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Trabalhando com Relés de Potência (ART622)

A Metaltex, na sua linha de produtos destaca uma grande quantidade de tipos para as mais variadas aplicações (veja mais clicando aqui). Os Relés de Potência Miniatura se caracterizam por uma faixa de correntes de 2 a 30 A e tensões de 2 a 125 V. No entanto, para saber usar estes relés corretamente e também escolher o tipo a ser utilizado é preciso ter em mente algumas características das cargas comutadas. Neste artigo, baseados na linha de produtos da Metaltex, falamos um pouco dos cuidados que devem ser tomados ao se controlar cargas com relés de potência.


Relé Metaltex.
Relé Metaltex.

 

Quando comutamos uma carga resistiva pura, não precisamos nos preocupar muito com o que ocorre com a corrente no circuito, pois sabemos que, a não ser as pequenas oscilações iniciais devido ao repique dos contactos (bounce), não temos picos, transientes, ou oscilações que possam ser prejudiciais tanto ao relé quanto ao circuito controlado e mesmo produzi a indesejável EMI.

No entanto, quando a carga comutada apresenta características indutivas, capacitivas ou as duas combinadas, nos vemos diante de sérios problemas que podem afetar não só o modo como tratar o controle como a escolha do relé.

Assim, para estes casos, não basta que a tensão e a corrente especificada para os contactos do relé esteja de acordo com que aquilo que se espera ser normal no consumo de uma carga controlada.

É preciso ir além e analisar exatamente que tipo de corrente vai circular nos instantes seguintes, desde àquele em que o circuito se encontra desligado até o instante em que a corrente se estabilize para o funcionamento que se espera ser normal.

Há alguns anos escrevemos para a Metaltex um livro "Tudo Sobre Relés" em que dávamos de forma simplificada alguns procedimentos para a proteção dos contactos dos relés.

No entanto, com cada vez mais circuitos utilizando semicondutores rápidos e cargas de diversos tipos, capazes de gerar sinais cujas formas de onda estão longe da senoidal pura, é preciso ir além e é justamente o que vamos fazer neste artigo.

 

Cargas Resistivas Puras

Neste caso, não há muito do que falar. Basta seguir as especificações do fabricante para a corrente e a tensão, e pronto. Os máximos de corrente e tensão devem ser seguidos, com alguma tolerância que depende da aplicação.

Observe, entretanto, que elementos de aquecimento, dependendo da temperatura que alcançam não podem ser considerados cargas resistivas puras. Sua resistência é mais baixa quando frios e se elevada ao ponto dado como nominal, quando atingem a temperatura de operação.

Ao controlar estes elementos com um relé, leve em conta a corrente a frio. Veja o próximo item em que tratamos das lâmpadas incandescentes que consistem num caso especial de carga resistiva variável.

 

Lâmpadas Incandescentes

As lâmpadas incandescentes consistem num tipo especial de carga resistiva, pois sua resistência não constante. Uma lâmpada incandescente pode apresentar uma resistência mais de 10 vezes menor do que a resistência nominal (quando acesas), quando está com filamento frio, ou seja, no momento em que é ligada.

Na figura 2 temos a curva característica de corrente numa lâmpada incandescente no momento em que ela é energizada.

 

Característica de uma lâmpada incandescente.
Característica de uma lâmpada incandescente.

 

Assim, se esta lâmpada for controlada pelos contatos de um relé de potência, nos instantes iniciais em que ela se encontra fria a corrente pode superar facilmente os limites do componente, causando uma sobrecarga que pode comprometer sue funcionamento, durabilidade e até mesmo causar falhas.

Uma recomendação ao se controlar uma lâmpada deste tipo é a corrente dos contactos do relé seja maior do que a corrente nominal da lâmpada. E esse tanto a mais deve ser proporcional a taxa de acionamento da lâmpada. Uma lâmpada que tenha funcionamento intermitente exigirá uma corrente média do relé muito maior do que aquela que é acesa poucas vezes num longo intervalo de tempo.

Uma forma de se reduzir a corrente inicial da lâmpada, o que pode ser recomendável nos casos de potências elevadas, é ligando-se em série um resistor. Esse valor absorve a potência inicial, transformando-a em calor e evitando a sobrecarga do relé. A figura 3, mostra como fazer isso.

 

Limitando a corrente inicial com um resistor.
Limitando a corrente inicial com um resistor.

 

Finalmente uma prática não muito comum consiste em se trabalhar com a lâmpada pré-aquecida. Um resistor em paralelo com os contactos do relé mantém circulando pela lâmpada uma corrente que aquece o filamento a ponto dele apresentar uma resistência mais alta do que a frio, mas sem acender. O inconveniente deste recurso é que o circuito consome energia, mesmo com a lâmpada apagada.

 

 Lâmpada pré-aquecida - a corrente inicial ao se fechar o relé é menor.
Lâmpada pré-aquecida - a corrente inicial ao se fechar o relé é menor.

 

 

Cargas Capacitivas

Uma das primeiras coisas que aprendemos quando estudamos os capacitores é que um capacitor descarregado se comporta como um curto-circuito para a fonte, com uma corrente inicial que só é limitada pela resistência do gerador e pela resistência ôhmica de condutores que alimentam o circuito.

Quando controlamos uma carga capacitiva com um relé de potência, este fato deve ser levado em conta no dimensionamento de seus contatos.

Será interessante saber se existe uma resistência limitadora natural do circuito que impeça que a corrente inicial atinja valores muito altos. Se essa resistência for muito baixa, ameaçando o relé controlador, pode-se acrescentar uma resistência ou mesmo um dispositivo apropriado como um VDO para impedir um surto elevado de corrente ao se energizar o circuito.

 

Resistor limitador da corrente inicial num circuito capacitivo.
Resistor limitador da corrente inicial num circuito capacitivo.

 

Existem muitos dispositivos que hoje são comuns que apresentam uma característica capacitiva tais como filtros contra EMI, linhas de sinais longas, etc.

 

Cargas Indutivas

O problema maior que se manifesta nas cargas indutivas não está relacionado com a corrente, mas sim com a tensão. As correntes iniciais destas cargas são baixas, até mesmo menores do que as correntes nominais, conforme podemos ver pela figura abaixo.

 

Corrente na comutação numa carga indutiva.
Corrente na comutação numa carga indutiva.

 

No entanto, quando estas cargas são desligadas, a energia armazenada no campo magnético induz tensões elevadas, capazes de causar arcos ou faíscas entre os contatos do relé controlador.

Estas faíscas podem causar o desgaste prematuro do componente, queimando-o e com isso afetando sua capacidade de controle.

Dependendo da indutância da carga ou do circuito controlado, as tensões induzidas podem ser dezenas ou mesmo centenas de vezes maiores do que a tensão usada na sua alimentação. Na figura abaixo mostramos o comportamento de uma carga indutiva em função da tensão.

 

Tensões na comutação de uma carga indutiva.
Tensões na comutação de uma carga indutiva.

 

Dispositivos de proteção em paralelo com a carga ou com os contactos do relé podem ajudar a evitar os problemas de comutação. O mais comum é o uso de um relé em paralelo, invertido em relação à alimentação normal.

Outra forma de se proteger os contactos de um relé que comute uma carga fortemente indutiva consiste no uso de um capacitor ou mesmo circuito RC paralelo com a carga. Na figura abaixo mostramos estas formas de proteção.

 

Exemplos de proteção do circuito comutadorpara cargas indutivas (figura do livro Tudo Sobre Relés)
Exemplos de proteção do circuito comutadorpara cargas indutivas (figura do livro Tudo Sobre Relés)

 

Cargas indutivas comuns são os solenóides, eletro-imãs, relés, contatores, etc.

 

Motores

Os motores consistem num tipo especial de carga indutiva merecendo, por este motivo, uma análise em separado. De fato, a corrente no momento em que estes dispositivos são comutados não depende apenas das características elétricas de seu enrolamento, mas também de suas características dinâmicas que afetam o processo de forma dinâmica.

O que ocorre é que na partida a corrente de um motor é maior porque a impedância é menor. À medida que ele ganha velocidade sua impedância aumenta até que então a corrente se reduz ao valor nominal. A figura 9 mostra o que ocorre.

 

Variação da corrente num motor.
Variação da corrente num motor.

 

Na prática, o tempo em que a corrente demorará para chegar até o valor nominal depende de diversos fatores, entre eles a carga mecânica. Uma carga muito grande fará com que o motor precise de um grande intervalo de tempo para chegar a sua velocidade normal, e neste intervalo a corrente poderá ser muitas vezes maior que a nominal.

No dimensionamento de um relé que vai controlar esse motor, esse fato deve ser previsto.

Temos de levar em conta ainda que o motor é uma carga indutiva e que, portanto, alta tensão é induzida quando ele é desligado.

Recomenda que se dimensione o relé com um fator de tolerância de 3 vezes, ou seja, a corrente de contacto do relé deve ser pelo menos 3 vezes maior do que a corrente do motor a ser controlado.

 

Cargas de Corrente Contínua

No dimensionamento dos relés de uma aplicação deve-se ainda levar em conta que uma carga de corrente contínua se comporta de forma diferente de uma carga de corrente alternada ao ser comutada.

Uma corrente continua não varia, não passando pelo ponto de zero em nenhum instante, o que não ocorre com as tensões alternadas. Assim, desligar uma carga de corrente continua é mais difícil.

Isso leva os fabricantes de relés a especificar seus produtos com valores diferentes de correntes de contacto para os dois tipos de corrente. Os valores especificados são menores para as correntes contínuas.

Quando a tensão do circuito for elevada, pode-se melhorar a comutação, protegendo os relés empregando tipos de vários contactos que são ligados em série, conforme mostra a figura 10.

 

Protegendo os contatos de um relé na comutação de cargas com tensões contínuas elevadas.
Protegendo os contatos de um relé na comutação de cargas com tensões contínuas elevadas.

 

 

Cargas Críticas

Um tipo de carga quem, aparentemente não traz problemas de comutação, é a que opera com baixas correntes e baixas tensões.

No entanto, também é preciso ter cuidado com a comutação deste tipo de carga, pois sob regime de baixa corrente e baixa tensão, qualquer variação da resistência dos contactos do relé, que estão em série, pode causar alterações no circuito.

Assim, problemas de contacto, oxidação ou mesmo da qualidade do relé, podem causar oscilações de tensão e de corrente capazes de afetar o funcionamento da carga.

Para estas cargas o recomendado é o reed relé, por ser hermético, ou então relés com contatos dourados. Neste caso, não se deve utilizar relés de potência, pois eles são indicados para correntes acima de 100 mA.

 

Conclusão

Com o conhecido provérbio "sabendo usar, vai durar", concluímos este nosso artigo, mostrando que o uso correto dos relés de potência fará com estes componentes atinjam o máximo de sua durabilidade, com o número de operações garantido pelo fabricante.

A Metaltex possui uma ampla linha de relés de potência que certamente atenderá às necessidades de suas aplicações. Consulte-os clicando aqui.

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