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Tipologia: Notas de estudo
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Os relés são dispositivos comutadores eletromecânicos. A estrutura simplificada de um relé é mostrada na figura 1 e a partir dela explicaremos o seu princípio de funcionamento.
Nas proximidades de um eletroímã é instalada uma armadura móvel que tem por finalidade abrir ou fechar um jogo de contatos. Quando a bobina é
percorrida por uma corrente elétrica é criado um campo magnético que atua sobre a armadura, atraindo-a. Nesta atração ocorre um movimento que ativa os contatos, os quais podem ser abertos, fechados ou comutados, dependendo de sua posição, conforme mostra a figura 2.
Isso significa que, através de uma corrente de controle aplicada à bobina de um relé, podemos abrir, fechar ou comutar os contatos de uma determinada forma, controlando assim as correntes que circulam por circuitos externos. Quando a corrente deixa de circular pela bobina do relé o campo magnético criado desaparece, e com isso a armadura volta a sua posição inicial pela ação da mola.
Os relés se dizem energizados quando estão sendo percorridos por uma corrente em sua bobina capaz de ativar seus contatos, e se dizem desenergizados quando não há corrente circulando por sua bobina. A aplicação mais imediata de um relé com contato simples é no controle de um circuito externo ligando ou desligando-o, conforme mostra a figura 3. Observe o símbolo usado para representar este componente.
Quando a chave S1 for ligada, a corrente do gerador E1 pode circular pela bobina do relé, energizando-o. Com isso, os contatos do relé fecham, permitindo que a corrente do gerador E2 circule pela carga, ou seja, o circuito controlado que pode ser uma lâmpada. Para desligar a carga basta interromper a corrente que circula pela bobina do relé, abrindo para isso S1.
Uma das características do relé é que ele pode ser energizado com correntes muito pequenas em relação à corrente que o circuito controlado exige para funcionar. Isso significa a possibilidade de controlarmos circuitos de altas correntes como motores, lâmpadas e máquinas industriais, diretamente a partir de dispositivos eletrônicos fracos como transistores, circuitos integrados, fotoresistores etc.
A corrente fornecida diretamente por um transistor de pequena potência da ordem de 0,1A não conseguiria controlar uma máquina industrial, um motor ou uma lâmpada, mas pode ativar um relé e através dele controlar a carga de alta potência. (figura 4).
Outra característica importante dos relés é a segurança dada pelo isolamento do circuito de controle em relação ao circuito que está sendo controlado. Não existe contato elétrico entre o circuito da bobina e os circuitos dos contatos do
movimentação fácil, e retorno à posição inicial quando o campo desaparece. Peças flexíveis de metal, molas ou articulações são alguns dos recursos que são usados na montagem das armaduras.
A corrente máxima que os relés podem controlar depende da maneira como são construídos os contatos. Além disso, existe o problema do faiscamento que ocorre durante a abertura e fechamento dos contatos de relé, principalmente no controle de determinado tipo de carga (indutivas) .
O material usado deve então ser resistente, apresentar boa capacidade de condução de corrente e, além disso, ter um formato próprio, dependendo da aplicação a que se destina o relé.
Dentre os materiais usados para a fabricação dos contatos podemos citar o cobre, a prata e o tungstênio. A prata evita a ação de queima provocada pelas faíscas, enquanto os contatos de tungstênio evitam a oxidação. . O número de contatos e sua disposição vai depender das aplicações a que se destinam os relés.
Temos então diversas possibilidades:
Os relés são dotados de contatos do tipo normalmente abertos, quando estes permanecem desligados até o momento em que o relé seja energizado. Quando o relé é energizado, os contatos fecham, e com isso pode circular corrente pelo circuito externo. Podemos ter relés com um ou mais contatos do tipo NA, conforme mostra a figura 6.
Usamos relés com contatos do tipo NA quando queremos ligar uma carga externa ao fazer uma corrente percorrer a bobina do relé, ou seja, quando o energizarmos.
Estes relés apresentam um ou mais contatos que estão fechados, permitindo a circulação pela carga externa, quando a bobina estiver desenergizada. Quando a bobina é percorrida por uma corrente, o relé abre seus contatos interrompendo a circulação de corrente pela carga externa. (figura 7).
Usamos este tipo de relé para desligar uma carga externa ao fazer uma corrente percorrer a bobina do relé.
Os relés podem também ter contatos que permitem a utilização simultânea dos contatos NA e NF ou de modo reversível, conforme mostra a figura 8.
Quando o relé está com a bobina desenergizada, o contato móvel C faz conexão com o contato fixo NF, mantendo fechado este circuito.
Energizando a bobina do relé o contato C (comum) passa a encostar no contato NA, fechando então o circuito.
Podemos usar este tipo de relé para comutar duas cargas, conforme sugere a figura 9.
A energia da fonte E passa então do circuito de carga 1 para o circuito de carga
O número de contatos NA e NF de um relé pode variar bastante, o que garante uma enorme versatilidade para este componente.
Assim, jogando com os dois contatos reversíveis, podemos fazer inversões do sentido de circulação da corrente. . Os relés podem ainda ter bobinas para operar tanto com corrente contínua como com corrente alternada. . No caso de corrente contínua, a constância do campo garante um fechamento firme, sem problemas.
No entanto, no caso do acionamento por corrente alternada, a inversão do sentido da corrente numa determinada freqüência faz com que o campo magnético apareça e desapareçam dezenas de vezes por segundo, o que leva a armadura e os contatos a uma tendência de vibração.
terminais. O tipo mais simples possui, então, 4 terminais sendo 2 para a conexão à bobina e 2 para os próprios contatos. (figura 11).
O número de terminais aumentará na proporção em que aumenta o número de contatos e estes podem ter as mais diversas aparências.
Em aplicações profissionais, onde a eventual substituição rápida de um relé deve ser feita com presteza, são usados encaixes em bases fixas. São os relés de encaixe ou plug-in. Temos ainda relés que comutam sinais de altas freqüências, e que utilizam conectores para os contatos do tipo coaxial. Este tipo de configuração é necessário para que não ocorram perdas na transferência das correntes que o relé deve comutar em seus contatos.
Reed-switches são interruptores hermeticamente encerrados em ampolas de vidro, conforme mostra a figura 13.
Duas lâminas no interior de uma ampola podem ser movidas pela ação de um campo magnético. Uma das maneiras de fazer um reed-switch fechar os contatos, encostando uma lâmina na outra, é através do campo magnético de um imã.
A outra maneira é colocar este elemento no interior de uma bobina, dando origem assim ao componente denominado reed-relé. (figura 14).
A flexibilidade da lâmina usada permite que campos magnéticos muito fracos consigam atuar sobre elas fechando os contatos, o que dá origem a relés extremamente sensíveis e compactos. No entanto, estas mesmas lâminas não suportam correntes elevadas, o que significa que, se obtemos um relé muito sensível, ele não pode operar com correntes elevadas nem tensões muito altas.
Existem aplicações em que à miniaturização do reed-relé e a sua sensibilidade tornam este componente ideal. A METALTEX possui na sua linha de relés os tipos relés reed da série RD, que podem ser montados diretamente em placa de circuito impresso.
Como acionar um relé? Que tipo de circuitos externos podem ser controlados por um relé?
Na utilização de qualquer tipo de relé num projeto é fundamental ter respostas para as duas perguntas acima, e em alguns casos para outras. Nos manuais de fabricantes de relés, como os da METALTEX, encontramos informações que permitem a avaliação do que um relé pode fazer e como deve ser usado. No entanto, é preciso saber interpretar estas informações, para que não aconteçam surpresas desagradáveis num projeto. Iniciaremos então nossas explicações pelas características elétricas dos relés.
Para que o relé seja energizado corretamente e os contatos atuem, é preciso que uma corrente de intensidade mínima determinada circule pela sua bobina. Devemos então aplicar uma tensão de determinado valor, que em função da resistência do enrolamento vai permitir que a corrente mínima determinada seja estabelecida. Na prática os relés são especificados em termos da corrente que deve passar pelo enrolamento para uma determinada tensão que é a tensão de funcionamento. Na verdade é preciso levar em conta que, para fechar o relé, precisamos de uma certa intensidade de campo magnético que puxe a armadura para perto da bobina com certa força, mas uma vez que a armadura se aproxima, o campo já não precisa ser tão forte para mantê-la junto à bobina, e com isso o relé fechado.Devemos então distinguir a tensão que aciona o relé da tensão que o mantém fechado que é muito menor.
A corrente que aciona o relé é denominada corrente de acionamento, enquanto que a corrente que o mantém fechado (muito menor) é a corrente de manutenção. Fixando a tensão que deve disparar um relé de corrente contínua, a corrente que vai circular por sua bobina é função da resistência do enrolamento, o que pode ser calculado facilmente pela lei de Ohm. Assim, se um relé for especificado para uma tensão nominal de 24 volts, quando então circula uma corrente de 20 mA (0,02 A), podemos calcular a resistência com uma simples divisão: :
R = V/IR = 24/0,02R = 1200 ohms
As características da bobina do relé de corrente contínua (resistência, corrente e tensão) ficam então perfeitamente definidas quando temos duas das três grandezas acima citadas: Se tivermos a tensão (V) e a corrente (I), calculamos a resistência (R) pela fórmula: R = V/I
Se tivermos a tensão (V) e a resistência (R), calculamos a corrente pela fórmula:
contatos, e como o desgaste ocorre nos momentos em que ocorrem as comutações, esta característica é dada em termos de abertura e fechamento do relé em milhares ou mesmo milhões de vezes. Temos ainda como especificação importante a tensão máxima que os circuitos do contato podem admitir. Esta característica é importante levando-se em conta a possibilidade de ocorrer faiscamentos ou mesmo fugas entre os contatos dado o seu afastamento na posição em aberto, se a tensão máxima for superada. Valores típicos estão na faixa dos 150 aos 250V.Como a potência controlada no circuito de carga é dada pelo produto da corrente pela tensão, em alguns casos especifica-se a potência máxima também.
Existem casos em que não se recomenda que a corrente máxima especificada para os contatos seja aplicada também com a tensão máxima. Limita-se assim a potência.
Uma outra especificação importante em certas aplicações é o tempo que o relé demora para fechar seus contatos. Existe então um intervalo de tempo mínimo indicado pelo fabricante que decorre entre a aplicação da tensão na bobina e o pleno fechamento dos contatos. Este valor varia de tipo para tipo e é dado tipicamente em milisegundos (ms). Veja então que os dois tempos devem ser levados em conta quando se deseja que o relé opere em ciclos rápidos.
Do mesmo modo, existe um tempo determinado para o desaparecimento do campo magnético na bobina a partir do instante em que a corrente é interrompida. As linhas de forças do campo magnético se contraem em velocidade limitada pela indutância da bobina, e isso influi diretamente no tempo em que os contatos demoram para abrir. (figura 15). Os fabricantes especificam também o tempo de abertura do relé em milisegundos.
Uma outra especificação importante em certas aplicações é o tempo que o relé demora para fechar seus contatos. Existe então um intervalo de tempo mínimo indicado pelo fabricante que decorre entre a aplicação da tensão na bobina e o pleno fechamento dos contatos. Este valor varia de tipo para tipo e é dado tipicamente em milisegundos (ms).Veja então que os dois tempos devem ser levados em conta quando se deseja que o relé opere em ciclos rápidos.
Estes tempos determinam a máxima freqüência que o relé pode responder. É claro que não se recomenda a utilização deste tipo de componente em aplicações que exijam a repetição de muitos ciclos de operação rapidamente, pois existe uma limitação para a vida útil dos contatos. Esta vida útil é indicada em termos de quantidade de operações, ficando tipicamente entre 250 mil e 30 milhões, conforme a corrente controlada. Finalmente devemos levar em conta a resistência dos contatos que pode ser expressa de diversas formas. Uma das maneiras consiste em se indicar a resistência de contato inicial, que é a resistência de um contato que ainda não comutou carga e, portanto, ainda não sofreu desgaste pelo faiscamento. Esta resistência é expressa em milésimos
de ohm (mohms) situando-se tipicamente entre 10 e 100. Além destas especificações todas existem outras que eventualmente podem ser necessárias nas aplicações mais críticas. Dentre elas podemos citar o isolamento entre a bobina e os contatos, a capacitância entre os contatos quando eles estão abertos, já que nestas condições podemos considerá-los como as placas de um capacitor. Temos ainda o peso do componente, a vibração, a rigidez dielétrica entre bobina e contatos e entre os contatos etc. .
Alguns pequenos cuidados no projeto de circuitos com relês podem ser importantes, tanto no sentido de se obter maior durabilidade para o componente, como de proteger os próprios componentes do circuito de acionamento. Analisemos os principais casos:
No momento em que um relé é desenergizado, as linhas de força do campo magnético da bobina, que se encontra em seu estado de expansão máxima, começam a se contrair. Nesta contração, as espiras da bobina do próprio relé são cortadas, havendo então a indução de uma tensão. Esta tensão tem polaridade oposta àquela que criou o campo e pode atingir valores muito altos.
O valor desta tensão depende da velocidade de contração do campo (di/dt) e da indutância da bobina (L). Se o componente que faz o acionamento do relé não estiver dimensionado para suportar esta tensão, se não houver uma proteção adequada, sua queima será inevitável. (figura 16).
Do mesmo modo, existe um tempo determinado para o desaparecimento do campo magnético na bobina a partir do instante em que a corrente é interrompida. As linhas de forças do campo magnético se contraem em velocidade limitada pela indutância da bobina, e isso influi diretamente no tempo em que os contatos demoram para abrir. (figura 15) Os fabricantes especificam também o tempo de abertura do relé em milisegundos.
Diversas são as técnicas empregadas para eliminar este problema, sendo a mais conhecida a que faz uso de um diodo, conforme mostra a figura 17.
O que ocorre neste caso é que o diodo está polarizado inversamente em relação a tensão que dispara o relé. Assim, quando ocorre a indução de uma
Na tabela abaixo temos algumas sugestões de circuitos para proteção dos contatos em cargas com tensões alternadas ou contínuas.
CIRCUITO APLICAÇÃO CA CC
TIPO DE CARGA OBSERVAÇÕES
Circuito RC
Mais eficaz quando conectado entre ambos os contatos e a tensão da fonte for 24V ou 48V e a tensão da carga de 100 a 200V.
Os valores de R e C podem ser selecionados da seguinte forma:
R- 0,5 a 1W por 1V da tensão de contato. C- 0,5 a 1mF por 1A da corrente que passa pelo contato.
Os valores acima podem variar dependendo das propriedades da carga e variações das características do relé. O capacitor deve ter tensão de ruptura de 200V a 300V. Para circuitos em CA os
SIM SIM
Diodo NÃO SIM O diodo conectado em paralelo com a carga faz com que a energia acumulada na bobina flua em forma de corrente e a dissipe em forma de calor devido a resistência da carga indutiva . Este circuito aumenta o tempo de desoperação se comparado com o RC.
Use um diodo com tensão reversa mínima de 10 vezes a tensão do circuito e com corrente direta maior que a corrente da carga. Em circuitos eletrônicos quando a tensão não é muito alta a tensão reversa do diodo pode ser de 2 a 3 vezes a tensão de alimentação.
Diodo e Diodo Zener
NÃO SIM É eficaz quando o tempo de não condução do diodo é muito longo.
Use um diodo zener com tensão similar a da tensão da fonte.
Varistor SIM SIM Usando a característica de tensão estável do componente, este circuito previne picos de tensão vindos da comutação dos contatos. Este circuito também aumenta o tempo de desoperação dos contatos. Mais eficaz quando conectado em ambos contatos e a tensão da fonte for 24V ou 48V e a tensão da carga de 100 a 200V.
Chamamos de drivers os circuitos que permitem excitar relés a partir de correntes ou tensões fracas demais para fazerem isso diretamente. Estes circuitos podem ser usados para aumentar a sensibilidade de um relé, permitir a operação de relés de corrente contínua a partir de sinais alternantes, modificar o tempo de resposta, ou simplesmente responder a faixas determinadas de tensões.
Este circuito permite a multiplicação por 100 da sensibilidade de um relé em termos de corrente (fig. 20).
O ganho também depende das características do transistor, podendo ser fixado tipicamente em 50 vezes através de R2. Podemos empregar este circuito com relés de 6 a 12V. Para tensões maiores, o transistor deve ser trocado por equivalente com tensão máxima entre coletor e emissor de pelo menos 50V.
O circuito apresentado a seguir tem uma sensibilidade maior ainda. Com ele podemos multiplicar por 500 a sensibilidade de um relé com tensões de trabalho de 6 a 12V ou mais. (figura 23).
Os valores dos componentes dependem das características do relé. Assim, o resistor R2 deve ser 100 vezes maior que a resistência do relé empregado, enquanto que R3 deve ter 100 vezes a resistência de R2.
Para um relé como o ML2RC1 de 65 ohms de bobina, R2 pode ser de 6k8, enquanto que R3 será de 680k.
Os transistores serão ambos 8C548 ou equivalentes, e o diodo de proteção pode ser o 1N4148 ou equivalente.
A corrente de acionamento do relé neste caso passará a ser de apenas 184 uA.
O mesmo circuito anterior, na versão com transistores PNP, é mostrado na figura 24.
Os resistores são calculados de modo análogo ao caso anterior, e a sensibilidade será multiplicada por 500. Lembramos que para estes circuitos será interessante que a tensão de alimentação seja pelo menos 2V maior que a tensão de acionamento do relé, para compensar as quedas nos transistores. A tensão de ativação dos relés nestas aplicações também fica reduzida sensivelmente: com 0,7.V aproximadamente conseguimos excitar o circuito.
Para a ativação de um relé com ganho de sensibilidade da ordem de 500
vezes, mas com sinais alternantes ou sem polaridade definida (duas polaridades têm o circuito da fig.25).
A ponte retificadora de entrada se encarrega de aplicar a polaridade certa nos transistores e, com isso, a ativação. Os valores dos resistores são calculados da mesma forma que nos circuitos 4 e 5, já que temos a mesma configuração básica.
O capacitor será necessário se o circuito tiver de ser acionado com sinais de áudio ou mesmo RF . Lembramos que existe uma barreira de potencial da ordem de 0,7 V nos diodos de silício e da ordem de 0,2 V nos de germânio a ser vencida para haver a polarização dos diodos. Como temos dois diodos neste circuito, para os tipos de silício o sinal de ativação deve ter uma amplitude mínima da ordem de 1,4 V, e para os tipos de germânio u1-1ia amplitude mínima de 0,4 V. Para tensões maiores de alimentação os transistores devem ser trocados por tipos de maior VCE. Lembramos também que neste circuito existe uma pequena queda de tensão no circuito de acionamento que deve ser compensada por maior alimentação em relação ao mínimo requerido para o disparo do relé.
A configuração mostrada na figura 26 utiliza dois transistores NPN de uso geral na configuração Darlington, com carga de coletor.
O ganho será dado aproximadamente pelo produto dos ganhos dos transistores, o que significa uma excelente sensibilidade.
Temos também como recurso importante para este circuito um ajuste de pré- polarização que leva o relé ao limiar do disparo, isso feito num potenciômetro de 1M.
Com isso, a sensibilidade obtida é enorme, devendo o circuito ser disparado com tensões contínuas.
Podemos empregar este circuito com relés de 6 ou 12V. Levando em conta a pequena queda de tensão que ocorre no transistor Q2 e no resistor R3 será conveniente que a tensão de alimentação seja 1 a 3V maior que a tensão necessária ao disparo do relé.
A resistência de entrada deste driver é da ordem de mega ohms, podendo o
Para acionamento com sinais positivos damos o circuito da figura 30.
Neste circuito é feita a troca do transistor NPN por um PNP equivalente, e as relações entre os demais componentes são mantidas.
Este circuito, com um ganho de aproximadamente 40 vezes (corrente), permite o acionamento de relés com correntes de bobina de até 500 mA e tensões até 24V. (figura 31).
A versão com transistor PNP é mostrada na figura 32.
O transistor deverá ser montado em radiador de calor e o diodo é de uso geral como o 1N . A tensão de disparo deve estar em torno de 0,7 V. O resistor de 470 ohms eventualmente deve ser aumentado em função da intensidade do sinal para limitação da corrente de base no transistor.
O circuito mostrado na figura 33 faz o disparo de um relé através de um SCR apresentando enorme sensibilidade. Os SCR da série 106 podem ser disparados com tensões entre 0,7 e 1V tipicamente e correntes da ordem de 200uA.
Deve ser observado que o SCR, após o disparo, não desliga, a não ser que a tensão entre seu ânodo e cátodo seja momentaneamente reduzida a zero. Isso pode ser conseguido com um interruptor de pressão ligado entre o ânodo e o cátodo ou então pela interrupção momentânea da corrente da fonte.
O SCR também provoca uma queda de tensão da ordem de 2V que deve ser compensada na fonte, para que o relé dispare convenientemente.
Podemos ativar relés de corrente de até mais de 1A com tensões até 48V. Para correntes acima de 500 mA será conveniente dotar o SCR de um radiador de calor.
O disparo é feito com pulsos de tensão positiva ou tensões contínuas positivas.
O circuito apresentado na figura 34 é um biestável com SCR que dispara um relé. Estando inicialmente SCR1 em condução e SCR2 em não condução, um pulso de entrada inverte esta situação, ativando o relé. Para desativá-lo bastará aplicar novo pulso.
O capacitor de 10uF de realimentação é obtido pela associação de dois eletrolíticos de 22uF em oposição. O resistor R deve ser dimensionado para que, na tensão de alimentação do circuito, tenhamos no disparo do SCR uma corrente maior que a de manutenção (Ih). Um valor típico para a corrente neste circuito é de 100mA.
Para relés que exijam correntes maiores, será conveniente dotar o SCR de um radiador de calor.
