A força contraeletromotriz da bobina, explicada com diagramas de circuito interativos ── o papel do diodo de roda livre

Parte 1 da série “Proteção e falhas de circuitos de comando, com diagramas de circuito interativos”

Uma das falhas clássicas em circuitos de comando é esta: um relé ou uma válvula solenoide é desligada por uma saída a transistor de um CLP e, naquele exato instante, a saída queima. O culpado é a força contraeletromotriz (o surto de tensão) que a bobina da carga gera no momento do desligamento, e o remédio de praxe é um diodo de roda livre em paralelo com a bobina. ── Bom, até aqui está em qualquer apostila. Mas por que o diodo precisa apontar naquele sentido, o que se sacrifica ao colocá-lo e o que acontece se ele for montado invertido ── isso raramente fica claro com um diagrama estático e meia dúzia de setas.

Neste artigo observamos esses poucos milissegundos diretamente, usando diagramas de circuito interativos com gráficos de tensão e corrente em tempo real. Sem proteção, diodo de roda livre, diodo + Zener, TVS, rede RC (snubber) e o perigoso diodo invertido: tudo no mesmo circuito, com os mesmos controles, de modo que as diferenças entre os métodos ficam evidentes. Todas as figuras são interativas: comute a saída pelo botão e veja com os próprios olhos o pico que aparece no gráfico no instante do desligamento.

O que este artigo cobre

Perguntas comuns e as seções que as respondem.

Pergunta	Seção
O que é força contraeletromotriz, e por que desligar uma bobina gera alta tensão?	§1
O que acontece de fato ao desligar sem proteção?	§2 (figura interativa)
Por que o diodo de roda livre funciona, e o que significa a orientação dele?	§3 (figura interativa)
É verdade que o diodo torna o desligamento do relé mais lento?	§4 (figura interativa)
O que acontece se o diodo for montado invertido?	§5 (figura interativa)
Em que as alternativas (TVS, rede RC) se diferenciam?	§6 · §7 (figuras interativas)
No fim das contas, qual método usar?	§8 (tabela comparativa) / FAQ

1. A corrente de uma bobina não para de uma hora para outra ── o que é a força contraeletromotriz

Bobinas de relé, válvulas solenoides, bobinas de contator… a maior parte das “coisas que se movem” dentro de um painel de comando são eletroímãs, ou seja, bobinas. E a bobina tem uma propriedade que resistores e lâmpadas não têm: ela detesta que mudem sua corrente bruscamente (autoindução).

Enquanto a corrente circula, a bobina armazena energia no campo magnético. Abra a chave, e o circuito exige “corrente zero, agora” ── mas a energia armazenada não pode sumir num instante. Então a bobina gera por conta própria uma tensão, no sentido que mantiver a corrente circulando. Isso é a força contraeletromotriz (FCEM). Sua magnitude é proporcional à brusquidão do corte da corrente, e é por isso que um circuito de 24 V produz, sem esforço, picos de centenas de volts. É a mesma história do golpe de aríete: feche uma torneira de supetão e o encanamento dá um estalo, porque o embalo da água precisa virar um pico de pressão em algum lugar. Aqui, o embalo da corrente vira um pico de tensão.

E onde essa tensão cai? Em cima de quem ousou interromper a corrente: o elemento que comuta. Numa saída a transistor de CLP, no transistor de saída; num contato de relé, no arco do contato que se abre. O prejuízo prático: semicondutores destruídos, contatos corroídos pelo arco e ruído irradiado para tudo que estiver perto. “A saída morreu na hora em que a válvula solenoide foi desligada” ── foi isso que aconteceu de verdade.

Todas as figuras abaixo compartilham o mesmo esqueleto. À esquerda da divisa vertical fica o lado externo (a bobina e sua proteção); à direita, o lado do CLP: uma saída a transistor tipo sink (NPN). O caminho é: fonte de 24 V → resistor série de 1 kΩ → bobina → lâmpada indicadora → transistor de saída → 0 V. O botão “Lógica Y0” do painel faz o papel do comando de saída do programa. A única coisa que muda de figura para figura é o componente de proteção colocado em paralelo com a bobina.

Estas figuras trazem dois equipamentos que os artigos anteriores não tinham. O primeiro são os gráficos em tempo real acima de cada figura: eles traçam 【V1】 (a tensão no coletor C1 do transistor de saída) e 【I1】 (a corrente da bobina), numa janela deslizante de aproximadamente os últimos 0,05 segundo de tempo simulado. O surto é coisa de um instante, então o “pico” que fica desenhado nesses gráficos é sua principal ferramenta de observação. O segundo é o botão “Reiniciar o circuito” no canto superior direito de cada painel, que recarrega a figura ao estado inicial sempre que você quiser recomeçar do zero.

V1 Tensão no coletor (C1) do transistor de saída ── observe o pico de surto I1 Corrente da bobina ── observe a rapidez do decaimento (= a rapidez do desligamento da carga)

2. Desligar sem proteção ── a falha de referência (Fig. 1)

A primeira figura, de propósito, não tem proteção nenhuma. Todos os esquemas de proteção seguintes são lidos em contraste com a falha vista aqui. Ligue a “Lógica Y0”, confirme que a corrente circula pela bobina, espere um momento e desligue ── e observe o gráfico 【V1】 e o valor de C1 logo após o desligamento.

No instante do desligamento, a bobina tenta manter sua corrente, mas o transistor parou de conduzir e não existe caminho de retorno. A bobina então puxa com violência o nó do lado da chave para cima, e uma agulha de tensão muito acima da alimentação aparece em C1. Você verá o painel piscar “surto!” e um pico afiado ficar registrado no gráfico 【V1】. Enquanto isso, 【I1】 mostra a corrente da bobina que, sem ter para onde ir, oscila e desaba.

Faça isso em hardware de verdade e o transistor morre assim que o pico ultrapassar a tensão máxima dele. Mesmo que sobreviva uma vez, o dano se acumula a cada manobra até que, meses depois, uma saída para de funcionar sem aviso ── ou o pico viaja pela fiação como ruído e derruba sensores e comunicações próximos. Tudo isso acontece em plantas reais.

Observação: na simulação, a tensão após o desligamento oscila e depois se acomoda. Isso ocorre porque a figura inclui um pequeno componente equivalente à capacitância e às fugas da fiação real, acrescentado para que a oscilação não dure para sempre.

3. O diodo de roda livre ── um caminho de retorno que elimina o surto (Fig. 2)

O remédio de praxe é um único diodo em paralelo com a bobina: o diodo de roda livre (em inglês, flyback diode ou freewheeling diode). A orientação é tudo: ele entra no sentido que bloqueia a corrente enquanto a bobina está energizada (polarização reversa). Grave assim: “o catodo ── a faixa marcada ── voltado para o + da alimentação”. Em operação normal é como se ele não existisse; ele só trabalha no instante do desligamento.

Na figura abaixo você insere e retira esse diodo com um botão. Primeiro deixe em “Diodo de roda livre: não”, faça um ciclo ON → OFF e confirme o surto. Depois mude para “sim” e repita exatamente os mesmos passos. Mesmo circuito, mesmos controles ── e só o pico de 【V1】 desaparece.

O mecanismo é o seguinte. No instante do desligamento, a bobina gera uma tensão no sentido que mantém sua corrente ── e, para o diodo em paralelo, essa tensão é exatamente direta. Em vez de ficar sem saída, a corrente da bobina passa a circular pelo diodo e a girar pela própria bobina (o caminho de roda livre). Como um volante de inércia que continua girando por embalo, a corrente continua circulando enquanto a energia armazenada vira calor, sossegadamente, na resistência da bobina e no diodo. Visto de C1, a tensão nunca sobe além da alimentação mais uma queda de diodo (cerca de 0,7 V). Uma agulha de centenas de volts vira um calombo de 0,7 V.

	Sem proteção (não)	Com diodo (sim)
C1 logo após o OFF 【V1】	Dispara para várias vezes a alimentação	Fica perto de alimentação + 0,7 V
Para onde vai a corrente da bobina	Para lugar nenhum → surto e oscilação	Recircula pelo diodo
Como a corrente morre 【I1】	Oscila e desaba rápido	Suave, mas se arrasta por mais tempo

A última linha da tabela mostra o único efeito colateral ── mas ele importa ── desse método. Como o caminho de roda livre dissipa a energia com tanta suavidade, a corrente demora mais para chegar a zero. Compare os gráficos 【I1】: sem proteção a corrente some quase no ato; com o diodo, ela se arrasta numa cauda comprida. O que essa cauda significa na prática é o tema da próxima seção.

4. O efeito colateral do desligamento lento, e o diodo + Zener (Fig. 3)

Um relé ou uma válvula solenoide desarma ── o contato abre, a válvula fecha ── quando a corrente da bobina cai abaixo de certo nível. Ou seja: decaimento lento da corrente significa desligamento lento, simples assim. Com o diodo de roda livre sozinho, a tensão no laço de recirculação é de apenas uns 0,7 V, a corrente decai devagar e o tempo de desligamento de um relé pode se multiplicar várias vezes em relação ao valor sem proteção. Os fabricantes dizem isso com todas as letras em suas notas técnicas ── “supressores de surto alongam o tempo de desligamento” ── é um compromisso bem conhecido. Em aplicações de manobras frequentes, ou onde o instante exato de abertura de um contato importa para a lógica de comando, isso não pode ser ignorado.

A solução não é tirar a proteção, e sim elevar de propósito a tensão em que o surto é ceifado (a tensão de grampeamento, ou clamp). Na figura abaixo, o caminho de recirculação leva um diodo e um diodo Zener (33 V) em série. No desligamento, C1 estaciona em torno de “alimentação + 0,7 V + 33 V”: ainda folgadamente abaixo do limite do transistor, mas como a energia é queimada numa tensão bem mais alta do que com o diodo sozinho, a corrente volta a zero visivelmente mais cedo.

Os mesmos controles de antes: ON → esperar → OFF. Compare com o “diodo: sim” da Fig. 2: o patamar de 【V1】 fica mais alto e, em troca, a cauda de 【I1】 fica mais curta. “Quanto surto eu tolero” contra “com que rapidez a carga precisa desligar” é uma troca direta, e a tensão do Zener é escolhida entre o limite de tensão do componente de um lado e a exigência de tempo de desligamento do outro. Essa é a lógica de projeto desse método.

5. Montado invertido, não é proteção ── é curto-circuito (Fig. 4)

O modo de falha assustador do diodo de roda livre não é esquecê-lo ── é montá-lo invertido. Um diodo invertido fica polarizado diretamente justamente enquanto a saída está em ON. O componente que deveria proteger a bobina vira, assim que energizado, um atalho que curto-circuita a bobina, e uma corrente enorme despenca pelo caminho: alimentação → resistor série → diodo.

Assim que você liga, os pontos de corrente correm pelo diodo em vez da bobina, e a bobina quase não trabalha (um relé simplesmente não atracaria). No circuito didático há um resistor série limitando o estrago, mas a fiação real não tem esse resistor: o resultado é diodo queimado, fonte em proteção ou saída destruída. Se o sintoma for “colocamos a proteção e agora o relé não funciona ── e o componente está quente”, desconfie primeiro do diodo invertido.

Conferir a orientação é simples. A faixa do diodo (catodo) vai para o + da alimentação. Com válvulas solenoides ou relés com diodo embutido, confira as marcas +/− dos bornes da bobina contra a polaridade da fonte. Essas duas conferências bastam para eliminar esse acidente.

6. O diodo TVS ── ceifar numa tensão escolhida (Fig. 5)

Um componente de prateleira construído sobre a mesma ideia do diodo + Zener é o diodo TVS (supressor de transientes de tensão, Transient Voltage Suppressor). Normalmente ele se comporta como isolante e só entra em condução quando a tensão em seus terminais ultrapassa o valor de projeto, limitando a tensão bem em torno desse nível. Por ser projetado especificamente para absorver surtos, responde rápido e aguenta grandes correntes momentâneas. Na figura abaixo, um TVS unidirecional é aproximado por um diodo Zener (33 V) em paralelo com a bobina.

Faça o ciclo de sempre, ON → OFF, e confirme duas coisas: o pico de 【V1】 estaciona perto de 33 V e, como a tensão de grampeamento é alta, a cauda de 【I1】 é mais curta que na Fig. 2 ── desligamento mais rápido. Para o TVS ficar inerte na operação normal, sua tensão de repouso (standoff) precisa estar acima da alimentação, e a pergunta-chave na escolha é quão perto acima da alimentação você consegue fixá-la. Os componentes reais existem em versões unidirecional e bidirecional, com cálculos de potência próprios ── isso fica para uma continuação desta série.

7. A rede RC (snubber) ── a porta de entrada quando o diodo não serve (Fig. 6)

Todas as proteções até aqui usam componentes com polaridade. O que significa: nenhuma serve, do jeito que está, para uma bobina CA, em que a corrente se inverte a cada semiciclo ── o diodo ficaria em condução direta num dos semiciclos e repetiria o curto-circuito da Fig. 4. Para bobinas CA, e para proteger os próprios contatos de relé, a escolha usual é um resistor e um capacitor em série: a rede RC (snubber), vendida também como “supressor de faísca” ou filtro RC.

No desligamento, a corrente da bobina, prestes a ficar sem saída, entra primeiro no capacitor. O capacitor é exatamente o componente que absorve variações bruscas de tensão: o pico de C1 é amortecido, enquanto o resistor série doma a corrente de choque e a oscilação. Comparado à Fig. 1, o pico de 【V1】 é mais suave, de bordas mais arredondadas. Não é o grampeamento quase perfeito de um diodo ── mas, sem polaridade, funciona tanto em CA quanto em CC, e essa é toda a graça. Os valores da figura (0,1 µF + 100 Ω) são didáticos; num projeto real eles são escolhidos conforme a carga e a tensão (os supressores de faísca comerciais já vêm com o par selecionado).

8. Escolhendo o método ── primeiro “CC ou CA?”, depois “com que rapidez precisa desligar?”

Aqui está tudo o que as seis figuras mostraram, numa folha só. Não existe componente de proteção perfeito: a escolha responde a três perguntas ── quanto o surto precisa ser suprimido, com que rapidez a carga precisa desligar e a bobina é CC ou CA. Essa é a conclusão desta primeira parte.

Método	Supressão do surto	Rapidez do desligamento	Uso típico	Em uma linha
Nenhum (Fig. 1)	✗	―	―	Destrói componentes e contatos. Não é opção
Diodo (Fig. 2)	A mais forte	Tende a ser lenta	Bobinas CC	A escolha padrão. Cuidado com a orientação
Diodo + Zener (Fig. 3)	✓ Forte	Relativamente rápida	Bobinas CC	Quando o tempo de desligamento importa
TVS (Fig. 5)	✓ Conforme o projeto	Relativamente rápida	Circuitos CC	Grampeador de prateleira, resposta rápida
Rede RC (Fig. 6)	△ Conforme o projeto	Relativamente rápida	CA/CC, contatos	Sem polaridade ── funciona em CA

A posição também tem regra fixa: monte a proteção o mais perto possível dos bornes da bobina. A bobina é a fonte do surto, e quanto mais perto da fonte ele for suprimido, mais curto é o trecho de fiação que chega a ver a alta tensão. Algumas unidades de saída de CLP trazem circuitos de absorção embutidos ── trate-os como última linha de defesa, não como substituto da proteção junto à carga.

Nas continuações desta série, trataremos dos temas que este artigo apenas apontou: para onde vai a corrente quando um motor CC é parado (a regeneração), uma figura dedicada ao porquê de um diodo simples não servir em bobina CA, e as redes RC e varistores do lado dos contatos ── tudo no mesmo formato de circuitos interativos.

Resumo ── o surto deixa de assustar quando a corrente tem para onde ir

• A corrente de uma bobina não para de uma hora para outra. Force isso, e a bobina gera alta tensão no sentido que mantiver a corrente ── e essa tensão cai sobre o elemento que comuta (§1, §2).
• O diodo de roda livre cria uma rota de fuga (caminho de recirculação) que só existe no instante do desligamento. Orientação: a faixa (catodo) para o + da alimentação (§3).
• O compromisso: o diodo freia o decaimento da corrente e atrasa o desligamento de relés e válvulas. Onde o tempo importa, eleve a tensão de grampeamento com diodo + Zener ou TVS (§4, §6).
• Montado invertido, o diodo vira curto-circuito enquanto há alimentação. “Colocamos a proteção e parou de funcionar ── e o componente esquenta” é o sinal clássico (§5).
• Proteções com polaridade não servem em bobinas CA. A rede RC é a porta de entrada válida para CA e CC (§7).
• Proteja rente aos bornes da bobina; a proteção embutida no lado do CLP é a última linha de defesa (§8).

A base deste artigo ── as saídas a transistor (sink) de um CLP e a fiação de cargas com bobina ── está explicada em “Entenda PNP e NPN no projeto elétrico com diagramas de circuito interativos” e em “Relé, transistor ou triac? Entenda os tipos de saída de um CLP (PLC) com diagramas de circuito interativos”, com o mesmo tipo de figuras interativas.

FAQ

P1. O que é força contraeletromotriz, em uma frase?

R. É a tensão que a bobina gera por conta própria para manter sua corrente. Quanto mais brusco o corte da corrente, maior ela fica ── centenas de volts mesmo num circuito de 24 V. Também é chamada de surto de desligamento ou kickback indutivo.

P2. Onde exatamente entra o diodo de roda livre?

R. Em paralelo com a bobina (relé, válvula solenoide etc.), o mais perto possível dos bornes dela. A bobina é a fonte do surto: suprimi-lo na origem mantém a alta tensão fora da fiação. Montar junto à carga é melhor do que montar no borne do CLP.

P3. Como lembrar a orientação do diodo?

R. “A faixa (catodo) para o + da alimentação.” Bem montado, ele não conduz enquanto a bobina está energizada (polarização reversa) e só recircula a corrente no desligamento. Depois de montar, energize a bobina e confira que o diodo continua frio: isso confirma.

P4. É verdade que o diodo torna o desligamento dos relés mais lento?

R. Sim. A tensão de recirculação é de apenas uns 0,7 V: a corrente decai devagar e o tempo de desligamento pode se multiplicar em relação ao valor sem proteção. Se a rapidez importa, eleve a tensão de grampeamento com diodo + Zener ou TVS (§4, §6).

P5. Como escolher o diodo em si?

R. Regra rápida: tensão reversa de pelo menos o dobro da alimentação e corrente direta de pelo menos a corrente da bobina. Para uma bobina de relé de 24 V, um diodo retificador comum (classe 1 A, algumas centenas de volts) cobre a maioria dos casos. Confirme a escolha final nas folhas de dados da carga e do diodo.

P6. Posso colocar diodo numa bobina CA (válvula solenoide ou contator CA)?

R. Não. Em CA a corrente se inverte a cada semiciclo, então um diodo com polaridade curto-circuita, com certeza, um dos semiciclos ── a mesma situação do diodo invertido do §5. Em bobinas CA, use proteções sem polaridade: redes RC ou varistores. Uma figura dedicada ao porquê está prevista para uma continuação.

P7. Minha unidade de saída de CLP tem proteção embutida. Preciso de uma externa?

R. Trate o circuito embutido como última linha de defesa. Ele reduz a chance de matar a saída no ato, mas não faz nada contra os surtos que viajam pela fiação, o ruído irradiado ou o desgaste de contatos em outros pontos. Com cargas indutivas, a proteção junto à carga continua sendo a base.

P8. E se eu comutar a bobina com um contato de relé em vez de transistor?

R. O raciocínio é o mesmo: proteja a bobina comutada ── família do diodo para CC, rede RC ou varistor para CA. Sem proteção, o arco no contato que se abre o corrói e corta a vida do relé em ordens de grandeza. Há ainda a opção de uma rede RC diretamente em paralelo com o contato, que uma continuação vai tratar.

P9. Algum cuidado com válvulas solenoides e relés com diodo embutido?

R. A bobina passa a ter polaridade. A orientação do diodo interno pressupõe fiação +/− correta: fiação invertida transforma o diodo interno em caminho de curto-circuito assim que a tensão é aplicada (§5). Nunca pule a conferência das marcas dos bornes contra a polaridade da fonte.

P10. Em que a simulação difere do hardware real?

R. As figuras estão reduzidas ao esqueleto do princípio. A bobina é um valor didático (50 mH com 1 kΩ em série), e a indutância da fiação, as capacitâncias parasitas, os efeitos térmicos e o arco dos contatos foram omitidos (as figuras sem proteção incluem só o equivalente de capacitância/fugas de fiação necessário para a oscilação não durar para sempre). Use as figuras para entender o princípio e as folhas de dados dos fabricantes para os números do projeto real.