 °C, respectivamente)) do relé selecionado. 
• Se os relés forem fortemente carregados e firmemente embalados na montagem final ou se estiverem perto de outros componentes produtores de calor, um aumento mais alto da temperatura da bobina pode ser esperado e deve ser definido e compensado da mesma forma.
• Todas as fontes de aquecimento discutidas anteriormente devem ser consideradas para que as bobinas sejam adequadamente acionadas sem temperaturas superiores aos limites do Sistema de isolamento.
• Como os relés são eletroímãs, são suscetíveis a campos magnéticos externos de transformadores próximos, outros relés ou contatores, condutores de alta corrente etc.; tudo isso pode influenciar as características de operação e liberação do relé. Da mesma forma, relés e contatores podem influenciar o desempenho de outros componentes magneticamente sensíveis perto deles.
• O teste final é no conjunto final quando o relé é exposto ao carregamento máximo, temperatura ambiente máxima e tensão mínima de alimentação. Nestas condições, o aumento da temperatura da bobina (e, portanto, a mudança de resistência) deve ser reavaliado para garantir que ainda haja um fator de segurança suficiente para acionar o relé de forma confiável em baixa tensão de fornecimento sem superaquecimento na tensão máxima de fornecimento, corrente de carga e temperatura ambiente.
• Características exclusivas das bobinas CA serão discutidas com mais detalhes adiante nesta Nota.
• Para as bobinas CC, a forma de onda atual durante a operação inicial deve parecer a figura "A" e não a figura "B".

Se a transição da corrente da bobina se parecer com a figura "B" (que indica que a armadura "estagnou" momentaneamente e não assentou firmemente) algo está errado com o circuito de acionamento que precisa ser corrigido.

Os relés de engate CC usando sistemas de ímã residual são relés especiais de bobina CC que só precisam ser alimentados por um curto período de tempo para defini-los e, em seguida, novamente para redefini-los. Estas bobinas normalmente não são destinadas a ser continuamente alimentadas no modo Set ou Reset.

• Todos os comentários anteriores sobre a unidade de bobina adequada dos relés CC e correção para o aumento da temperatura ambiente etc. aplicam-se, exceto para o aquecimento da bobina devido à tensão da bobina aplicada.
• Estes relés têm requisitos muito mais restritos tanto para faixa de tensão aplicada quanto "pontuais" do que relés monoestáveis. 

A tensão SET normalmente não deve exceder 120% da tensão nominal classificada. A tensão RESET, por outro lado, nunca deve exceder 120% da tensão nominal e é mais bem mantida a 110% máximo ou o risco de "perturbação" (RESETTING, em seguida, SETTING novamente) o sistema de ímã aumenta. Onde são necessárias amplas faixas de temperatura ambiente, consulte a Engenharia de produtos de relé da TE para obter orientação.

Os intervalos mínimos de tempo SET e RESET são especificados na folha de dados do relé. Esses tempos mínimos são muito mais longos do que o tempo real necessário para transferir o contato para seu estado oposto. O tempo extra é necessário para que o sistema de ímã seja apropriadamente "carregado" a cada passo.

• Da mesma forma, a "bomba de carga" ou outros esquemas de acionamento de bobina pulsada que utilizam capacitores de descarga como fonte de energia, não são recomendados porque é muito difícil manter a corrente suficiente durante o intervalo de tempo adequado para DEFINIR (SET) ou REDEFINIR (RESET) o relé sem exceder o máximo AT que o sistema de ímã tolerará - especialmente no RESET.

Relés e contatores usando bobinas CA têm algumas diferenças importantes em relação aos tipos CC. Devido à natureza sinusoidal da alimentação CA:

• Alguns relés CA tendem a "zunir" audivelmente, mesmo que funcionem corretamente. Isso pode variar de relé para relé, operação para operação e durante a vida útil. O "zunido" é um som audível que não move consideravelmente as partes internas do relé ou os contatos. "Zumbido" ou "rangido" por outro lado, é mais alto e movimenta fisicamente partes internas e, portanto, nunca deve ser permitido ocorrer ou o desempenho será muito degradado.
• Os relés CA não podem ser intencionalmente sincronizados com a onda senoidal CA porque partes dessa onda não contêm energia suficiente para operar o mecanismo de relé - portanto, há pontos onde o relé opera e o tempo de liberação simplesmente não pode funcionar corretamente.
• Este fenômeno também resulta em mais variação no tempo de operação e liberação do que nos relés CC e muitas vezes em maior contato ou salto de armadura ou rangido. Tudo isso depende exatamente de onde na onda senoidal, a potência da bobina está conectada ou removida e pode até causar excesso de contato ou rangido quando operada inicialmente.
• Como resultado, os relés CA normalmente carregam uma classificação menor do que os relés CC da mesma família. Isso porque 1) a onda senoidal tem pontos de baixa energia (como explicado anteriormente) e, portanto, os contatos de relé CA não quebram aleatoriamente durante todo o ciclo em ambas as polaridades e 2) isso pode resultar em uma incidência excessivamente alta de fazer e/ou quebrar em porções de alta energia da onda senoidal. Todos esses recursos tendem a reduzir as classificações de contato ou a vida útil do contato em dispositivos de bobina CA.
• Os relés de bobina CA normalmente são mais quentes que os tipos CC, de modo que a temperatura ambiente máxima permitida é muitas vezes menor do que nos modelos CC.
• Da mesma forma, os relés de bobina CA conduzidos por triacs ou SCRs back-to-back tenderão a ter uma vida útil mais curta. Esses dispositivos normalmente podem ser fechados ligados, e serão acionados a qualquer momento do ciclo. Eles também podem ser fechados em qualquer lugar - mas eles não vão realmente desligar até que a corrente através deles atinja zero. Isso resulta em contatos "quebrando" a carga em um ponto quase fixo no ciclo de energia. Se o "tempo de liberação" do relé faz com que isso aconteça perto de corrente zero, o desempenho é melhor que a média, mas se acontecer perto do pico de corrente, então o desempenho é muito pior. As classificações de vida útil da folha de dados e da agência de segurança são baseadas em ciclagem totalmente aleatória em relação à onda senoidal CA (não esta condição síncrona) a menos que seja especificado de outra forma nos relatórios.

Às vezes é desejável reduzir o consumo total de energia de controle e reduzir o aquecimento. Uma maneira de fazer isso é usar relés com mecanismos de travamento, porém eles são relativamente caros e podem deixar o relé em um estado indeterminado em caso de falha de energia. Uma alternativa é reduzir o consumo de energia da bobina nos relés de bobina CC padrão usando uma das seguintes técnicas.

• PWM (Modulação da Largura do Pulso) - Com este esquema, o relé ou contator da bobina CC é inicialmente operado à tensão nominal da bobina, ou ligeiramente acima, por um curto intervalo para operar e estabilizar o mecanismo de relé. A bobina de relé é então conduzida por um trem de pulso de onda retangular de alguma amplitude especificada, ciclo de serviço e frequência para manter o relé na condição operada com menos potência aplicada.
• Acionamento de bobina CC reduzido - Como o PWM, esta técnica inicialmente opera o relé a tensão nominal de bobina CC por um curto intervalo para operar e estabilizar o mecanismo. Em seguida, a tensão CC é reduzida a um nível inferior para manter o relé na condição operada com menos potência aplicada.
• Atenção - o uso de "bomba de carga" e outros esquemas semelhantes podem atingir o mesmo propósito, mas eles usam capacitores de carga/descarga para energia. A forma de onda não retangular resultante torna muito difícil garantir que a potência estável e adequada da bobina seja aplicada na bobina de relé pelo intervalo de tempo adequado para operar adequadamente o relé ou mantê-lo devidamente engajado enquanto reduz a potência da bobina. Embora normalmente utilizados, tais esquemas não são recomendados devido à dificuldade em garantir o acionamento adequado da bobina.

Da mesma forma, deve-se sempre lembrar que a redução da potência da bobina reduz o poder de retenção da bobina do relé e, portanto, reduz a tolerância ao choque e à vibração na aplicação.

A Engenharia de Produtos de Relé da TE deve ser consultada para informações específicas da família de relés para todas essas técnicas. Nem todos os relés funcionam da mesma forma.

• Sincronização Zero-Cross - Existem várias técnicas que podem permitir que os relés de bobina DC tenham um desempenho melhor do que sua classificação de carga/vida útil publicada (para cargas CA quando comutado aleatoriamente). Isso geralmente envolve algum tipo de sincronização zero-cross do contato com a forma de onda de tensão de carga em "criação" e para a forma de onda de corrente de carga em "quebrar". Feito corretamente, melhorias excepcionais na vida útil da comutação podem ser alcançadas ao usar cargas resistivas, cargas reativas e especialmente cargas capacitivas de ativação alta e de lâmpadas.

Há também vários problemas de desempenho de contato relacionados ao potencial aumento da resistência ao contato ao alternar com muita precisão perto de zero-cross tanto em "criar" quanto "quebrar", uma vez que não há autolimpeza ao quebrar arcos para reduzir normalmente a oxidação de contato e contaminação ao longo da vida útil do relé.

Este é um processo inerentemente complexo e é discutido separadamente e com mais detalhes na Nota de Aplicação "Monitoramento de desempenho de carga/vida útil do contato".

A Engenharia de Produtos de Relé da TE deve ser consultada para informações específicas da família de relés para essa técnica. Nem todos os relés funcionam das mesmas formas.