Neste artigo, discutimos a fórmula e as técnicas de configuração de redes de circuitos RC para controlar o arco entre os contatos do relé durante a comutação de cargas indutivas pesadas.
Supressão de arco
Um arco é produzido através dos contatos quando uma chave ou um relé é aberto. Com o tempo, essa condição pode desgastar os contatos.
Para superar esse problema, um resistor/capacitor ou circuito RC é implantado nos contatos e os protege. Uma vez que os contatos estão abertos, a tensão aplicada passa pelo capacitor e não pelos contatos.
Durante o processo, o capacitor carrega mais rápido do que o tempo de abertura dos contatos, o que eventualmente evita a formação de um arco entre os contatos.
Supressão de Corrente de Inrush
Quando os contatos se fecham, a corrente de energização do capacitor carregado e a tensão de alimentação podem ser significativamente maiores do que as classificações dos contatos, fazendo com que eles piorem.
Para evitar isso, um resistor é introduzido em série com o capacitor. Funciona como um limitador de corrente absorvendo a corrente de inrush significativamente reduzindo assim o arco produzido e prolongando a vida útil dos contatos.
CC Bates desenvolveu uma fórmula para calcular o valor de resistência e capacitância necessário para a rede RC: C = eu2 /10, e Rc= Vo/[10I{1+(50/Vo)}]
A tensão induzida na abertura do contato pode ser determinada por
V=IRc= (Rc/RL) Vo
- Onde VO = Fonte de tensão
- I = Corrente de carga na abertura do contato
- RC = Resistência do RC Snubber
- C = Capacitância do RC Snubber
- Reu = Resistência de Carga
Em nossos exemplos a seguir, falamos sobre os problemas de arco do relé reed e tentamos avaliar os cálculos necessários para projetar redes RC em seus contatos.
Como o princípio de arco pode ser o mesmo em relés maiores também, as fórmulas usadas no relé reed também podem ser aplicadas para dimensionar as redes RC para os relés maiores.
Como o arco acontece na comutação do relé de palheta
Um interruptor reed ou sensor reed pode ser usado para controlar um dispositivo indutivo como uma bobina de relé, solenóide, transformador, pequeno motor etc.
Quando o interruptor reed abre, a carga armazenada na indutância no dispositivo forçará os contatos do interruptor a uma alta tensão. Uma vez que o interruptor se abre, a abertura de contato é pequena no início.
Portanto, o arco entre a folga do contato pode acontecer quase imediatamente enquanto a chave está apenas abrindo.
O fenômeno pode ocorrer tanto em cargas resistivas quanto indutivas, mas como estas últimas produzem uma tensão mais alta, o aumento da atividade de arco é observado, reduzindo assim a vida útil da chave.
Um diodo é normalmente usado pelos circuitos indutivos DC para evitar alta tensão. Esse tipo de diodo é chamado de diodo flyback, freewheeling ou catch.
Infelizmente, a aplicação deste diodo não é possível em circuitos AC.
Portanto, devemos usar um varistor de óxido de metal (MOV), um diodo supressor de tensão transitória bidirecional (TVS) ou uma rede de supressão RC, também conhecida como snubber.
Essas diversas abordagens de supressão de arco têm muitos prós e contras. Não usar a supressão também é uma opção se a vida útil do contato do relé não for afetada sem ela.
Os muitos fatores que determinam qual abordagem precisa ser realizada incluem custo, vida útil do contato, embalagem etc.
A razão fundamental para os projetos de circuitos de supressão de faíscas é minimizar a formação de arco e o ruído gerado ao acionar relés e interruptores.
Considerações de Projeto RC
Usando fonte DC com diodo supressor TVS:
Os diodos MOV e TVS conduzem corrente quando uma tensão limite é ultrapassada.
Normalmente, esses diodos são conectados em paralelo ao contato da chave. Mesmo em baixas tensões como 24 VCA, esses dispositivos são capazes de funcionar com eficiência.
Além disso, eles também podem funcionar bem em cargas de indutância mais alta de 120 VCA. Em comparação com os diodos TVS, os dispositivos MOV têm capacitância adicional.
Assim, quando um dispositivo MOV é utilizado, deve-se considerar a capacitância a ser utilizada. A nota de aplicação Hamlin descreve melhor este cenário.
Usando Diodo TVS Bidirecional
A supressão RC teve a vantagem por limitar a tensão de contato da chave exatamente durante a abertura da chave quando a folga do contato é pequena.
Além disso, a supressão RC pode ser implementada para diminuir a formação de arco e melhorar a vida útil em cargas resistivas.
Em um circuito de supressão RC, uma rede de capacitores e resistores conectados em série é montada no contato da chave em uma conexão paralela.
Outra opção é colocar o capacitor e o resistor na carga.
Embora a conexão do amortecedor RC no contato da chave seja ideal, há uma enorme desvantagem porque isso cria um caminho de corrente para a carga quando a chave está aberta.
Se o amortecedor estiver instalado na carga, ele elimina a corrente. No entanto, alterações nas conexões e na impedância da fonte podem afetar a eficiência da supressão do arco.
Aplicando RC Snubber Paralelo com o Contato do Comutador
No snubber, os valores do resistor e do capacitor são dependentes do requisito.
O resistor escolhido deve ter um valor alto o suficiente para restringir a corrente de descarga capacitiva quando os contatos da chave fecham. Ao mesmo tempo, deve ser pequeno o suficiente para restringir a tensão quando os contatos da chave abrem.
Se você escolher um valor de capacitor grande, certamente diminuirá o impacto da tensão enquanto os contatos da chave abrem.
Mas um capacitor maior pode ser caro e pode causar maior energia de descarga capacitiva durante o tempo em que os contatos da chave fecham. Este tipo se aplica a circuitos CC e CA.
Usando RC (Snubber) Supressão Paralela com a Carga
A lei de Ohm é aplicada para escolher o valor do resistor mais adequado para a supressão do arco.
Na lei de Ohm R = V/Iaplicamos a fórmula R = 0,5 (Vpk / EUSO) e R = 0,3 (Vpk / EUSO)Onde Vpk é a tensão de pico AC (1.414 Vrms) e euSO é a corrente nominal de comutação do contato do relé).
Para diminuir a degradação do contato devido ao arco, temos que garantir que o valor R seja mínimo. Por outro lado, o valor R deve ser aumentado para diminuir o arco do contato do relé devido à corrente de partida.
Determinar o valor de R entre esses cenários é o desafio.
Você pode começar com C = 0,1μF ou 100 nF, ao selecionar o capacitor porque este é o valor padrão e, portanto, econômico. Dependendo do exame de desempenho deste capacitor, você pode aumentá-lo até que a capacitância seja suficiente.
Existem vários métodos para avaliar o desempenho dos valores de amortecimento escolhidos. Alguns podem ser realizados apenas por cálculo ou simulação. No entanto, as características resistivas e indutivas da carga podem parecer indefinidas.
Isso é causado em grande parte pela indutância das cargas eletromecânicas que flutuam quando os componentes mudam de posição.
É uma boa prática examinar a forma de onda de tensão nos contatos da chave por meio de um osciloscópio, especialmente durante a abertura dos contatos. O sistema de amortecimento deve aliviar ou pelo menos minimizar o arco que ocorre quando os contatos abrem e fecham.
A tensão crescente não deve reiniciar o arco do contato. Além disso, a tensão máxima através do capacitor no snubber não deve ser maior do que sua tensão nominal.
Ainda outra maneira de descobrir se o snubber está funcionando corretamente para uma chave reed é observar a folga do contato da chave e inspecionar a radiância da luz produzida pelo arco.
Se houver menos luz, isso significa que a energia que gera o arco é pequena e, portanto, garante uma vida útil mais longa.
O método final e mais preciso de examinar o desempenho do snubber é realizar um teste de vida.
A vida útil do contato é diretamente proporcional ao número de ciclos de comutação e não ao número de horas energizadas e não energizadas.
É aconselhável manter o número máximo de operações por segundo para testes de vida útil de cargas de arco é de cerca de 5 a 50 operações por segundo.
Isso é cerca de 5 a 50 Hz de frequência máxima. O número de testes que você pode realizar depende da carga elétrica e da diferença entre conveniência e precisão.
Quando você precisar descobrir as especificações dos componentes do amortecedor, você deve considerar algumas outras coisas além da inspeção descrita da avaliação do arco, maior tensão e vida útil do capacitor.
É fundamental que quando um contato de chave é aberto, a corrente flua através do circuito snubber.
Você deve garantir que esta corrente não cause problemas à aplicação do snubber. Além disso, é essencial confirmar que a dissipação de potência no resistor do snubber não supera sua potência nominal.
Mais um pensamento é que um circuito RC snubber pode ser utilizado em combinação com um diodo TVS bidirecional de MOV.
Um snubber RC pode ser um circuito altamente eficiente na limitação da tensão inicial nos contatos do relé de abertura, enquanto o TVS ou o MOV podem ser uma alternativa mais eficiente para restringir as tensões de pico de pico.
Referências:
https://www.homemade-circuits.com/wp-content/uploads/2020/10/RC-snubber.pdf
https://www.homemade-circuits.com/wp-content/uploads/2020/10/spark_suppression_compressed.pdf
https://m.littelfuse.com/~/media/electronics/application_notes/reed_switches/littelfuse_magnetic_sensors_and_reed_switches_induction_load_arc_suppression_application_note.pdf.pdf
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FONTE
Nota: Este conteúdo foi traduzido do Inglês para português (auto)
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