Os relés são comumente usados para fins de comutação. Existem muitos tipos de relés, como relés eletromagnéticos, relés térmicos, relés reed, relés de estado sólido e relés híbridos. Um relé é basicamente uma chave mecânica operada eletronicamente, destinada a ser usada para comutação. Os relés eletromagnéticos também são de vários tipos, como relé do tipo atração, relé do tipo indução e relé de travamento magnético. Este tutorial trata dos relés de travamento magnético que devem ser usados para comutar a carga entre duas fontes de energia CC. A mudança de uma fonte CC para outra leva algum tempo, por isso corta o fornecimento à carga por um curto período de tempo. Este tutorial discute como reduzir o tempo de comutação, para que a carga não sofra nenhuma interrupção durante a fase de transição do relé.
Componentes necessários –
Figura 1: Componentes necessários para o Redutor de Tempo de Comutação do Relé
Conexões de Circuito –
Um relé do tipo travamento é usado. O relé destina-se a alternar entre duas fontes de energia. Ambas as fontes de alimentação são consideradas 12V. Portanto, uma bateria de 12V pode ser usada como fonte de energia. A energia das baterias é regulada para 5V DC usando 7805 IC. Para isso, a alimentação de entrada é aplicada no pino 1 do IC e o pino 2 é aterrado. A energia é então extraída do pino 3 do IC. Existem dois ICs 7805 usados no circuito para regular a fonte de alimentação das duas fontes. Uma das fontes de alimentação regulada está conectada ao ponto Normalmente Aberto (NA) do relé, enquanto a outra entrada de energia regulada está conectada ao ponto Normalmente Fechado (NC) do relé. Uma resistência de carga (mostrada como R1 no diagrama de circuito) é conectada ao ponto comum (C) do relé. Para comutação rápida da resposta do relé, um capacitor (mostrado como capacitor C5) é conectado em paralelo à carga R1.
Ao montar o circuito, as seguintes precauções devem ser tomadas –
1. Não exceda o limite de tensão de entrada do IC regulador de tensão, pois isso pode danificar o IC. Confira a folha de dados do IC para referência.
2. A tensão nominal da alimentação CC de entrada (12 V neste circuito) deve ser maior que a tensão de saída máxima necessária. Isso se deve ao fato do IC 7805 sofrer queda de tensão em torno de 2V.
3. A tensão usada para energizar o relé (12V neste circuito) deve ser igual ou maior que a tensão nominal do relé. Caso contrário, o relé não será ativado.
4. Sempre use o capacitor na entrada do regulador IC (como os capacitores C1 e C3 no diagrama de circuito), pois ele pode lidar com o ruído da rede elétrica e reduzir as ondulações indesejadas. Use também um capacitor cerâmico (como os capacitores C2 e C4 no diagrama de circuito) em paralelo com um capacitor polarizado de alto valor. Isso diminuirá a ESR geral.
5. Os capacitores usados no circuito devem ter uma classificação de tensão mais alta que a tensão de alimentação de entrada. Caso contrário, os capacitores podem começar a vazar corrente devido ao excesso de tensão em suas placas e explodir.
6. Os diodos D1 e D2 devem ser usados como diodo de proteção para que possam evitar que o capacitor externo C5 seja descarregado através dos CIs reguladores de tensão durante um curto-circuito de entrada. Isso salvará os ICs 7805 da contracorrente.
7. Um diodo Flyback (mostrado como Diodo D3 no diagrama do circuito) deve ser usado no relé para evitar qualquer contracorrente no circuito.
8. Use um watt apropriado de resistor como carga para evitar qualquer dano ao resistor.
9. Se uma corrente alta tiver que ser consumida na saída, os CIs reguladores de tensão aquecerão. Portanto, monte um dissipador de calor adequado nos CIs reguladores para dissipar o excesso de calor.
Fig. 2: Protótipo de relé de travamento magnético de comutação rápida
Como funciona o circuito –
O tipo de relé em consideração são os relés de travamento magnético. Neste tipo de relé, o pino comum (C) permanece no pino Normalmente Fechado (NC) quando seus pinos de entrada não estão energizados. Quando a energia é fornecida ao pino de energização ou ao pino de entrada do relé, o relé é ativado. O pino comum do relé é então comutado para o pino Normalmente Aberto (NO) e leva algum tempo para mudar do pino NC para NO ou vice-versa.
Nos circuitos inversores este relé é utilizado para comutar a carga de uma fonte de alimentação para outra. Nossa fonte de alimentação de 12 V energiza o relé e também fornece entrada para o IC 7805 (mostrado ao longo do diodo D1 no diagrama do circuito). Neste estado, a carga é conectada ao IC 7805. Sempre que a alimentação de entrada de 12 V é interrompida, o relé é desenergizado. Agora a carga é conectada ao outro IC 7805 (mostrado ao longo do diodo D2 no diagrama de circuito), que é alimentado por outra fonte de 12 V, mas a carga sofre alguma interrupção ao mudar de um IC 7805 para outro. Isto corta a alimentação da carga por um curto período de tempo que é igual ao tempo de comutação do relé. Mas este tempo de comutação pode ser reduzido pelo uso de capacitores.
Um capacitor tem principalmente duas funções básicas. A função mais conhecida dos capacitores é filtrar o sinal DC de picos e ondulações de tensão indesejados. Portanto, esses tipos de capacitores são chamados de capacitores de filtragem. Outra função do capacitor que é de grande importância, mas menos discutida, é o uso do capacitor como reservatório. O termo reservatório explica tudo sobre isso. Como o capacitor armazena alguma carga, essa carga acumulada pode fornecer alguma energia. Portanto, o capacitor também é usado para reter carga elétrica ou para atuar como fonte de energia. Devido a esse fato, o capacitor utilizado como reservatório de carga é denominado capacitor reservatório.
Para comutação rápida dos relés, pode-se usar um capacitor reservatório que pode lidar com respostas transitórias rápidas na saída. Este capacitor, se estiver conectado em paralelo à carga, armazenará alguma carga. A carga armazenada pode então ser usada para fornecer energia extra à carga durante o período de transição do relé de NA para NC ou vice-versa. Portanto, um capacitor é usado em paralelo à carga (mostrado como resistência R1 no diagrama do circuito). O valor do capacitor de reservatório necessário pode ser calculado da seguinte forma –
Corrente máxima consumida pela carga (I)
Isso pode ser calculado usando a lei de ohms.
V = I*R
Onde
V = tensão de saída
I = corrente consumida pela carga
R = resistência de carga
No circuito, uma carga de 50 ohms é usada, então a corrente máxima consumida pela carga é
Eu = V/R
Eu = 5/50
Eu = 100mA
Tensão máxima de ondulação na saída (dv)
A tensão de ondulação máxima é a mudança de tensão máxima permitida na saída para a qual o capacitor é capaz de cumprir a tensão desejada na saída.
No circuito, assume-se que a tensão de ondulação máxima é de 100 mV. Então,
dv = 100mV
Tempo de resposta transitória do capacitor (dt)
Este é o período de tempo durante o qual a energia para a carga deve ser fornecida através do capacitor. Este tempo transitório deve ser igual ao tempo de comutação do relé para que possa ser compensado pelo uso do capacitor.
Para cálculo do tempo de chaveamento do relé, a forma de onda de saída da carga (sem uso de capacitor) pode ser observada no CRO. Uma forma de onda conforme mostrada abaixo é observada –
Fig. 3: Gráfico mostrando o tempo de comutação do relé em condições normais
Como pode ser visto na forma de onda acima, em um ponto a tensão na carga é zero. Portanto este tempo de comutação deve ser reduzido pelo uso de capacitor. Conforme observado no CRO, o tempo de comutação do relé é em torno de 3ms.
Portanto, usando os valores acima de corrente de carga máxima (I), tensão de ondulação máxima (dv) e tempo de resposta transitória (dt), o valor do capacitor necessário para reduzir o tempo de comutação pode ser calculado da seguinte forma –
Eu = C*(dv/dt)
Onde,
Tensão de ondulação máxima permitida, dv = 100mV
Tempo de resposta transitória, dt = 3ms
Corrente desejada na saída, I = 100mA
C = Capacitância
Colocando todos os valores,
C = (0,1*0,003)/0,1
C = 3mF
De acordo com a disponibilidade, três capacitores de 1000uF conectados em paralelo podem ser usados para perfazer 3mF no total.
Testando o Circuito –
Depois de conectar um capacitor de 3 mF em paralelo com a carga e observar a forma de onda de saída no CRO, a seguinte forma de onda de tensão é observada –
Fig. 4: Gráfico mostrando o tempo reduzido de comutação do relé após conectar o capacitor do reservatório
Este gráfico mostra claramente que o tempo de comutação do relé é agora insignificante e nem pode ser medido. Agora a carga não sofrerá nenhum tipo de descontinuidade no fornecimento de energia e receberá sempre uma alimentação de tensão constante.
Limitação do método do capacitor –
Como todo circuito tem alguma falha junto com suas vantagens. Existem algumas desvantagens deste circuito também. Como visto para consumir apenas corrente de 100mA, o valor do capacitor necessário é de 3 mF, o que é muito grande. Se for necessário consumir uma corrente alta, o valor do capacitor necessário será muito grande. Então isso torna o circuito caro. Além disso, os capacitores de alto valor não estão facilmente disponíveis.
No próximo tutorial, aprenda como testar o MOSFET.
