Como funcionam os Relés de Estado Sólido (ART651)

Os dispositivos eletromecânicos encontrados nos equipamentos eletrônicas estão cada vez mais sendo substituídos por equivalentes de estado sólido. Este é o caso dos relés de estado sólido (SSR - Solid State relays) que cada vez mais substituem os equivalentes eletromecãnicos (EMR - Electro-Mechanical Relays). Veja neste artigo como funcionam estes dispositivos e as suas principais vantagens. Neste artigo revisado em 2012 temos uma abordagem importante do assunto que pode ser complementada pela leitura do livro Relés- Funcionamento e Aplicações do mesmo autor deste artigo.

Os relés eletromecânicos (EMR) combinam uma parte elétrica como um sistema mecânico de acionamento. Neles, conforme mostra a figura 1, uma bobina, ao ser energizada atrai uma armadura que movimenta um conjunto de contactos que são responsáveis pela ação do dispositivo num circuito elétrico.

 

Estrutura de um relé eletromecânico comum (EMR).
Estrutura de um relé eletromecânico comum (EMR).

 

Além do tamanho, estes componentes têm por desvantagem a presença de partes mecânicas móveis que se desgastam, produzem ruído ao operar e além disso os contactos que estão sujeitos a diversos problemas como, por exemplo, o repique e a produção de ruídos de natureza elétrica. Num relé de estado sólido o que temos é um circuito de acionamento formado por um acoplador óptico, o qual ao ser energizado faz com que um FET de potência conduza intensamente a corrente, conforme diagrama de blocos mostrado na figura 2.

 

Diagrama de blocos correspondente a um relé de estado sólido (SSR).
Diagrama de blocos correspondente a um relé de estado sólido (SSR).

 

Na prática, o emissor e o receptor são montados num invólucro muito pequeno, havendo uma separação entre eles e eventualmente um material que aumente o isolamento. Nas figuras abaixo temos algumas técnicas utilizadas para a disposição dos elementos de um SSR.

 

Montagem face-a-face
Montagem face-a-face

 

Montagem coplanar
Montagem coplanar

 

Isolamento reforçado
Isolamento reforçado

 

Para a configuração de saída do circuito com um MOSFET de potência temos o circuito típico da figura abaixo.

 

  Circuito típico de saída de um SSR.
Circuito típico de saída de um SSR.

 

 

Vantagens

 

 

Os SSR podem ser obtidos em versões tão pequenas que possibilitam a montagem em superfície (SMT), o que os torna ideal para a sua utilização em linhas de montagem automatizadas.

 

Todas estas características levam a uma enorme gama de aplicações para os SSR tais como em telecomunicações, comunicação de dados, aplicações industriais, eletrônica de consumo, aeroespacial, aplicações de segurança, eletrônica embarcada, equipamentos médicos e muito mais.

 

Especificações de Relés - EMR/ESR

No trabalho com relés eletromecânicos é comum que se faça a escolha de componentes que sejam super-especificados para a aplicação. Uma margem de segurança deve ser dada no sentido de se garantir maior confiabilidade. Normalmente isto é feito em relação à corrente que pode ser manuseada. Utilizam-se sempre relés com uma capacidade de corrente maior devido tanto à problemas de degradação cos contactos como também devido ao problema de que, trabalhando no limite, os relés tendem a ter seus contactos "grudados".

Para os SSRs não é preciso deixar uma margem de segurança grande em relação à corrente da carga que deve ser controlada. Isso ocorre porque não existe o problema da corrosão dos contactos e além disso, é mais fácil encontrar um tipo de corrente baixa o suficiente para controlar um determinado tipo de carga, o que não sempre possível para o caso dos relés eletromecânicos.

 

Vantagens em Funcionamento

Na placa de circuito impresso, encontramos outras vantagens para o SSR em relação aos EMR. Os relés eletromecânicos produzem um campo magnético que pode interagir com outros elementos do circuito causando problemas. Isso não ocorre com os SSR. Além disso, a ação dos contactos pode também gerar ruídos captados pelos diversos elementos do circuito, causando problemas de funcionamento. Os SSRs não produzem nenhum tipo de interação magnética, não geram ruídos elétricos e também são imunes à choques mecânicos. Esse problema de gerar campos, no caso dos EMR, também faz com que exista uma distância mínima recomendável entre eles na montagem, para que não ocorram interações.

 

Ruídos

Nos dias atuais existe uma preocupação muito grande com os ruídos tanto os gerados pelos equipamentos como os que podem ser captados, tendo origem em outros equipamentos ou em outras fontes. Assim, EMI é um item de grande importância em qualquer projeto e no caso dos EMR ela é especialmente crítica. Os relés eletromecânicos podem gerar muitos ruídos devendo ser tomadas medidas para que eles não influenciem o funcionamento do equipamento ou ainda sejam irradiados. Para os relés devem ser considerado os seguintes pontos.

 

 

 

 

Outros problemas

Também deve ser levado em conta que os SSR não são tão sensíveis às vibrações quanto os relés eletromecânicos. Para os EMR, nos casos mais sensíveis deve-se até estudar a orientação de sua montagem numa placa de modo a minimizar este problema. Os relés eletromecânicos também são mais sensíveis à fadiga causadas pelas variações da temperatura, o que não ocorre com os SSRs. Além disso temos os problemas de custos de montagem, observando-se que a possibilidade de se ter SSRs para montagem em superfície pode ser um fator determinante para a adoção desta tecnologia, nos casos mais críticos.

 

Conclusão

Somando a tudo que vimos o isolamento muito maior que é possível obter entre o circuito de controle e o circuito controlado, vemos que a confiabilidade de um SSR é muito maior do que a de um EMR na maioria das aplicações. No entanto, os SSR também tem alguns pontos críticos que devem sem observados em algumas aplicações. Nestes componentes, a condução da corrente para a carga é feita por um MOSFET que não é um dispositivo que tem uma resistência nula. Assim, existe não só uma dissipação mas também uma queda de tensão a ser considerada. De qualquer forma, com os pontos abordados neste artigo em mente, o leitor estará apto a fazer uma boa escolha para seu novo projeto.