Este artigo descreve o fenómeno de interferência causado pela utilização de relés para controlar cargas de potência em circuitos eletrónicos, analisa o mecanismo da interferência e propõe soluções. O estudo concluiu que a interferência resulta do acoplamento espacial e que a fonte de interferência é a faísca gerada pelos contactos do relé durante o fecho e a abertura. A utilização de isolamento por acoplamento ótico permite que o relé funcione de forma estável e evita a ocorrência de avarias. A exatidão dos resultados da investigação foi comprovada em aplicações práticas.
1 Introdução
Nos sistemas de controlo automático reais, os computadores têm frequentemente de controlar algumas cargas de alta potência. Em muitos casos, os relés são amplamente utilizados porque requerem pouca potência de controlo, baixa tensão e são fáceis de ligar aos computadores. Por exemplo: um relé controla o fecho de um contactor, controlando assim o funcionamento de equipamentos como os motores de corrente alternada. O circuito de aplicação real do relé é apresentado na Figura 1.
A carga na Figura 1 é a bobina do relé intermédio que controla a carga indutiva. Quando o microcontrolador faz com que o transístor entre em condução, a bobina do relé é energizada e o contacto normalmente aberto é fechado, de modo que a bobina do relé intermédio é energizada e o motor de corrente alternada funciona.
Com o objetivo de resolver o problema de estabilidade do sistema de controlo, este artigo estuda as variações na tensão de alimentação do circuito eletrónico durante o funcionamento do relé e identifica a causa do problema, tendo em conta as avarias que ocorrem frequentemente no funcionamento do circuito, conforme ilustrado na Figura 1.
2 Investigação sobre fenómenos de interferência em aplicações de relés
A partir da análise do circuito, a interferência provém do acoplamento espacial, e a fonte da interferência deverá ser a faísca gerada pelo contacto do relé ao ligar e desligar a bobina do relé intermédio. Como a bobina do relé intermédio é uma carga indutiva, quando o circuito é desligado, a energia armazenada no indutor dificultará a desconexão do circuito. As variações bruscas na faísca gerada irão irradiar ondas eletromagnéticas para o espaço, o que pode alterar o nível da porta de E/S do microcontrolador, causando alterações anormais no nível de saída do microcontrolador. Por este motivo, é ligado em paralelo ao contacto normalmente aberto do relé na placa de circuito um circuito de absorção resistivo-capacitivo, para reduzir a energia da faísca entre os contactos e diminuir a probabilidade de mau funcionamento. No entanto, uma vez que o microcontrolador continua a apresentar avarias, deve existir outra razão, após análise. É provável que o nível de alimentação do microcontrolador tenha sofrido alterações. Por conseguinte, estuda-se a forma de onda da tensão de alimentação nos dois momentos em que o contacto normalmente aberto do relé é aberto e fechado.
As Figuras 2 (a), (b) e (c) mostram, respetivamente, as formas de onda da tensão de alimentação no momento em que o contacto normalmente aberto do relé é ativado. É possível observar que, por vezes, ocorrem picos bruscos na tensão de alimentação. No entanto, a amplitude, a polaridade, o número e a presença desses picos são aleatórios, o que é consistente com a irregularidade das avarias do sistema.
As Figuras 3 (a), (b) e (c) mostram, respetivamente, a forma de onda da tensão de alimentação no momento em que o contacto normalmente aberto do relé é interrompido. É possível observar que também existem picos oscilantes na tensão de alimentação. A amplitude, a polaridade e o número dos picos são aleatórios e surgem sempre que a ligação é interrompida. A julgar pelo processo real de falha do sistema, verificam-se menos avarias durante a ligação e muito mais avarias durante a desligação. Mesmo após a avaria, o sistema de controlo já não arranca. A inspeção revelou que a superfície do microcontrolador 8255, próxima do chip interno, estava queimada. Em combinação com o aumento observado na tensão de alimentação, é provável que a alta tensão tenha queimado o chip. Após analisar a estrutura do relé, acredita-se que a razão para a alta tensão seja o facto de os contactos normalmente abertos e a bobina de controlo do relé estarem selados num espaço reduzido. Quando surgem faíscas nos contactos, o campo eletromagnético variável induz uma alta tensão na bobina de controlo do relé. Esta alta tensão atua sobre o sistema de alimentação do microcontrolador, provocando um pico na tensão de alimentação do mesmo. Os limites superior e inferior da flutuação de tensão excedem o intervalo de alimentação permitido pelo microcontrolador. No interior do microcontrolador encontram-se vários circuitos de porta integrados com microeletrónica. As flutuações de tensão fazem com que o circuito de porta funcione de forma anómala, resultando em resultados de saída inesperados.
A razão pela qual a faísca do relé é pequena quando este é ativado deve-se ao facto de os contactos começarem a gerar faíscas quando estão próximos, mas fecham-se rapidamente e as faíscas desaparecem; quando os contactos do relé se separam, as faíscas são geradas logo após a separação, à medida que a distância entre os contactos aumenta. A faísca também aumenta até que a energia fornecida pela fonte de alimentação não consiga manter a sua existência, e a faísca se apaga. Por conseguinte, as faíscas quando o relé está aberto são muito maiores, causando mais picos na tensão da fonte de alimentação nesse momento, e o microcontrolador apresentará mais avarias do que quando o relé está ligado.
3 Medidas anti-interferência para relés
Para evitar avarias decorrentes de interferências durante o funcionamento do relé, a tensão de alimentação do microcontrolador deve ser isolada da tensão de alimentação da bobina do relé. São utilizadas medidas de isolamento fotoelétrico para isolar a tensão de alimentação do relé da tensão de alimentação do microcontrolador. No circuito real, é utilizado um optoacoplador TL P521. A flutuação da tensão de alimentação secundária atua apenas no pólo de saída do optoacoplador. A tensão de resistência do optoacoplador é de 55 V, o que permite fazer face à amplitude de variação dos picos de tensão; o circuito é apresentado na Figura 4.
Após o isolamento do optoacoplador, o relé funciona de forma estável e deixam de ocorrer avarias. Mesmo que o contacto normalmente aberto não inclua um circuito de absorção de resistência-capacitância, já não ocorrem avarias. Isto indica que as avarias são causadas por flutuações na tensão da fonte de alimentação e por radiação eletromagnética no espaço, desde que não se encontrem na linha de controlo do relé de aparelhos de baixa tensão (2002 n.º 4).
Se a tensão induzida excessivamente elevada gerada no circuito se sobrepor à alimentação do microcontrolador, tal não afetará o funcionamento normal do microcontrolador. A conclusão acima é válida no caso de um motor de corrente alternada de 1 kW.
4. Sugestões para o controlo de motores CA de alta potência. Embora o isolamento por optoacoplador resolva o problema da estabilidade de funcionamento do microcontrolador, as faíscas provenientes dos contactos normalmente abertos do relé afetarão a vida útil dos mesmos. Além disso, quando as correntes de corte e de fecho são elevadas, se a energia irradiada aumentar, poderão surgir novas anomalias imprevisíveis. Por conseguinte, recomenda-se a utilização de um optoacoplador com triac para isolamento elétrico forte e fraco, conforme ilustrado na Figura 5.
Na Figura 5, quando há entrada de corrente no lado primário do optoacoplador, o triac no lado secundário do optoacoplador é ativado e, quando a tensão de alimentação da carga atinge um determinado valor, o gate do optoacoplador de alta potência é ativado através do lado secundário do optoacoplador.
O triac de alta potência conduz a corrente, e a carga deixa passar essa corrente. Uma vez que não existe um interruptor mecânico, não há faísca, pelo que não interfere com o funcionamento do sistema de controlo do microcontrolador. Desta forma, resolvem-se simultaneamente o problema da interferência causada pelas faíscas geradas pelos contactos e o problema da vida útil elétrica decorrente do desgaste dos contactos. É importante referir que, quando a tensão da fonte de alimentação da carga é baixa e a corrente de carga é reduzida, a corrente do triac tem de atingir a corrente de retenção para que possa funcionar normalmente.
5 Conclusão
A avaria que ocorre quando o relé controla o motor de corrente alternada é causada pela onda eletromagnética proveniente da faísca do contacto do relé, que se propaga pelo espaço até à bobina de comando do relé, gerando um potencial induzido que provoca flutuações na tensão de alimentação do microcontrolador, o que, por sua vez, causa picos de tensão. Isolar este pico de tensão da alimentação do microcontrolador pode eliminar a avaria do relé. Palavras-chave: controlo de E/S de 16 canais
