O que significam a tensão de entrada e a tensão de liberação de um relé?

Bem-vindo ao nosso guia completo sobre os principais parâmetros elétricos do relé. Abordaremos os principais conceitos de operação do relé que são importantes para um projeto de sistema confiável.

A tensão-de pull-in também é chamada de tensão de "operação obrigatória". É a tensão mínima da bobina necessária para energizar o relé. Isso move seus contatos da posição normal para a posição acionada.

A tensão de liberação é a tensão 'deve ser liberada'. É a tensão máxima em que um relé energizado definitivamente será des{1}}energizado. Isso permite que seus contatos retornem ao estado normal de repouso.

Você deve compreender esses dois parâmetros para projetar circuitos eletrônicos previsíveis, robustos e{0}}resistentes a falhas. Este guia vai além de simples definições. Exploraremos implicações práticas, fatores ambientais que influenciam esses valores e como lê-los corretamente nas planilhas de dados.

Neste guia, abordaremos:

As definições fundamentais e a física por trás da tensão de entrada e liberação.

O conceito crítico de histerese e por que garante uma comutação estável.

Fatores-reais, como variações de temperatura e fonte de alimentação, que alteram o desempenho do relé.

Como ler e interpretar especificações de planilhas de dados para projetos de circuitos confiáveis.

Regras de design acionáveis ​​e um estudo de caso prático.

Os Fundamentos

O que é tensão-de pull-in?

A tensão-de entrada aciona a ação mecânica do relé. Quando a tensão é aplicada à bobina do relé, a corrente flui e cria um campo eletromagnético.

A tensão-de atração é o ponto específico onde a força magnética se torna forte o suficiente. Deve superar as forças opostas combinadas. Estes incluem a tensão da mola de retorno da armadura e a pressão estática dos contatos normalmente fechados.

Nesta tensão, a armadura é puxada em direção ao núcleo da bobina. Isso faz com que os contatos móveis mudem de estado. Os contatos normalmente abertos serão fechados e os contatos normalmente fechados serão abertos.

O valor em uma folha de dados é um máximo garantido. A tensão de entrada-real de qualquer unidade de relé individual pode ser menor. A folha de dados garante que o relé operará na tensão especificada ou abaixo dela. Por exemplo, "deve operar com tensão menor ou igual a 9,6 V".

Para a maioria dos relés CC padrão, a tensão-de pull-in é especificada como uma porcentagem da tensão nominal da bobina. Isso normalmente é 70% ou 80%. Para um relé comum de 12 VCC, a tensão de entrada garantida-seria especificada como menor ou igual a 9,6 VCC (80% de 12 V).

O que é tensão de liberação?

A tensão de liberação representa o limite para de{0}}atuação. À medida que a tensão através de uma bobina energizada é reduzida, o fluxo de corrente diminui. O campo magnético enfraquece.

A tensão de liberação é o ponto onde a força magnética se torna muito fraca. Ele não consegue mais segurar a armadura contra a força mecânica da mola de retorno.

Nesta tensão, a força restauradora da mola supera a atração magnética residual. Isso afasta a armadura do núcleo. Esta ação retorna os contatos ao seu estado normal, des{2}}energizado.

Assim como a tensão-de entrada, a tensão de liberação em uma folha de dados é um mínimo garantido. É garantido que o relé será liberado assim que a tensão da bobina cair para este nível ou abaixo. Uma especificação típica pode ser "deve liberar tensão maior ou igual a 1,2V".

Este valor também é frequentemente expresso como uma porcentagem da tensão nominal. Para relés CC, a tensão de liberação é comumente especificada como 10% ou mais da classificação nominal. Para um relé de 12 VCC, a tensão de liberação garantida seria maior ou igual a 1,2 VCC.

O conceito de histerese

O que a tensão de entrada e a tensão de liberação de um relé significam para uma operação estável? A tensão-de entrada de um relé é sempre significativamente maior que a tensão de liberação. Essa diferença entre os dois limites é conhecida como histerese.

Essa característica não é uma falha. É um recurso fundamental e necessário para a operação estável do relé. A histerese evita que o relé "vibre"-oscile rapidamente entre ligado e desligado-quando a tensão de controle oscila perto de um único ponto de comutação.

Imagine se as tensões de entrada e liberação fossem idênticas. Qualquer pequeno ruído ou flutuação no sinal de controle em torno desse limite único faria com que o relé ligasse e desligasse rapidamente. Isso leva a arcos de contato, desgaste prematuro e comportamento imprevisível do sistema.

O loop de histerese fornece uma zona morta. Depois que o relé for puxado, a tensão deverá cair significativamente antes de ser liberada. Isto garante uma ação de comutação limpa e decisiva.

Podemos visualizar isso com um gráfico simples que representa o estado do relé em relação à tensão da bobina.

Este gráfico mostra claramente dois caminhos separados para ligar e desligar. Eles formam um loop que representa a histerese do relé.

Fatores-reais que influenciam o mundo

Papel da temperatura da bobina

O fator mais influente que afeta as tensões de entrada e liberação de um relé-em um circuito-real é a temperatura da bobina.

A física é direta. Uma bobina de relé é enrolada com fio de cobre, que possui um coeficiente de resistência de temperatura positivo. Para o cobre, esse valor é de aproximadamente +0.4% por grau Celsius.

À medida que a temperatura da bobina aumenta, sua resistência DC aumenta. Isso acontece em um ambiente alto ou em auto-aquecimento devido à operação contínua. De acordo com a Lei de Ohm (V=IR), se a resistência (R) aumentar, uma tensão mais alta (V) será necessária para produzir o mesmo nível de corrente (I) necessária para gerar o campo magnético atuante.

À medida que a bobina fica mais quente, sua tensão de atração{0}}efetiva aumenta. Um relé que atrai de forma confiável 9 V em um laboratório de 25 graus pode exigir 11 V ou mais para puxar quando operando dentro de um gabinete quente a 80 graus.

O efeito na tensão de liberação é semelhante. Uma bobina mais quente com maior resistência significa que a tensão deve cair para um nível mais baixo para reduzir o campo magnético o suficiente para que a armadura seja liberada. Portanto, a tensão efetiva de liberação também aumenta com a temperatura.

Certa vez, investigamos uma falha de campo em que uma unidade de controle funcionou perfeitamente no laboratório (25 graus), mas não conseguiu acionar um relé de segurança crítico em um recinto externo sob o sol de verão (70 graus). O projeto forneceu uma tensão logo acima da especificação-de entrada a frio. Ele não levou em conta o aumento significativo na tensão de entrada em altas temperaturas. A solução exigiu o redesenho do circuito do driver para fornecer uma tensão de saída garantida mais alta em todas as condições térmicas.

Variações de fonte de alimentação

A fonte de alimentação de um circuito nunca é perfeita. Suas variações impactam diretamente na operação do relé. Os designers devem levar em conta essas realidades.

O primeiro é a própria tolerância da oferta. Uma fonte de alimentação classificada para “12V” geralmente é de 12V ±5% ou até ±10%. Um designer deve trabalhar com o pior-cenário. Se a alimentação puder cair para 11,4 V (-5%), essa tensão mínima ainda deverá estar confortavelmente acima da tensão de entrada máxima possível do relé, considerando os efeitos totais da temperatura.

Em segundo lugar está a queda de tensão, ou queda I*R. Os fios e traços de PCB que conectam a fonte de alimentação à bobina do relé possuem resistência. Mesmo uma pequena resistência em um fio longo pode causar uma queda significativa de tensão quando a bobina consome corrente. A tensão na bobina do relé será menor que a tensão nos terminais da fonte de alimentação. Este fator deve ser calculado e compensado no projeto.

Por fim, a ondulação de tensão é uma preocupação, especialmente em fontes de alimentação CA-CC mais simples. Se a ondulação na tensão CC for grande o suficiente, o valor mínimo da tensão poderá cair abaixo da tensão de retenção ou liberação do relé. Isso faz com que o relé vibre ou seja liberado inesperadamente. Isto é particularmente problemático para circuitos que operam perto do limite de tensão de liberação.

Impacto de supressão de bobina

Quando um transistor desliga a corrente para uma carga indutiva como uma bobina de relé, o campo magnético em colapso induz um grande pico de tensão (V=-L * di/dt). Este pico pode facilmente destruir o transistor de acionamento se não for suprimido.

O método de supressão mais comum é um diodo flyback simples colocado em paralelo com a bobina. Quando o transistor é desligado, o diodo fornece um caminho seguro para a corrente induzida circular e se dissipar. Isso protege o motorista.

No entanto, esse método tem uma desvantagem-significativa. A corrente circulante prolonga a existência do campo magnético. Isto mantém a armadura do relé no estado energizado por mais tempo. Isto aumenta drasticamente o tempo de liberação do relé.

Este atraso pode ser inaceitável em aplicações que requerem comutação rápida. Além disso, a lenta decadência do campo magnético também pode aumentar efetivamente a tensão na qual o relé finalmente é liberado.

Para aplicações onde o tempo de liberação é crítico, são necessários melhores métodos de supressão. Um diodo Zener em série com o diodo padrão, ou uma rede amortecedora de resistor-capacitor (RC), pode fornecer um caminho de decaimento mais rápido para a corrente da bobina.

Aqui está uma comparação de técnicas de supressão comuns:

A escolha do método de supressão correto é um equilíbrio entre a proteção do componente do driver e a obtenção do desempenho de liberação do relé necessário.

Aplicação Prática e Design

Lendo uma planilha de dados

Traduzir a teoria para a prática começa com a interpretação correta da ficha técnica de um relé. A seção de dados da bobina contém as especificações críticas de tensão que regem o projeto do circuito do driver.

Vamos detalhar os principais parâmetros que você encontrará.

Tensão nominal da bobina:Esta é a tensão operacional padrão pretendida para uso contínuo. O relé foi projetado para desempenho e vida útil ideais nesta tensão.

Deve operar (Pull{0}}Tensão):Isso é especificado como um valor máximo (por exemplo, menor ou igual a 9,6V). Seu circuito deve fornecer pelo menos esta tensão em todas as condições (pior-caso de baixa alimentação, temperatura máxima) para garantir a atuação.

Deve liberar tensão:Isso é especificado como um valor mínimo (por exemplo, maior ou igual a 1,2V). Para garantir que o relé seja des{4}}energizado, a tensão do estado "desligado" do seu circuito deve estar abaixo deste nível.

Tensão Contínua Máxima:Esta é a tensão mais alta que a bobina pode suportar indefinidamente sem superaquecer ou sofrer danos. Exceder isso pode reduzir drasticamente a vida útil do relé.

Abaixo está um exemplo de uma tabela de dados de bobina típica para um relé "cubo de açúcar" de 12 VCC.

Uma leitura cuidadosa é essencial. Observe que essas especificações básicas geralmente são fornecidas a uma temperatura de referência, geralmente 25 graus. Como discutimos, esses valores mudarão em diferentes temperaturas operacionais.

Estudo de caso de design: UVLO

Vamos aplicar esses conceitos a um problema prático de projeto: criar um circuito de bloqueio de subtensão da bateria (UVLO).

O objetivo é proteger uma bateria de chumbo-ácido de 12V contra descarga profunda. O circuito deve desconectar automaticamente uma carga quando a tensão da bateria cair para um nível crítico, por exemplo, 11,5V. Só deve reconectar a carga depois que a bateria for recarregada para uma voltagem mais saudável, como 12,5V.

O desafio é selecionar um relé apropriado e projetar a lógica de controle. A histerese natural de um relé parece perfeita para esta tarefa.

Nossa análise exige que o relé execute duas ações com base nos limites de tensão:

O relé develiberar(desconecte a carga) quando a tensão do sistema cair para 11,5V.

O relé devepuxar-para dentro(reconecte a carga) quando a tensão do sistema subir para 12,5V.

No processo de seleção, começaríamos procurando um relé nominal padrão de 12 VCC. As especificações da folha de dados são nosso guia principal. A tensão de liberação obrigatória deve estar bem abaixo do nosso limite de desconexão de 11,5 V. A tensão de operação obrigatória deve estar abaixo do nosso limite de reconexão de 12,5 V.

No entanto, um engenheiro profissional sabe que não deve projetar diretamente de acordo com essas especificações de-ampla tolerância. Na prática, nunca confiaríamos nas tensões imprecisas de entrada e liberação do próprio relé para definir nossos limites críticos de UVLO. A tensão de entrada e a tensão de liberação do relé têm histerese inerente que é muito variável e fortemente dependente da temperatura.

Em vez disso, usamos as especificações do relé para criar uma janela operacional segura para um circuito de disparo externo muito mais preciso. Projetaríamos um circuito comparador (usando um amplificador operacional ou um IC supervisor dedicado) com um divisor resistivo preciso para definir os limites de 11,5 V e 12,5 V. Este comparador então aciona um transistor, que por sua vez aciona a bobina do relé.

Para este projeto, nossa escolha de relé é orientada para garantir que ele não interfira em nosso circuito de precisão. Escolheríamos um relé com uma tensão obrigatória de liberação, por exemplo, maior ou igual a 1,2 V e uma tensão obrigatória de operação menor ou igual a 9,6 V. Esta janela ampla e garantida (de 1,2 V a 9,6 V) nos dá amplo espaço. Nosso circuito de precisão pode então operar de forma confiável em 11,5 V e 12,5 V, completamente imune às amplas tolerâncias e desvios térmicos do próprio relé.

Este estudo de caso mostra como as propriedades do relé são uma parte crucial do projeto do sistema. Mas eles são gerenciados e controlados por inteligência externa, em vez de serem eles próprios confiáveis.

Regras práticas de design

Para um acionamento robusto do relé, seguimos um conjunto de princípios básicos resumidos nesta lista de verificação.

Regra 1: Cuidado com as lacunas.Sempre certifique-se de que a tensão de saída mínima garantida do circuito do driver seja maior que a tensão de entrada máxima especificada-do relé. Considere a temperatura operacional mais alta possível.

Regra 2: O nível inferior é importante.Certifique-se de que a tensão de fuga no estado-desligado do driver, combinada com qualquer ruído do sistema, seja sempre menor que a tensão de liberação mínima especificada do relé. Isso evita que o relé não seja des{2}}energizado.

Regra 3: A temperatura não é sua amiga.Sempre reduza a capacidade dos cálculos de tensão para o pior-caso do ambiente térmico. Uma boa prática é orçamentar um aumento de pelo menos 20{3}}25% na tensão de entrada ao passar de um ambiente de laboratório de 25 graus para uma aplicação industrial quente de 85 graus.

Regra 4: Dirija com autoridade.Nunca acione uma bobina de relé diretamente de um pino de E/S de microcontrolador padrão. Esses pinos têm capacidade limitada de fornecimento de corrente e alta impedância de saída. Use um driver dedicado, como um BJT ou MOSFET, que possa fornecer energia limpa e de baixa{2}}impedância à bobina.

Regra 5: Suprima com sabedoria.Um diodo flyback na bobina é o requisito mínimo para proteger o driver. Se seu aplicativo for sensível ao tempo de liberação, invista os componentes extras em um diodo Zener-ou solução de amortecedor RC.

Considerações Avançadas

Relés de travamento

É importante diferenciar os relés sem{0}}travamento padrão dos relés com trava, que operam em um paradigma diferente.

Ao contrário de um relé-não travado que requer energia contínua da bobina para manter seu estado, um relé travado é biestável. Ele muda de estado com um breve pulso de tensão e depois permanece nesse novo estado com consumo zero de energia.

Esses relés não têm uma tensão de entrada-ou de liberação tradicional. Em vez disso, suas folhas de dados especificam um pulso de tensão definida para mover os contatos para a posição energizada e um pulso de tensão de reinicialização (geralmente em uma bobina separada) para retorná-los à posição normal.

O principal benefício é uma imensa economia de energia. Isso torna os relés de travamento ideais para aplicações-alimentadas por bateria ou sensíveis à energia-em que um estado deve ser mantido por longos períodos.

Bobinas AC vs. DC

Os princípios discutidos neste guia aplicam-se principalmente a relés de bobina-CC. Os relés de bobina-CA são projetados de maneira diferente.

A operação de uma bobina CC é governada por sua resistência CC e pela corrente resultante. A operação de uma bobina CA, entretanto, é baseada na sua impedância na frequência de linha especificada (por exemplo, 50 Hz ou 60 Hz).

As bobinas CA geralmente incorporam um anel de sombreamento ou bobina de sombreamento. Esta é uma única espira de cobre em curto-circuito embutida na face do núcleo. Ele cria um fluxo magnético atrasado que mantém a armadura assentada durante os cruzamentos de zero-da onda senoidal CA. Isso evita zumbidos audíveis e conversas de contato.

Conseqüentemente, suas especificações de tensão de entrada e liberação são fornecidas em Volts CA (VAC) e devem ser avaliadas dentro do contexto da estabilidade da fonte de alimentação CA.

Conclusão: a base do controle confiável

A tensão-de entrada e liberação são mais do que apenas números em uma folha de dados. Eles definem a janela operacional fundamental de um relé eletromecânico. A histerese criada pela lacuna entre esses dois limites é a chave para garantir uma comutação limpa, estável e{3}}livre de vibrações.

No entanto, um projeto bem-sucedido deve ir além desses valores estáticos de-temperatura ambiente. A mensagem central deste guia é que um circuito robusto deve levar em conta os fatores dinâmicos-do mundo real que afetam diretamente o desempenho do relé. Isto inclui especialmente os efeitos significativos da temperatura da bobina e das variações da fonte de alimentação.

Indo além da folha de dados do componente e considerando todo o sistema,-desde a fonte de energia e o circuito de acionamento até o ambiente térmico,-os engenheiros podem gerenciar adequadamente esses parâmetros críticos. Essa abordagem nos permite aproveitar as características fundamentais dos relés para construir circuitos de controle que não sejam apenas funcionais em uma bancada de laboratório, mas que sejam verdadeiramente confiáveis ​​em campo.

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