Introdução

Os relés desempenham um papel significativo nos sistemas de controle elétrico. Existem muitos tipos de relés, como relés eletromagnéticos, relés de tempo e relés térmicos. Os relés de estado sólido (SSRs) são um deles. Eles podem fornecer/cortar energia para aparelhos elétricos usando um sinal de controle de baixa tensão. Neste artigo, discutiremos os SSRs, como eles funcionam e suas aplicações.

Introdução aos tipos de relé

Há momentos em que precisamos controlar um equipamento elétrico de alta tensão/alta corrente usando um pequeno sinal. Por exemplo, imagine um cenário onde precisamos controlar um motor 220HP monofásico de 1V usando uma pequena chave/botão ou usando um CLP. Em uma aplicação como esta, o motor não pode ser conectado diretamente ao CLP ou à chave. Isso não apenas excede a classificação do switch, mas também representa um risco elétrico devido às altas tensões e correntes sendo manuseadas.

Os relés são úteis nesses casos. Um relé nos permite controlar um grande aparelho que consome uma corrente mais alta (como uma carga de 220V 20A) usando um pequeno sinal de tensão (24V, 100mA). Um relé também fornece isolamento elétrico entre o lado de alta tensão e o lado de baixa tensão. Os relés são dispositivos do tipo liga/desliga que possuem apenas esses dois modos distintos de operação.

Antes de passarmos para os relés de estado sólido, vamos examinar alguns dos tipos mais populares de relés disponíveis no mercado para entender como funciona um relé comum.

Existem muitos tipos de relés disponíveis no mercado. Em geral, são chaves liga/desliga controladas eletricamente que possuem configuração mono/multipolar e de acionamento. 

Aqui estão alguns dos tipos de relés populares e suas funcionalidades em resumo:

• Relés eletromagnéticos/eletromecânicos
  • Estes são os tipos de relés mais populares e genéricos. Eles consistem em um braço mecânico que faz/interrompe contato com os terminais condutores de contato do relé e é acionado pela aplicação de uma tensão na bobina embutida. Relés eletromagnéticos podem controlar aparelhos AC e DC. Os relés eletromagnéticos estão disponíveis em várias tensões de bobina e classificações de contato.
• relés de sinal pequeno
  • Os relés de sinal pequeno são encontrados principalmente em aplicações de automação automotiva e industrial. Estas são versões em miniatura de relés eletromecânicos que comutam sinais de baixa tensão e baixa corrente, como sinais de saída digital de PLC.
• Relés de retardo de tempo
  • Os relés de retardo de tempo consistem em um temporizador embutido e um relé eletromecânico para atrasar a ativação após a aplicação de um sinal de ativação. Estes são encontrados em circuitos de controle de motores para iniciar motores de alta potência.
• relés polarizados
  • Os relés polarizados são um tipo especial de relé sensível à direção da corrente aplicada. Quando uma corrente CC é aplicada à bobina em uma determinada polaridade, o relé muda para uma determinada posição, ativando um determinado conjunto de contatos. Quando a polaridade é trocada, ela ativa outro conjunto de contatos. Quando a energia é removida, alguns relés polarizados retornam à 'posição neutra' para interromper todos os contatos.

O outro tipo de relé mais popular é o relé de estado sólido. Com o entendimento sobre os relés que temos até agora, vamos discutir os relés de estado sólido.

O que é um relé de estado sólido?

Um relé de estado sólido (também conhecido como SSR) é outro tipo de relé que opera a partir de um pequeno sinal de entrada AC/DC. Os SSRs funcionam de forma muito semelhante aos EMRs (Relés Eletromecânicos). No entanto, eles não têm os componentes móveis. Em vez disso, os SSRs usam componentes elétricos e ópticos (o que dá o nome de estado sólido) para executar a tarefa de comutação e manter o sinal de entrada isolado do lado de comutação.

Semelhante a um relé eletromecânico, os relés de estado sólido também fornecem resistência/impedância de contato quase infinita quando aberto e resistência/impedância quase zero durante a operação. Dependendo da construção interna do circuito de controle, os SSRs podem controlar CA, CC ou ambos os tipos. Isso é possível devido à variedade de opções de semicondutores disponíveis como eletrônica de potência. Os relés de estado sólido podem ser projetados usando SCRs, TRIACs ou até mesmo transistores/MOSFETs.

Uma das principais coisas que diferencia um SSR de sua contraparte eletromecânica é a vida operacional. Os relés eletromecânicos têm um ciclo de vida de contato muito limitado porque eles ativam/desativam fisicamente os contatos. Isso faz com que arcos elétricos sejam gerados entre os contatos de abertura que degradam a superfície de contato. Embora os relés de serviço pesado sejam projetados para combater isso, eles não são permanentemente imunes ao desgaste.

Os SSRs, por outro lado, são totalmente em estado sólido e não possuem partes móveis. Isso permite que eles durem milhares de ciclos de comutação sob carga nominal sem ter que se preocupar com a estabilidade operacional. Isso também melhora a velocidade de comutação do SSR. 

Circuito de Relé de Estado Sólido

Os relés de estado sólido são dispositivos simples do ponto de vista da usabilidade. Eles possuem entrada de sinal de controle e uma saída chaveada que controla cargas elétricas de alta potência. Sua construção interna é muito mais complicada do que aparenta. Vamos discutir o circuito SSR e como ele funciona.

Como mencionado anteriormente, os relés de estado sólido oferecem isolamento elétrico entre o lado do sinal de controle e o lado da carga. Semelhante aos relés eletromecânicos onde o isolamento ocorre por meio de contatos separados fisicamente, os SSRs conseguem isso isolando opticamente o sinal de entrada.

Isso é feito usando um dispositivo semicondutor especial chamado 'optoacoplador' (também conhecido como 'optoisolador'). Os optoacopladores contêm um ou mais diodos emissores de infravermelho ou LEDs junto com um dispositivo fotossensível para fornecer isolamento de sinal óptico. 

Quando o sinal de controle é fornecido (tensão DC muito baixa na faixa de 2-3V), ele liga o LED IR embutido no SSR. O feixe emitido é recebido pelo dispositivo fotossensível para ativar a saída. O dispositivo fotossensível é colocado mais distante do emissor e para fornecer o isolamento elétrico. Com essa implementação, um SSR pode alternar facilmente uma carga de 220 V CA com um sinal de controle tão baixo quanto 5 V CC.

O sinal de controle pode se originar de várias maneiras. Pode ser qualquer um,

• Sinal DC de estado sólido
  • Os sinais CC de estado sólido podem ser originários de interruptores simples ou fontes de energia direta, como células de bateria.
• Sinal de saída digital
  • Controladores como microcontroladores ou microprocessadores, PLCs também podem gerar sinais que podem ser alimentados em SSRs para controlar cargas.
• Sinais de porta lógica
  • Para aplicações que não requerem o poder de processamento de um microcontrolador, a saída de um circuito de porta lógica combinacional pode ser conectada a um SSR para ligar/desligar uma carga de acordo com um conjunto de entradas condicionais.

Tipos de SSR

Existem muitos tipos de relés de estado sólido. Eles diferem entre si pela funcionalidade. O princípio de funcionamento é muito semelhante, embora sejam usados ​​em aplicações diferentes.

SSR de comutação instantânea

Os relés de estado sólido de comutação instantânea ligam a saída imediatamente quando uma tensão de controle é aplicada. Esses SSRs têm tempo de resposta atípico inferior a 1 milissegundo, tornando-os um componente ideal para aplicações que requerem resposta rápida e/ou controle de ângulo de fase. Estes também encontram aplicações em comutação de carga indutiva.

Os SSRs de comutação instantânea geralmente são feitos de triacs para permitir o controle de sinais AC independentemente do ângulo de fase no momento da comutação. Isso funciona de forma idêntica a um interruptor regular, onde o ponto de ativação é aleatório.

SSR de Comutação Zero

A comutação zero, também conhecida como SSRs de cruzamento zero, é ativada no primeiro ponto de cruzamento zero da tensão da linha, independentemente do tempo em que o sinal de controle é aplicado. Para uma tensão de linha senoidal de 50 Hz, o tempo de resposta pode estar entre quase zero e 10 ms (menos da metade do período).

Esses SSRs têm um circuito interno especial chamado 'detector de cruzamento zero'. Quando o sinal de controle é aplicado, este circuito gera um pulso assim que a forma de onda senoidal AC atinge o ponto 0V. Isso liga o triac que controla a carga e o triac permanece condutivo até que a tensão da linha chegue a zero novamente. O ciclo se repete enquanto a tensão de controle for aplicada.

Os SSRs de cruzamento zero encontram suas aplicações em sistemas de controle de carga resistiva, capacitiva e indutiva. A ativação no ponto de passagem por zero garante uma corrente de pico mínima fluindo para a carga durante a inicialização. 

SSR de comutação de pico

Complementar ao tipo de cruzamento zero, os SSRs de comutação de pico ativam a saída no primeiro pico da tensão de linha ao aplicar a tensão de controle. Após esse meio ciclo, o SSR continua a funcionar como um SSR de cruzamento zero. 

Nos SSRs de comutação de pico, um detector de cruzamento zero é acoplado a um estágio inicial de detector de pico para gerar o primeiro pulso de ativação. O SSR não liga até que a tensão da linha atinja seu pico de tensão. Assim que o pico é detectado, a carga recebe energia através do triac. Quando comutadas em um pico da tensão de alimentação, as cargas indutivas consomem a menor quantidade de corrente de irrupção. O uso de SSRs de comutação de pico é benéfico em tais aplicações para garantir que a carga seja protegida contra correntes de pico.

Os SSRs de comutação de pico são usados ​​com cargas altamente indutivas, como transformadores e motores de alta potência. 

Comutação Analógica SSR

Os SSRs de comutação analógica são um tipo especial de SSRs. Eles operam com um sinal de corrente DC de 4-20mA. A fase de saída é proporcionalmente influenciada pelo sinal de entrada. Quando o sinal de tensão/corrente de controle é removido, o SSR desliga. Os relés analógicos de estado sólido possuem circuitos integrados que funcionam como um sistema de realimentação de malha fechada para controlar a tensão de saída em função da tensão de entrada.

SSR de comutação CC

Para cargas resistivas e indutivas, os SSRs de comutação CC são amplamente utilizados. DC SSRs controlam a carga usando MOSFETs de BJTs, portanto, eles são melhor usados ​​com cargas DC, como elementos de aquecimento DC, válvulas solenóides e motores DC com escovas. Uma vez que estes não possuem proteção contra contragolpe indutiva integrada, é necessário conectar um diodo de roda livre externo aos terminais de saída na configuração de polarização reversa.

Métodos de Controle

Diferentes tipos de SSRs têm diferentes métodos de condução. Conforme mencionado acima, os SSRs requerem apenas um pequeno sinal de controle para alternar uma tensão mais alta e uma carga de corrente mais alta. Aqui estão alguns dos métodos usados ​​para controlar a entrada de um SSR.

Comutação DC Direta

O método mais simples de conduzir um SSR é aplicando a tensão de controle diretamente ao SSR. Por exemplo, se a tensão de controle de um SSR for 12 Vcc, o fornecimento direto do sinal de tensão às entradas de controle liga o SSR. Esse tipo de implementação simples pode ser encontrado em circuitos de controle de motor direto on-line.

controle de transistor

Em alguns casos, a tensão do sinal de controle pode não ser alta o suficiente para acionar diretamente as entradas do SSR. Por exemplo, um microcontrolador funcionando a 5V ou 3.3V pode não ser capaz de fornecer tensão e corrente suficientes para acionar o circuito interno do SSR. Nesses casos, as tensões lógicas precisam ser convertidas em um sinal de controle para a entrada do SSR. Ao implementar um circuito semelhante à imagem acima, um pequeno sinal de entrada pode facilmente controlar o SSR. O circuito de transistor NPN mostrado acima pode ligar o SSR quando uma tensão positiva é aplicada ao terminal de base.

Controle de lógica combinacional

Em aplicações onde a lógica condicional é necessária, mas o sistema é muito simples para ser controlado por um sistema de controle baseado em microcontrolador, como um PLC, portas lógicas podem ser usadas. Com um circuito semelhante ao mostrado abaixo, a saída invertida de um circuito lógico combinacional positivo pode acionar diretamente um SSR para controlar uma carga elétrica.

sinal de controle CA

Alguns sistemas usam apenas energia CA tanto na eletrônica de controle quanto na eletrônica de potência. Incorporar um SSR em tal sistema pode ser um desafio porque os SSRs são principalmente acionados usando sinais DC. No entanto, com o princípio de retificação de ponte completa, um sinal CA em um nível de tensão compatível pode ser convertido em um sinal de tensão CC retificado para acionar as entradas do SSR. A figura abaixo mostra tal implementação.

No entanto, a maioria dos fabricantes de SSR oferece relés de estado sólido de entrada CA em sua série SSR para superar essa sobrecarga adicional.

Vantagens do relé de estado sólido

SSRs têm muitas vantagens, incluindo,

• Longa vida útil e alta confiabilidade
• Tempos de resposta rápidos
• EMI baixo
• Nenhum arco de contato devido à falta de componentes mecânicos
• Alta resistência à vibração, choque e poeira
• Operação silenciosa
• Compatibilidade lógica

No entanto, os SSRs também têm algumas desvantagens:

• Queda de tensão de contato
  • Como os SSRs são feitos com dispositivos semicondutores, eles apresentam uma resistência em série inerente mesmo quando totalmente ligados. Por exemplo, os tiristores podem ter uma queda de tensão de 1-1.6 V nos terminais. Isso gera calor, que requer resfriamento passivo ou ativo.
• Problemas de tensão transiente e limitações dV/dt
  • Se não forem implementados adequadamente, os SSRs representam o risco de ativação aleatória causada por ação regenerativa devido à capacitância inerente presente nos estágios semicondutores.

Como escolher o relé de estado sólido correto

Ao escolher um SSR para uma aplicação específica, considere os seguintes pontos principais:

Informações gerais

Selecione um SSR que possa lidar com a corrente de carga nominal, tensão e temperatura operacional. O SSR geralmente deve ter uma classificação mais alta do que a aplicação pretendida.

Recursos de proteção

O SSR deve ter proteção adequada contra sobrecarga térmica, sobrecorrente e proteção de tensão transiente. Em muitos casos, esses circuitos devem ser conectados externamente.

Além disso, certifique-se de que o SSR esteja em conformidade com os padrões de isolamento para a aplicação. Por exemplo, SSRs de ponta superior têm resistência de isolamento de entrada para saída de >=4000Vrms CA e resistência de isolamento de saída para caixa de >= 2500Vrms CA

Conformidade com os padrões da indústria

A seleção de um SSR fabricado em conformidade com os padrões IEC, UL e similares da indústria garantirá a integridade e a confiabilidade do sistema.

Conclusão

Os relés de estado sólido são excelentes dispositivos de comutação que podem substituir os relés eletromecânicos convencionais em muitos casos. O custo inicial de implementação de um sistema baseado em SSR é relativamente alto, as vantagens superam facilmente as desvantagens e justificam o custo.