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Relés de estado sólido (MEC084)

Em muitas aplicações industriais modernas e mesmo equipamento de consumo, os tradicionais relés eletromecânicos são substituídos por relés de estado sólido. Eles são componentes semicondutores capazes de manusear correntes elevadas a partir de pequenos sinais; componentes de alta potência sensíveis à luz podem resultar em excelentes opções de relés que substituem as versões tradicionais mecânicas. Os relés de estado sólido, por suas vantagens, são cada vez mais utilizados aparecendo em configurações as mais diversas. Neste artigo focalizamos os principais tipos de relés de estado sólido assim como suas principais características e aplicações.

Os Relés de Estado Sólido, ou se adotarmos o nome em inglês Solid-State Relay com a sigla SSR são dispositivos semicondutores que têm as mesmas funções dos relés mecânicos convencionais: comutar circuitos de potências elevadas a partir de sinais de pequenas intensidades, conforme mostra a figura 1.

 

Relés eletromecânico e de estado sólido.
Relés eletromecânico e de estado sólido.

 

Nessa figura comparamos os relés eletromecânicos tradicionais com os relés de estado sólido.

Os relés de estado sólido, em sua maioria, derivam dos conhecidos opto-acopladores, acopladores ópticos ou "opto-couplers" que consistem num emissor de luz (normalmente um LED infravermelho) e um foto sensor que pode ser um foto-transistor, foto-diac, foto-diodo, ou qualquer outro dispositivos sensível à luz.

Originalmente usados para transferir sinais, os opto-acopladores podem também ser usados para comutar cargas a partir de pequenos sinais, e daí temos o que se denomina de relé de estado sólido.

No tipo comum de relé de estado sólido a bobina é substituída por um foto-emissor, normalmente um LED infravermelho e os contactos são substituídos por um dispositivo semicondutor sensível à luz como um foto-transistor, foto-diodo, foto-diac, etc.

O elemento sensível pode então ser usado para comutar um dispositivo de maior potência como, por exemplo, um TRIAC, um SCR ou mesmo MOSFET de potência, conforme mostra a figura 2.

 

Estrutura do SSR.
Estrutura do SSR.

 

Em muitos tipos de uso industrial, no mesmo invólucro encontramos tanto o dispositivo sensor como também o circuito de potência que controla a carga externa.

Os relés de estado sólido possuem características elétricas importantes dadas tanto pela velocidade de comutação como também pelo isolamento, mas também possuem suas desvantagens em relação aos tipos tradicionais.

Assim, se compararmos os relés de estado sólido com os relés mecânicos tradicionais veremos que eles têm as seguintes vantagens:

 

Estado Sólido:

* Não possuem partes móveis

* Não existem contactos que podem provocar arcos

* Não existem materiais que se desgastam com o uso

* Não existe o problema do repique dos contactos (bouncing)

* Não existe ruído acústico

* Não há produção de EMI na comutação

* A velocidade de comutação é maior

* A vida útil é maior

* Possuem uma faixa de tensões e correntes de operação maior

 

No entanto, também existem as desvantagens a serem consideradas como:

* O circuito de saída é sensível podendo ser danificado por sobretensões

* A saída precisa de uma tensão e corrente mínima para operar

* Em alguns casos podem ser mais caros que os relés convencionais

* Normalmente está restrito à operação com um único pólo

* A resistência ON é maior do que a dos relés convencionais

* A capacitância de saída é maior

* É mais sensível a transientes

* Há aquecimento quando correntes elevadas são controladas

* A corrente de fuga no estado OFF é maior

 

No uso dos relés de estado sólido, devido às suas características, é preciso tomar cuidado quando certos tipos de carga são comutados. Isso ocorre, por exemplo, com cargas indutivas, quando existe o perigo de correntes e tensões de surto serem produzidas no circuito comutado, ou ainda quando cargas dinâmicas tais como motores e solenóides são controlados.

Também é preciso tomar cuidado quando lâmpadas incandescentes e elementos de aquecimento são controlados devido à maior corrente inicial, quando estão ainda frios. O uso com lâmpadas de mercúrio, fluorescentes e outros circuitos chaveados com altas indutâncias deve ser evitado.

 

Tipos de Relés de Estado Sólido

Existem basicamente dois tipos de relés de estado sólido que são especificados de acordo com a aplicação.

 

a) Relés pequenos para DC

Os relés de pequena corrente para DC normalmente são fornecidos em invólucros DIP de 6 pinos, conforme o mostrado na figura 3.

 

Relés pequenos para DC.
Relés pequenos para DC.

 

Nesses relés temos como emissor um LED infravermelho e a saída é tipicamente acoplada a um transistor de potência ou outro dispositivo semicondutor, conforme mostra a figura 4.

 

Estrutura do relé pequeno para DC.
Estrutura do relé pequeno para DC.

 

Existem casos em que o elemento de potência já está embutido no próprio relé, não havendo assim a necessidade de elementos externos de controle.

Nos circuitos em que a saída contém um MOSFET a resistência no estado ON pode ser da ordem de 10 ? ou menor. As tensões de saída podem chegar aos 200 ou 300 V e as correntes entre 100 e 200 mA DC.

Como o emissor e o receptor são acoplados opticamente a resistência de isolamento é extremamente elevada chegando a mais de 500 M ? com tensões da ordem de 2 000 Volts ou mais.

 

b) Relés AC para Controle de Energia a Partir da Rede

Os relés de estado sólido para aplicações em AC normalmente possuem opto-diacs para serem ligados a um TRIAC externo. Na figura 5 temos um dispositivo desse tipo. Em alguns casos, o TRIAC já pode estar embutido no próprio dispositivo.

 

Estrutura do relé AC.
Estrutura do relé AC.

 

A etapa de saída, quando possui um TRIAC embutido, normalmente pode manusear tensões de 24 a 250 V com correntes da ordem de 1 a 4 ampères.

Nos tipos em que existe o TRIAC embutido deve ser levada em conta que existe uma queda de tensão de 1 a 1,5 V nesse componente quando em condução. Esse fato é importante para se determinar o calor gerado no dispositivo ao controlar uma carga. Para efeitos de cálculo pode-se considerar uma potência de 1,2 W para cada ampère de corrente conduzida.

A tensão de controle para esses relés varia tipicamente entre 3 e 30 V dependendo dessa tensão a escolha do resistor limitador de corrente, conforme mostra a figura 6.

 

Resistor limitador de corrente.
Resistor limitador de corrente.

 

A corrente de acionamento está entre 8 e 16 mA, tipicamente.

Da mesma forma que nos relés DC, como o acoplamento entre o emissor e o receptor é feito por luz, temos uma tensão de isolamento extremamente alta que pode ser da ordem de 2 000 volts ou mais.

 

Detector de Passagem Por Zero

Quando se trabalha com controles de potência ligados à rede de energia (AC), um fator importante no projeto é o instante em que a tensão passa por zero. Trata-se do ponto de "zero crossing" ou cruzamento por zero, mostrado na figura 7.

 

Cruzamento por zero.
Cruzamento por zero.

 

A detecção desse instante é importante porque ele serve de referência para a medida do ângulo de retardo ou ângulo de fase para o disparo para o TRIAC ou outro elemento de controle. Num controle de potência, a passagem por zero é a referência para o ajuste do circuito.

Os relés mecânicos não conseguem fazer essa detecção, mas para um relé de estado sólido isso é perfeitamente possível, conforme mostra o simples circuito da figura 8.

 

Circuito para detecção de passagem por zero.
Circuito para detecção de passagem por zero.

 

SCR e TRIAC como Relés

Os SCRs e TRIACs podem ser usados como relés controlando correntes alternadas mais intensas a partir de acopladores que possuam os elementos apropriados internamente ou diretamente a partir de sinais aplicados a suas comportas (gates). Para o caso dos SCRs como eles conduzem a corrente num único sentido temos de usar um artifício para o controle dos dois semiciclos.

Assim, na figura 9 temos um circuito de relé semicondutor usando um SCR na configuração de meia onda e outro de onda completa.

 

Circuito empregando SCR
Circuito empregando SCR

 

Para o caso do TRIAC temos um circuito de aplicação típico mostrado na figura 10.

 

Circuito empregando TRIAC.
Circuito empregando TRIAC.

 

O tempo de comutação do circuito com triac é extremamente rápido, menor do que microssegundos para cargas AC comuns. O valor de R1 deve ser calculado de tal forma a se obter a corrente de disparo do TRIAC no início do semiciclo.

O TRIAC usado neste circuito deve ter uma tensão de pico de pelo menos 200 V se a rede for de 110 V e pelo menos 350 V se a rede for de 220 V.

 

Circuitos Práticos com Opto-Acopladores

No circuito anterior não existe um isolamento do componente controlado do circuito de controle, como ocorre com um relé comum.

Para obtermos esse isolamento é importante o uso do opto-acoplador.

Assim, um primeiro cuidado para se projetar um relé de estado sólido é saber como o opto-acoplador deve ser excitado.

A configuração mais simples para essa excitação é a mostrada na figura 11.

 

Configuração mais simples.
Configuração mais simples.

 

Levando em conta que a queda de tensão no LED emissor interno é da ordem de 1,5 V, o resistor R1 é calculado pela seguinte fórmula:

 

R1 = (V - 1,5)/I

 

Onde:

R1 é o valor de R1 em ?

V é a tensão de entrada

I é a corrente necessária à excitação do foto-sensor do opto-acoplador

 

Veja que nesta aplicação é preciso que o sinal de controle (V) seja fixo, já que uma variação muito grande pode implicar na não excitação do relé ou ainda numa sobrecarga do LED emissor.

O ideal, para permitir que o emissor trabalhe com uma faixa mais ampla de tensões de entrada consiste em se ter um circuito excitador que forneça uma corrente constante. Para isso existem diversas possibilidades.

A primeira possibilidade é a mostrada na figura 12 e faz uso de um transistor NPN de uso geral como o BC548.

 

Usando um transistor NPN de uso geral.
Usando um transistor NPN de uso geral.

 

Neste circuito o resistor R2 determina a intensidade da corrente, o que significa que seu valor deve ser determinado a partir das características do emissor do opto-acoplador. R2 é calculado pela seguinte fórmula:

 

R2 = 0,7/I

 

Onde:

R2 é a resistência em ? deste componente

I é a intensidade da corrente no LED emissor

 

Outra configuração de fonte de corrente constante usando um transistor bipolar é mostrada na figura 13.

 

Usando transistor bipolar.
Usando transistor bipolar.

 

O resistor R2, que determina a intensidade da corrente no emissor é calculado da mesma forma que no caso anterior. Uma vantagem deste circuito é que ele pode ser usado com tensões de entrada que variam entre 3 e 30 V.

Outra forma de se obter uma corrente constante para o LED emissor é usando um regulador fixo de tensão como o 7805 ou 7806, conforme mostra a figura 14.

 

Utilizando regulador fixo de tensão.
Utilizando regulador fixo de tensão.

 

Neste circuito o resistor R1 é calculado para fornecer, com a tensão de saída do regulador, a corrente que o LED emissor precisa para excitar o receptor. A tensão de entrada estará entre 2 V a mais que a tensão de saída do regulador e tipicamente 30 V.

Observamos que nesse cálculo deve ser considerada a queda de tensão de 1,3 a 1,5 V que ocorre no LED emissor. Assim a fórmula para o cálculo de R será:

 

R = (Vs - 1,5)/I

 

Onde:

R é o valor do resistor limitador em ?

Vs é a tensão de saída do regulador de tensão em volts

I é a corrente de excitação do LED em ampères

 

No entanto, com um regulador ajustável de tensão, podemos elaborar uma fonte de corrente constante para o LED excitador com mais facilidade e precisão, conforme mostra a figura 15.

 

Utilizando regulador ajustável de tensão.
Utilizando regulador ajustável de tensão.

 

Neste circuito, o valor de R é dado por:

 

R = 1,2/I

 

Onde:

R é o resistor limitador em ?

I é a corrente desejada no LED emissor em ampères

 

Podem ser usadas versões do Lm317 ou Lm350 de menor dissipação (200 mA) em invólucros TO-54.

 

Proteção de Entrada

Um fator importante para se garantir a integridade dos opto-acopladores quando usados como relés de estado sólido é evitar a inversão da polaridade do sinal de entrada.

Se o LED de um opto-acoplador for submetido a uma tensão inversa de mais de 3 V ele pode queimar-se. Para isso, é sempre interessante utilizar um circuito de proteção que pode ser um diodo invertido, em paralelo, conforme mostra a figura 16.

 

Proteção de entrada.
Proteção de entrada.

 

Diodos de uso geral como o 1N4148, 1N914 ou mesmo diodos retificadores como o 1N4002, 1N4004 servem para esta finalidade.

 

MOC3010/MOC3020

Dois opto-acopladores especialmente indicados para aplicações como relés de estado sólido comutando diretamente TRIACs de alta potência são os MOC3010 e MOC3020.

O MOC3010 é indicado para aplicações na rede de 110 V enquanto que o MOC3020 para a rede de 220 V. Esses componentes, possuem algumas variações (3009, 3011, 3012, 3021, 3022, 3023) que se diferenciam apenas pela corrente no LED para a excitação. Na figur17 a pinagem e circuito equivalente deste componente.

 

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MOC3010/MOC3020

 

Conforme podemos ver, esses componentes possuem opto-diacs que são disparados diretamente pela luz emitida pelo LED infravermelho. O MOC3010 precisa de uma corrente de 8 mA para produzir o disparo (os de números mais altos são maios sensíveis, chegando a 3 mA para o MOC3012). Para o MOC3020 a corrente é 15 mA (o 3021 tem uma corrente de 8 mA).

Para o MOC3010 e para o MOC3020 temos o circuito típico para cargas não indutivas mostrados na figura 18.

 

Circuito típico para cargas não indutivas.
Circuito típico para cargas não indutivas.

 

Os valores entre parêntesis são para o caso do MOC3020. Se a carga for indutiva deve ser usado o circuito da figura 18.

 

Circuito típico para cargas indutivas.
Circuito típico para cargas indutivas.

 

 

Configurações com Semicondutores Comuns

Opto-isoladores como o 4N27 que usa em seu interior como elemento receptor um transistor comum também podem ser usados em relés de estado sólido.

Na figura 20 temos um circuito típico em que um BC547 é usado para amplificar o sinal do foto-transistor e disparar um TRIAC ligado na rede de 220 V.

 

Configuração com semicondutores comuns.
Configuração com semicondutores comuns.

 

Veja que este circuito precisa de uma alimentação auxiliar de 9 V para alimentar o circuito excitador. O circuito precisa de uma corrente da ordem de 60 mA para disparar o TRIAC.

 

Conclusão

Os relés de estado sólido estão em uso cada vez mais freqüente nos equipamentos industriais e de todos os tipos. Conhecendo suas configurações básicas o profissional não só pode saber como fazer o diagnóstico de seus circuitos como também projetar um relé para uma aplicação mais específica.

Mais do que isso, o profissional será capaz de substituir um relé convencional por um relé de estado sólido com vantagens quando isso for possível.

O que vimos neste artigo é apenas um pouco das configurações possíveis com que esses úteis relés podem ser encontrados. O leitor deve se manter atento à novos artigos que abordam configurações de relés de estado sólido.

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