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Relés de Estado Sólido - Tecnologias e Vantagens (ART1307)

A substituição de dispositivos que tenham partes mecânicas por equivalentes que sejam totalmente de estado sólido apresenta uma infinidade de vantagens tanto em termos de custo como de confiabilidade. Este é o caso dos relés de estado sólido (SSR - Solid State relays) que cada vez mais substituem os equivalentes eletromecânicos (EMR - Electro-Mechanical Relays). Veja neste artigo como funcionam estes dispositivos e as suas principais vantagens.

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 foto-sensor de potência conduza intensamente a corrente, conforme diagrama de blocos mostrado na figura 2, em que temos diversos tipos de sensores.

 

 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. Na figura 3 temos algumas técnicas utilizadas para a disposição dos elementos de um SSR.

 

 A - Montagem face-a-face
A - Montagem face-a-face
B - Montagem coplanar
B - Montagem coplanar
 Isolamento reforçado
Isolamento reforçado

 

Para a configuração de saída do circuito com um MOSFET de potência temos o circuito típico da figura 4.

 

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

 

Vantagens

* Os SSR são muito menores e mais leves que os relés eletromecânicos (EMR) equivalentes. Isso é de grande importância principalmente nas aplicações compactas. Os SSR possibilitam uma grande economia de espaço na placa de circuito impresso.

* Como os SSRs não possuem partes móveis, sua confiabilidade é muito maior. Não existem partes que se desgastam e, além disso, seu funcionamento é perfeitamente silencioso.

* O problema do repique dos contactos, que ocorre com os EMR não existe no caso dos SSR não havendo, portanto, necessidade de circuitos ou recursos adicionais para sua eliminação. Os SSR podem excitar diretamente circuitos eletrônicos como muito maior facilidade.

* A ausência de partes móveis também possibilita o alcance de velocidades de operação muito maiores e uma vida útil também maior.

* 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 dos 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. Temos ainda que 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 a 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.

 

* Os relés eletromecânicos geram uma boa quantidade de ruídos que podem afetar circuitos semicondutores. Seu posicionamento na placa deve ser estudado cuidadosamente para que não ocorram influências nos demais circuitos na mesma placa.

* Relés e circuitos semicondutores devem ser mantidos o mais afastado um do outro quanto seja possível.

* O supressor usado com o relé deve ficar o mais próximo quanto seja possível deste componente.

* Evite a passagem de trilhas de sinais, principalmente áudio, próxima de um relé.

* O traçado das trilhas que alimentam o relé devem ser os mais curtos possíveis.

* Se o circuito for sensível, utilize blindagem para evitar a influência do relé.

 

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. Também 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.

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N° do componente 

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Opinião

Terminando mais um ano (OP198)

Estamos chegando ao final de mais um ano de muito trabalho. Não temos que nos queixar de nossas realizações. Fizemos muito e constatamos que temos ainda muito mais por fazer. Os 365 dias de 2019 não foram suficientes para colocarmos em prática todas as nossas ideias, muitas das quais ficaram para o próximo ano.

 

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