Una tendencia natural de todo proyectista que excita una carga inductiva como un solenoide o la bobina de un relé es agregar un circuito supresor para proteger el dispositivo semiconductor utilizado contra picos de tensión en la conmutación. Sin embargo, lo que tal vez muchos no sepan es que estos circuitos pueden ayudar a proteger el dispositivo conmutador, pero influyen sensiblemente en la vida útil y en el rendimiento de un relé. Vea en este artículo porque esto ocurre, según informaciones de Tyco.
La desenergización de un relé está acompañada de diversos fenómenos que deben ser cuidadosamente analizados para que entendamos cómo esto puede influir en su vida útil.
Cuando la bobina de un relé es desenergizada el flujo magnético en su núcleo decae hasta el punto en que la fuerza del muelle que activa los contactos supera la fuerza de atracción del núcleo. En este instante comienza la apertura de la armadura.
A medida que la armadura se mueve, la fuerza del muelle es reducida gradualmente por su contracción, lo que significa que no se trata de un proceso lineal. La fuerza de apertura y fuerza del campo magnético varía simultáneamente en un proceso dinámico que también depende de la eventual existencia de un circuito externo.
Pero, el fenómeno más importante observado es el eléctrico: con la reducción gradual del flujo, y el movimiento de la armadura, a medida que la corriente en la bobina disminuye, una tensión inversa que puede llegar a cientos de volts es inducida. En la figura 1 tenemos una visualización en un osciloscopio de lo que ocurre.
Los procesos utilizados normalmente para proteger los dispositivos conmutadores en serie con las bobinas de los relés se basan en técnicas de amortiguación de la tensión generada por la contracción del campo magnético.
Se utilizan normalmente dispositivos que cortocircuitan esta tensión forzando la corriente en la bobina a disminuir rápidamente y con ella el flujo magnético. La técnica más común, que normalmente empleamos por la facilidad de implementación, consiste en la conexión en paralelo con la bobina de un diodo, como muestra la figura 2.
El diodo polarizado en sentido inverso no afecta la tensión que energiza la bobina, sino que funciona como un corto para la tensión inversa inducida en la bobina, amortiguando la contracción del campo magnético en la desenergización. En la figura 3 tenemos la forma de señal obtenida cuando se emplea esta técnica. Se observa que la amplitud de la tensión inversa inducida se limita a la tensión directa de conducción del diodo.
Si bien esta técnica protege muy bien el dispositivo semiconductor utilizado en la conmutación, puede tener efectos muy nocivos para la conmutación del relé. Lo que ocurre es que la fuerza neta disponible para la apertura del relé es dada por la diferencia entre la fuerza magnética restante en el núcleo y la fuerza de apertura del muelle, cada cual variando de una forma diferente con el tiempo y la posición.
Así, la fuerza resultante puede ser afectada por el dispositivo de amortiguación de tal forma que influye en la acción de la armadura y por lo tanto del contacto del relé. Los efectos de este cambio de comportamiento pueden ser mejor sentidos cuando se conmuta una carga resistiva de potencia, es decir, una carga en la que la corriente sube rápidamente de valor en la conmutación.
Por una fracción de tiempo muy pequeña, cuando el contacto es establecido, pequeñas áreas del contacto se funden haciendo que los contactos manifiesten una fuerza de adhesión mayor que debe ser vencida en la apertura siguiente de los contactos. Así, la acción del muelle, con la decaimiento del flujo, deben ser capaces de separar los contactos en estas condiciones.
En las condiciones normales de operación, la fuerza del muelle, más la caída rápida del campo son suficientes para obtener una fuerza de separación de los contactos suficiente para vencer este problema. Sin embargo, con la presencia de un diodo amortiguador en paralelo las cosas cambian.
El diodo hace que haya una pérdida del momento en el movimiento de la abertura de la armadura, pues cortocircuita la corriente inducida en el decaimiento del campo, reduciendo así su velocidad. Esto puede hacer que la fuerza del muelle sea insuficiente para separar los contactos y permanecerá "pegados" en estas condiciones. Tanto más rápida es la contracción del flujo en la desenergización del relé, mayor será la fuerza para la apertura de los contactos y por lo tanto menor la probabilidad de fallo, con aumento de la capacidad de apertura del relé.
Según se concluye, la mejor capacidad de apertura de un relé se obtendría sin la presencia de ningún componente de amortiguación en paralelo con su bobina, pero eso va a desproteger el dispositivo de conmutación. De esta forma, la solución ideal es intermedia: utilizar un dispositivo de protección que atienda a las necesidades del dispositivo conmutador, pero que no amortiguará totalmente la operación del relé.
Esto puede lograrse conectando un zener en serie con la bobina, como se muestra en la figura 4.
En este caso, la resistencia inversa, que no afecta la operación del relé, sigue siendo muy alta. Sin embargo, para la tensión generada por la bobina la tensión de conducción pasa a ser la suma de la tensión directa de conducción del diodo sumada a la tensión del diodo zener.
De esta forma, esta tensión no llega a poner en peligro el dispositivo conmutador y tampoco amortigua totalmente la apertura de los contactos, como muestra la visualización de la señal en la figura 5.
El valor del diodo zener debe elegirse de forma que quede por debajo de la tensión máxima soportada por el dispositivo conmutador y al mismo tiempo proporcionar la menor amortiguación posible para la apertura del relé.
Normalmente los fabricantes de relés indican sus prestaciones en las condiciones de operación sin el supresor. Así, para las aplicaciones más críticas en que este elemento va a ser utilizado es conveniente hacer pruebas antes.
Conclusión
El simple acrecimiento de un diodo en paralelo con la bobina de un relé puede alterar su funcionamiento e incluso su durabilidad, como vimos en este artículo. La amortiguación de la tensión generada en la apertura tiene efectos mecánicos sobre los contactos y esto puede significar reducción de su vida útil, contactos presos y mucho más. El proyectista debe estar atento a este hecho al emplear relés en su proyecto.