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Tudo Sobre Relés (livro
completo)
Escrito por Newton C. Braga
Índice do Artigo Tudo Sobre Relés (livro completo) Os relés na prática Reed relés Características elétricas do relé Como usar um relé Circuitos práticos Todas as Páginas
Conheça o funcionamento deste componente que é um dos mais antigos e mais utilizados nos dias atuais, veja também os diversos drivers de acionamento que podemos fazer utilizando um relé.
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 eletroimã 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, mfechados 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,
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 relé, o que significa que não há passagem de qualquer corrente do circuito que ativa o relé para o circuito que ele controla. Se o circuito controlado for de alta tensão, por exemplo, este isolamento pode ser importante em termos de segurança.
Do mesmo modo, podemos controlar circuitos de características completamente diferentes usando relés: um relé, cuja bobina seja energizada com apenas 6 ou 12V, pode perfeitamente controlar circuitos de tensões mais altas como 110V ou 220V. O relé que tomamos como exemplo para analisar o funcionamento possui uma bobina e um único contato que abre ou fecha. Na prática, entretanto, os relés podem ter diversos tipos de construção, muitos contatos e apresentar características próprias sendo indicados para aplicações bem determinadas. Analisemos como são construídos na prática os relés:
2. OS RELÉS NA PRÁTICA
O que determina a utilização de um relé numa aplicação prática são suas características. O entendimento dessas características é fundamental para a escolha do tipo ideal. A bobina de um relé é enrolada com um fio esmaltado cuja espessura e número de voltas são determinados pelas condições em que se deseja fazer sua energização. A intensidade do campo magnético produzido e, portanto, a força com que a armadura é atraída depende tanto da intensidade da corrente que circula pela bobina como do número de voltas que ela contém. Por outro lado, a espessura do fio e a quantidade de voltas determinam o comprimento do enrolamento, o qual é função tanto da corrente como da tensão que deve ser aplicada ao relé para sua energização, o que no fundo é a resistência do componente. Todos estes fatores entrelaçados determinam o modo como a bobina de cada tipo de relé é enrolada. De um modo geral podemos dizer que nos tipos sensíveis, que operam com baixas correntes, são enroladas milhares ou mesmo dezenas de milhares de voltas de fios esmaltados extremamente finos, alguns até mesmo mais finos que um fio de cabelo! (figura 5).
As armaduras dos relés devem ser construídas com materiais que possam ser atraídos pelos campos magnéticos gerados, ou seja, devem ser de materiais ferromagnéticos e montadas sobre um sistema de articulação que permita sua 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:
2.1 Contatos NA ou Normalmente Abertos Os relés são dotados de contatos do tipo normalmente abertos, quando estes permanecem desligados até o momento em que o relé seja energizado. Quandoo 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.
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 2. 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 desapareça dezenas de vezes por segundo, o que leva aarmadura e os contatos a uma tendência de vibração. Para evitar este problema técnicas especiais de construção são usadas, sendo que a mais eficiente consiste na colocação numa das metades do núcleo da bobina de um anel de cobre. Neste anel é então induzida uma forte corrente que cria um segundo campo magnético, o qual divide o campo principal em dois fluxos defasados. Assim, não existe um instante em
que o campo seja nulo, quando a armadura pode "descolar", e com isso causar as vibrações. Por este motivo, os relés usados em corrente contínua não são os mesmos empregados em circuitos de corrente alternada.
2.4 Reles abertos, fechados e selados Dependendo das aplicações, temos ainda para os relés montagens diferentes do conjunto de peças que o formam. Os relés podem ser abertos, ou seja, sem proteção, se forem usados em equipamentos fechados, que não estejam sujeitos a poeira, umidade ou outros elementos que prejudiquem o componente. Temos também relés fechados mas sem vedação alguma que são utilizados na maioria das aplicações comuns. Estes relés possuem coberturas de materiais diversos, como por exemplo o plástico que pode ser opaco ou transparente. Existem ainda os relés herméticos que são encerrados em invólucros que impedem a penetração de ar do meio ambiente. Em especial estes relés são empregados em aplicações que ficam em atmosferas combustíveis, já que o acionamento dos contatos pode ser acompanhado de faíscas que causariam a ignição do combustível e com isso o perigo de explosão.
A METALTEX possui na sua linha de produtos relés os três tipos com as mais diversas especificações adicionais.
Esta proteção evita que a poeira se acumule principalmente nos contatos, vindo a prejudicar o funcionamento do relé. (figura 10)
2.5 Ligação dos relés ao circuito externo Outro fato importante na construção de um relé é a maneira como ele vai ser ligado ao circuito externo. Para esta finalidade, os relés são dotados de
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 a 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.
4. CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS DOS RELÉS
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.
4.1 Características da bobina 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:
I = V/R
Finalmente, se tivermos a corrente (I) e a resistência (R), calculamos a tensão (V) pela fórmula:
V = R x I
Veja que estas tensões são "valores nominais", ou seja, aqueles que são recomendados numa operação normal. Na prática o relé pode fechar seus contatos com tensões menores, mas este fator deve, ser levado em conta quando se desejar máxima confiabilidade do componente.Os valores superiores também são admitidos, apenas até certo limite. Se a aplicação de uma tensão num circuito que tenha uma certa resistência, como a bobina de um relé, significa a produção de calor, temos aí um motivo claro da limitação. As bobinas podem dissipar apenas uma quantidade definida de calor, que não deve ser superada. Os fabricantes de relés indicam então qual é a porcentagem acima da tensão nominal que pode ser aplicada no máximo na bobina de um relé sem o perigo de haver aquecimento. Valores típicos estão entre 10 e 15% acima da tensão nominal.Resumindo: as características elétricas da bobina de um relé, que devem ser levadas em conta num projeto, são:
Tensão nominal, tensão de operação e tensão máxima de trabalho
Corrente nominal
Resistência ôhmica
Potência nominal dissipada
4.2 Características dos contatos Além do número de contatos e o tipo, devemos também conhecer características elétricas desses contatos, para utilizá-los sem problemas em qualquer projeto. A primeira característica que nos interessa é a corrente máxima que podem controlar. A abertura e fechamento dos contatos de um relé exige um certo tempo, o que significa que nos pontos de aproximação máxima podem ocorrer arcos, ou seja, pequenas faíscas quetendem a queimá-los com o tempo.Estas faíscas são mais intensas quando se comuta um circuito indutivo como por exemplo um transformador, um motor, um solenóide etc. A superfície dos contatos determina, por outro lado, a intensidade máxima da corrente que pode ser controlada. Estes dois fatores devem ser levados em conta na utilização de um relé. Assim, temos a especificação da corrente máxima que cada contato pode controlar tanto em circuitos resistivos como indutivos.
Evidentemente, a corrente máxima num circuito resistivo é sempre maior que a permitida para um circuito indutivo.Alguns recursos permitem a proteção dos contatos com o prolongamento de sua vida útil,na comutação e controle de cargas indutivas "amortecendo" as faíscas, mas isso será visto posteriormente. A vida útil de um relé está basicamente determinada pela durabilidade dos 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
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:
5.1 Proteção do circuito de acionamento No momento em que um relé é desenergizado, as linhas de força do campo magnético da bobina, que se encontram 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 alta tensão nos extremos da bobina no momento da interrupção da corrente, o diodo polarizado no sentido direto passa a ter uma baixa resistência absorvendo assim a energia que, de outra forma, poderia afetar o componente de disparo.
Outra técnica, menos comum dado o custo do componente, é a que faz uso de um varistor ligado em paralelo com a bobina do relé, conforme mostra a figura 18.
O varistor ou VDR é um componente, normalmente de óxido de zinco que apresenta uma característica não linear de corrente versus tensão, conforme mostra a curva da mesma figura. Quando a tensão supera certo valor a resistência do componente cai abruptamente. Esta propriedade pode ser usada para absorver a corrente no instante em que o relé é desenergizado e que poderia causar problemas aos componentes de disparo. A tensão do VDR ou Varistor deve ser escolhida de tal modo a ser maior que a tensão de disparo do relé, porém menor que a tensão máxima suportada pelo elemento usado no disparo. A utilização de um capacitor + resistor em paralelo com a bobina é também um meio de proteção, mas que nem sempre é recomendado, dada a velocidade com que ocorre a comutação.
5.2 Proteção dos contatos Além da observação das limitações de corrente e tensão que devem aparecer nos contatos de um relé, existem alguns cuidados adicionais que podem prolongar sua vida e, com isso, a vida do próprio relé. Na comutação de cargas indutivas é conveniente agregar-se ao circuito elementos de proteção contra faiscamento. Na figura 19 temos um diodo usado em paralelo com a carga indutiva de modo que seja evitado o aparecimento de altas tensões nos contatos na sua abertura.
6. CIRCUITOS PRÁTICOS - DRIVERS
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.
6.1. Driver de 1 transistor Este circuito permite a multiplicação por 100 da sensibilidade de um relé em termos de corrente (fig. 20).
O que temos é um seguidor de emissor, onde os valores dos resistores empregados dependem das características do relé e do transistor. Este circuito pode operar com relés tanto de 6 como de 12V para correntes de acionamento de até 100 mA. A resistência R deve ser 100 vezes a resistência da bobina do relé para um ganho de 50 vezes.
R1 funciona como limitador da corrente de entrada. A resistência da entrada deste circuito ficará multiplicada pelo ganho. Assim, se o relé tem uma resistência de 100 ohms em um acionamento com 6V, com este circuito, ele passará a representar uma resistência de 5 000 ohms. Podemos usar qualquer transistor de silício de uso geral com o ganho superior a 50 e corrente de coletor máxima de 100 mA ou mais. Tipos recomendados são os BC547 e
equivalentes. Observe a utilização de um diodo de proteção em paralelo como relé. A capacidade de corrente do circuito controlado vai depender das características de contato do relé empregado.
6.2. Driver de 1 transistor PNP As características do circuito dado a seguir são as mesmas do anterior, com a diferença que usamos um transistor PNP. Temos então uma mudança de todas as polaridades. (figura 21) Como exemplos de transistores que podem ser usados nesta aplicação temos os seguintes: BC557, BC558, 8C559, BC177.
6.3. Driver para C.A. Os dois circuitos anteriores podem ser usados para excitar relés a partir de sinais de correntes alternadas áudio ou RF) com a utilização de uma ponte de diodos. Esta ponte também permite que sinais de qualquer polaridade seja usados no disparo do relé. (figura 22)
O capacitor é usado no caso de sinais de áudio ou RF, enquanto que para simples disparo com inversão de polaridade ele pode ser eliminado. 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.
6.4. Driver de alto ganho com 2 transistores NPN 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).
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.
6.7. Driver Darlington 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 mesmo ser disparado com baixíssimas correntes. Uma ponte de diodos na entrada permite sua atuação com sinais alternantes ou sem polaridade definida. O capacitor C1 influi no retardo ao disparo e também na filtragem de eventuais transientes que possam causar um disparo errático do relé.
6.8. Driver complementar 700mV x 50mA O driver apresentado permite o disparo de um relé de 6 a 12V com uma corrente de apenas 50 uA e tensão de 700 mV. São usados dois transistores, um PNP e um NPN. O relé pode ser de qualquer tipo com corrente até 100 mA e tensão da mesma ordem do que a usada na alimentação. (figura 27)
O resistor R1 serve de limitador de corrente, e R2 determina a polarização em repouso de Q1. Com a condução de Q1, o transistor Q2 é polarizado na saturação, energizando assim a bobina do relé. Para tensões maiores do que 15V alterações nos valores dos componentes devem ser feitas e Q2 trocado por um equivalente de maior VCE. Uma ponte de diodos na entrada permite a ativação com sinais sem polaridade ou alternantes.
6.9. Driver complementar inverso Na figura 28 temos o circuito equivalente ao anterior, mas com polaridade inversa.
