Como selecionar e utilizar relés eletromecânicos para uma comutação de sinal versátil e confiável

Aplicações como dispositivos de telecomunicações e de rede, equipamentos de teste automático (ATE) e dispositivos de segurança precisam cada vez mais comutar e rotear de forma confiável um ou vários sinais CC, CA (analógico) e de radiofrequência (RF) de nível baixo a moderado. Os relés eletromecânicos (EMRs) são adequados para realizar essa tarefa.

Os EMRs oferecem excelente desempenho de ativação e desativação, com isolação de entrada/saída, e estão disponíveis em várias configurações de polos para proporcionar flexibilidade e versatilidade aos projetistas. Além disso, um único relé pode suportar diferentes tipos de sinais (CA, CC, baixa frequência, RF) no mesmo dispositivo, o que aumenta seu valor.

Embora tenham partes móveis e contatos físicos, eles são totalmente caracterizados devido ao seu longo histórico de aplicações. Dessa forma, eles são "solucionadores de problemas" confiáveis que podem proporcionar muitos anos de serviço consistente. Embora os EMRs também sejam dispositivos inerentemente robustos, os projetistas devem selecionar um relé apropriado (tanto a bobina quanto os dimensionamentos de contato) e usá-lo adequadamente para garantir a máxima longevidade.

Este artigo discute brevemente os tipos e as aplicações dos relés de sinal. Em seguida, descreve como selecionar e aplicar EMRs usando exemplos da Omron Electronic Components.

Tipos e diferenciação de relés

EMR refere-se a um componente com muitos subtipos de aplicação específica. Por exemplo, os relés de potência têm contatos dimensionados para 2 A ou mais, enquanto os relés de sinal são projetados para correntes de contato abaixo desse valor.

Os relés de sinal podem ser divididos em dois grupos: sinais sem RF e sinais com RF. Embora todos os relés sejam caracterizados por parâmetros básicos de continuidade e máximos de corrente e tensão, existem métricas adicionais de desempenho para os relés de RF. Elas incluem:

• Isolação: os sinais de alta frequência têm fuga pela capacitância dispersa entre os contatos, mesmo que os contatos estejam separados. A isolação é medida em decibéis (dB).
• Perda de inserção: em altas frequências, os distúrbios de sinal surgem devido à autoindução, à resistência e à perda dielétrica, bem como as reflexões devido aos descasamentos de impedância. A perda de inserção também é medida em dB.
• Relação de onda estacionária (ROE) de tensão, ou VSWR da sigla em inglês: isso se deve à interferência construtiva/destrutiva entre uma onda do sinal de entrada e qualquer sinal refletido. Essa medida é um número sem unidade que indica a proporção de um valor máximo da forma de onda em relação ao seu valor mínimo.

Simplificação da lista de materiais

As configurações dos relés são definidas pelo número de contatos ou polos (P) e pelas situações normais (ou seja, sem alimentação) de abertura/fechamento dos contatos (Figura 1). Eles podem ser normalmente abertos (NA ou NO em inglês) ou normalmente fechados (NF ou NC em inglês). As configurações de polo único (SP) e polo duplo (DP) são as mais comuns, embora estejam disponíveis unidades com mais polos de contato. O curso (T) é a posição extrema do atuador.

Figura 1: São mostrados os arranjos dos contatos e as designações padrão do setor para vários tipos de EMRs; as linhas tracejadas no relé Form 2C indicam que ambas as armaduras têm uma ligação não condutora que move os dois contatos simultaneamente quando a bobina do relé recebe corrente. (Fonte da imagem: Sealevel Systems, Inc.)

A capacidade dos EMRs de suportar vários polos e cursos NA/NF destaca como eles podem simplificar os circuitos, economizar espaço na placa, reduzir a lista de materiais (BOM) e diminuir o custo. O motivo é que um único relé pode comutar vários caminhos de circuito para totalmente ligado, totalmente desligado ou uma combinação de cada um, dependendo da configuração do polo e do curso. Esse mesmo relé também pode comutar sinais CA e CC, proporcionando operação simultânea em vários caminhos de circuito.

Em alguns casos, os EMRs com um par de polos extra são usados para alimentar um circuito auxiliar, como um circuito de LED para indicar aos usuários que o relé foi energizado e criou o estado de contato desejado. Além disso, alguns projetistas experientes usam um relé DPDT (polo duplo, curso duplo) quando tudo o que precisam é de uma unidade SPDT (polo simples, curso duplo) (os relés SPDT e DPDT têm a mesma pegada em muitos casos), o que lhes dá um par de contatos "no caso de precisar" para corrigir um problema ou um descuido descoberto mais tarde no ciclo do projeto.

O G6J-2P-Y DC12 (Figura 2) da Omron é um relé DPDT (Form 2C) ultrafino com uma bobina de 977 ohm (Ω) e foi projetado para ser acionado por 12 V a 12,3 mA. Observe que outros membros dessa família oferecem diferentes pares de tensão/corrente de bobina de até 24 V_CC para compatibilidade com praticamente qualquer circuito ou situação de acionamento.

Figura 2: O G6J-2P-Y DC12 é um relé DPDT ultrafino com uma bobina de 12 V, 12,3 mA; ele faz parte de uma família de relés com tamanho e dimensionamentos de contato idênticos, mas diferentes combinações de tensão/corrente da bobina. (Fonte da imagem: Omron)

Esse pequeno relé é adequado para placas de circuito impresso (PCIs) de alta densidade, pois mede apenas 5,7 × 10,6 × 9 milímetros (mm). O G6J-2P-Y DC12 vem com terminais de furo passante, mas versões idênticas oferecem terminais curtos e longos de montagem em superfície para máxima flexibilidade. Os contatos desse relé e de todos os outros da família são dimensionados para suportar até 0,3 A em 125 V_CA e 1 A em 30 V_CC.

Relés e RF

Os usos dos relés não se limitam a fornecer fechamentos de contatos "secos" simples ou a lidar com tensões/correntes CC e sinais CA de baixa frequência. Alguns modelos são projetados explicitamente para aplicações de frequência ultra-alta, como ATE.

O Omron G6K-2F-RF-V DC4.5 é um relé DPDT miniatura de montagem em superfície que suporta comutação de sinal de transmissão diferencial. A perda de inserção para esse relé de 11,7 × 7,9 × 7,1 mm é de 3 dB ou menos a 8 gigahertz (GHz). Ele também pode ser usado em frequências mais altas, como mostra seu diagrama de olho para um sinal diferencial de 200 mV com um tempo de subida de 25 picossegundos (ps) (Figura 3).

Figura 3: O relé DPDT miniatura de montagem em superfície G6K-2F-RF-V DC usa comutação de sinal de transmissão diferencial e é especificado para 8 GHz ou mais, como visto nesses diagramas de olho com sinais de 8,1, 10 e 12,5 gigabits por segundo (Gbit/s). (Fonte da imagem: Omron)

Esse desempenho na faixa de GHz se deve, em parte, a um projeto elétrico e mecânico que suporta inerentemente sinais diferenciais. Isso ajuda a garantir o desempenho desejável, conforme definido pela isolação de RF (não relacionada à isolação galvânica), perda de inserção e VSWR (Figura 4).

Figura 4: O relé de gigahertz G6K-2F-RF-V usa um design inerentemente diferencial que facilita as questões de layout físico da placa de circuito e minimiza o impacto prejudicial desse layout no desempenho de RF. (Fonte da imagem: Omron)

O relé usa um layout interno avançado que simplifica o layout da PCI e elimina a necessidade de roteamento complexo do caminho do sinal em várias camadas na placa, o que prejudicaria o desempenho de RF. O uso de um invólucro de resina em vez de um de metal evita o problema de curto-circuito dos pinos da sonda em um invólucro de metal, o que causaria danos à placa e às peças durante a inspeção da montagem do relé.

Relés e consumo de energia

O consumo de energia é um parâmetro crítico em quase todos os circuitos e sistemas. Ele define o dimensionamento da fonte, afeta o tempo de execução dos projetos operados por bateria e o calor associado afeta o desempenho térmico. Isso tem implicações para os relés convencionais sem travamento, em que a bobina deve permanecer energizada durante todo o tempo em que o relé precisa estar energizado.

Arquiteturas alternativas ao projeto básico de ligar/desligar (formalmente chamado de monoestável) abordam essa preocupação. O relé de travamento (também chamado de relé de retenção) foi projetado para que, uma vez energizado, permaneça nessa posição mesmo depois que a energia da bobina for removida.

Há várias maneiras de implementar a função de travamento. O G6JU-2P-Y DC3 e outros dessa família usam uma técnica de travamento de enrolamento único na qual o pulso de entrada "set" faz com que a condição operacional seja mantida por meio de um ímã permanente adjacente. O pulso de entrada de "reset" (uma entrada com a polaridade inversa da entrada set) coloca o relé em seu estado original.

Relés e confiabilidade

Os relés têm peças móveis e contatos elétricos físicos, portanto, é normal supor que eles se tornarão não confiáveis após um número modesto de ciclos de liga/desliga. Entretanto, esse não é o caso.

Em primeiro lugar, os diferentes efeitos da abertura e do fechamento dos contatos ao portar CA versus CC em vários níveis são bem compreendidos e estão detalhados na ficha técnica do relé. O desgaste prematuro do contato não deve ser um problema se as condições definidas forem respeitadas.

Igualmente importante é o fato de que décadas de uso, experiência com inúmeras unidades em campo, pesquisa e desenvolvimento metalúrgico, modelagem e análise, testes de vida controlados, melhorias na produção e fabricação e outros fatores técnicos transformaram o projeto e a fabricação de bobinas e contatos em processos bem compreendidos, maduros e sofisticados, além dos componentes resultantes.

A durabilidade do relé está ligada à durabilidade do contato e da bobina. A durabilidade da bobina começa com um valor padrão de 40.000 horas, pois há uma diminuição nas propriedades isolantes devido ao calor gerado quando a tensão nominal é continuamente aplicada à bobina. Se o uso do relé for intermitente, a durabilidade da bobina será muito maior.

A durabilidade também é avaliada por dois fatores frequentemente mencionados nas fichas técnicas:

• A durabilidade mecânica é o número de vezes que um relé pode abrir e fechar o contato sem carga, levando em consideração as características e os defeitos mecânicos.
• A durabilidade elétrica é o número de vezes que um relé pode abrir e fechar o contato com uma carga nominal (como 125 V_CA, 0,3 A / 30 V_CC, 1 A).

Os contatos de relé vêm em diferentes configurações com níveis crescentes de confiabilidade de longo prazo: contato simples, contato duplo e contato duplo com barra cruzada (Figura 5). O design do contato duplo de barra cruzada proporciona uma resistência de contato excepcionalmente estável e minimiza a falha de contato. Os membros da família G6J-2P-Y têm uma barra cruzada bifurcada (semelhante ao contato duplo de barra cruzada) com um contato prateado revestido com uma liga de ouro.

Figura 5: Os contatos de relé foram aprimorados e evoluíram do contato simples básico para contatos duplos de barra cruzada de vida mais longa, que oferecem desempenho consistente e resistência de contato estável. (Fonte da imagem: Omron)

A conhecida confiabilidade desses relés os torna uma boa opção para qualquer aplicação em que a paralisação ou as interrupções de serviço não sejam aceitáveis, ou em que o desempenho do relé seja uma consideração de missão crítica.

Conclusão

Os EMRs são componentes essenciais para a solução de problemas em muitos dos sistemas atuais, abordando e resolvendo muitos problemas de caminho de sinal. Eles oferecem atributos exclusivos e insubstituíveis de manuseio de sinais, desempenho bem definido e confiabilidade de longo prazo. Os relés de sinal estão disponíveis para aplicações de CC, baixa frequência e até mesmo RF na faixa de GHz, ampliando assim sua aplicabilidade.