Proteção de contactos

[helioneves]

Protecção de contactos de interruptores, relés, contactores...
É importante quando a carga é predominantemente indutiva, como é caso de motores de indução e transformadores, que produz faíscas entre os contactos do interruptor quando é desligado, danificando-os e gerando ondas eletromagnéticas de alta frequência que vão interferir noutros aparelhos.
Mesmo quando a carga é accionada por triac ou outra eletrónica de estado sólido, há que evitar que a tensão desenvolvida aos terminais da carga suba acima do valor de ruptura.

--- Corrente Continua
Dados experimentais apontam que deve-se evitar que a tensão entre os contactos ultrapasse os 300V. Há ainda que ter em conta o metal dos contactos que tem diferentes correntes de arco. Como nem sempre sabemos qual é o tipo de contactos em causa, considera-se o valor "seguro" de 0.4A.
- Diodo "Free wheel"
A maneira mais simples ( e barata ) de limitar a tensão gerada pela interrupção da corrente é colocar um diodo em paralelo com a carga.
No entanto, se a corrente for excessiva para os ratings do diodo, pode adicionar mais diodos em paralelo, e/ou mesmo uma "snubber network".
De referir que no caso de usar o diodo free wheel, o tempo de queda da corrente pode ser reduzido colocando uma resistência em série com o diodo, mas isso acarreta que o pico da tensão aos terminais da carga suba. Pode-se usar a expressão V=R.i para saber aproximadamente quanto subirá o pico da tensão; R é o valor da resistência, i o valor da corrente interrompida.
- Malha RC ou "snubber network"
A colocação de um condensador em paralelo com a carga, vai reduzir o pico de tensão produzida aquando da interrupção de corrente.
Quanto maior o valor do condensador, mais baixa será a tensão desenvolvida aos seus terminais.
A tensão aos terminais do condensador é dada por
Vc=i*sqrt(L/C), onde i é a corrente interrompida, L a indutancia da carga, C a capacidade do condensador.
Assim, ele deve ter no minimo C=(i/300)^2*L, onde i é o valor da corrente no instante em que é interrompida, L o valor da indutancia. 300V é o valor máximo de tensão no condensador. Além disso, deve-se assegurar que o condensador tem uma capacidade minima de i*1uF, onde i é novamente o valor da corrente no instante que é cortada.
A resistencia em série com o condensador tem a ver com a limitação da corrente aquando do fecho do interruptor, para limitar a corrente instantânea. Entra também no amortecimento da corrente aquando do desligar do interruptor.
O valor da resistencia é tal que Vs/Ia < R < Rl, onde Vs é a tensão da fonte, Ia a corrente de arco, Rl a resistencia da carga.
Mostra o simulador que a colocação da resistencia em série com o condensador inicialmente reduz a tensão máxima, mas a partir de um certo valor, faz com que a tensão aos terminais da carga suba.
- Malha RCD
Esta malha anula a desvantagem criada pela existencia da resistencia em série com o condensador, uma vez que o diodo "shunta" a resistencia direccionando a corrente proveniente da carga quase exclusivamente para o condensador. Há que ter em conta uma vez mais os valores máximos da corrente, que as especificações do diodo sirvam para o circuito ( valores de pico de corrente, tensão de ruptura maior que a tensão da fonte ).
Neste caso, o valor minimo da resistencia é R=10*Vs/Ia, onde Vs é a tensão da fonte, Ia é a corrente de arco, assumindo ser 0.4A a menos que seja especificado outro valor.
- Carga indutiva comandada por transistor/tiristor
Há que prevenir que a tensão gerada pela interrupção da corrente na carga não exceda a tensão de ruptura do transistor.
Pode ser usado novamente o diodo free wheel e/ou snubber network.
Pode-se também colocar um diodo zener em paralelo com o transistor, tendo em conta que a tensão de zener esteja de acordo com a tensão da fonte.
Em ambos os casos o diodo ( simples ou zener ) tem de suportar o valor de corrente da carga, uma vez que essa corrente é transitoriamente conduzida por ele quando o transistor entra em corte.
Antes de escolher que tipo de circuito se vai usar, há sempre que saber qual é o maior valor da corrente que será interrompido.
Por exemplo, uma carga de 1H e 53 ohms é accionada por um interruptor com contactos de prata a partir de uma fonte de 48V.
A corrente máxima será de 48/53=0.9A.
Para não ultrapassar os 300V nos contactos quando o interruptor abre, R deve ter no máximo 300/0.905 = 330 ohms. Para este valor, a corrente no instante do fecho do interruptor seria de 48/330=0.145A, que está abaixo dos 0.4A da corrente de arco para contactos de prata. O condensador teria de ter (0.905/300)^2*1=9uF. Usando um simulador, e partindo do principio do circuito criticamente amortecido (53+330)^2*C=4*1 <=> C=28uF, observa-se que acima dos 56uF de capacidade, a tensão no condensador é quase exclusivamente positiva, o que significa que pode ser usado um eletrolítico, em vez de um não polarizado de 116V,10uF, que é maior e mais caro...
Se optar por uma malha RCD, R teria de ser no mínimo 10*48/0.4=1200 ohms. O condensador teria de ter no mínimo (0.905/300)^2*1=9uF.
O inconveniente neste caso é mesmo o tamanho do condensador ( 300V, 10uF ) e consequentemente o custo... no entanto se for colocado um díodo zener de 60V com um díodo normal em paralelo com a carga, a tensão que o condensador passa a ter de suportar é de 48+60=108V. Há apenas que garantir que C>0.9uF. Assim um condensador de 1uF, 150V basta.
E se fosse apenas um díodo free wheel? por exemplo o 1N4004, que suporta uma corrente de 1A?
Recorrendo ao simulador, vê-se que 15ms depois do corte, a corrente na carga é de cerca de 0.4A. A tensão aos terminais da carga é de cerca de 1V. Para acelerar a queda da corrente mete-se uma resistência em série. Para evitar atingir os 300V entre os contactos, a tensão pode subir até aos 300-48=252V, ou seja, 252V/0.9A=280 ohms. Como convém ficar abaixo disso, seja R=270 ohms. O simulador mostra agora que bastam cerca de 3ms para a corrente cair para os 0.4A.

--- Corrente Alternada
Como é óbvio, há diferenças entre corrente continua e alternada.
Considerando por exemplo a rede electrica de 230V, cuja tensão de pico será de 230V*1.4142= 325.3V, deixa de fazer sentido considerar os 300V do caso da corrente continua pois estão abaixo do pico da tensão da fonte.
- Malha RC ou "snubber network"
Neste caso, o valor minimo do condensador é dado por C=(i/325.3)^2*L
Além disso, se a carga for indutiva, como o condensador está em paralelo, contribui para a correção do factor de potencia.
A resistencia determina-se como para corrente continua.
- Varistor
Poderão alternativamente colocar um varistor em paralelo com a carga para limitar a tensão aos seus terminais.
No entanto há que considerar que a eficácia do varistor na limitação da tensão decai com o número de vezes que este "corta" a tensão com valores superiores de corrente, ou seja, com o passar do tempo, a tensão de corte do varistor vai subindo.
- Diodos zener
Colocar 2 diodos zener em anti-série em paralelo com a carga, vai limitar a tensão aos terminais da carga, tendo em atenção os valores de pico de corrente que os zeners podem suportar.
Em qualquer caso, há sempre que saber qual o valor máximo instantaneo da corrente quando se desliga o interruptor.
Por exemplo, se a corrente nominal for de 1A, então o valor máximo será de 1.4142A.
Podem ser usados 2 ou os 3 tipos simultaneamente.

Pode-se usar o varistor ou os zeners também quando a fonte for de corrente continua.