Relé de estado sólido: tipos, aplicação prática, esquemas de conexão

Os clássicos arrancadores e contatores estão gradualmente ficando no passado. Seu lugar na eletrônica automotiva, eletrodomésticos e automação industrial é ocupado pelo relé de estado sólido – um dispositivo semicondutor que não possui partes móveis.

Os dispositivos possuem diferentes construções e esquemas de conexão, dos quais dependem suas áreas de aplicação. Antes de usar o dispositivo, é necessário entender seu princípio de funcionamento, conhecer as particularidades de funcionamento e conexão dos diferentes tipos de relés. As respostas para essas questões estão detalhadas no artigo apresentado.

Dispositivo do relé de estado sólido

Os relés de estado sólido modernos (SSR) são dispositivos semicondutores modulares que funcionam como interruptores elétricos de potência.

Os principais componentes de trabalho desses dispositivos são triacs, tiristores ou transistores. Os SSR não possuem partes móveis, diferindo dos relés eletromecânicos.

O tamanho do relé de estado sólido depende em grande parte da carga máxima permitida e da capacidade de dissipar calor por transferência térmica e convecção (+)

A estrutura interna desses dispositivos pode variar bastante dependendo do tipo de carga controlada e do esquema elétrico.

Os relés de estado sólido mais simples incluem os seguintes componentes:

• módulo de entrada com fusíveis;
• circuito disparador;
• isolamento óptico (galvânico);
• módulo de comutação;
• circuitos de proteção;
• módulo de saída para a carga.

O módulo de entrada do SSR consiste em um circuito primário com um resistor conectado em série. O fusível é opcionalmente incorporado neste circuito. A função do módulo de entrada é receber o sinal de controle e transmitir o comando aos interruptores que comutam a carga.

Em corrente alternada, utiliza-se o isolamento galvânico para separar o circuito de controle do circuito principal. O princípio de funcionamento do relé depende em grande parte da sua configuração. O circuito disparador responsável pelo processamento do sinal de entrada pode ser incluído no módulo de isolamento óptico ou ser disposto separadamente.

O módulo de proteção evita sobrecargas e erros, pois em caso de falha do dispositivo, o equipamento conectado também pode ser danificado.

A principal finalidade dos relés de estado sólido é fechar/abrir um circuito elétrico usando um sinal de controle fraco. Diferentemente dos equivalentes eletromecânicos, eles têm um formato mais compacto e não produzem cliques característicos durante a operação.

Princípio de funcionamento do SSR

O funcionamento de um relé de estado sólido é bastante símples. A maoria dos RES é progetada para controlar automoção em redes de 20-480 V.

O isolamento óptico permite gerar sinais de controle de potência mínima, o que é crítico para sensores que opera com fontes de alimentção autônomas (+)

N configuração clássica, o corpo do dispositivo incui doos contatos do circuito com autado e dois fios de controle. A quantdade pode variar com o aumento do número de fases conectadas. Dependendo da presença de tensão no circuito de controle, a carga princial é ligada ou deslgada por elementos semiconductores.

Uma característca dos relés de estado sólido é a resistência não infnita. Equanto os contatos em dipositivos eletromecânicos se separam completamente, nos relés de estado sólido a ausência de corrente no circuito é garantida pelas propidades dos materias semiconductores.

Portanto, em tensões elevadas, podem surgir pequenas correntes de fuga, que podem afetar negatvamente o funcionamento dos equipamentos conectados.

Classificação dos relés de estado sólido

As áreas de aplicação dos relés são diverss, portfanto suas características constutivas podem variar bastnte, dependendo das necesidades do esquema automático especíico. Os RES são classificados pelo número de fases conectadas, tipo de corrente de trabalho, características constutivas e tipo de esquema de controle.

Pelo número de fases conectadas

Os relés de estado sólido são usados tanto em aparelhos domésticos quanto em automação industrial com tensão de trabalho de 380 V.

Portfanto, esses dispitivos semicondutores, dependendo do número de fases, são divididos em:

• monfasicos;
• trifasicos.

RES monfasicos permitem trabalhar com correntes de 10-100 ou 100-500 A. Seu controle é realzado por meio de um sinal analógico.

Recomenda-se conectar fios de cores diferentes ao relé trifasico, para que, durante a instalação do equipamento, eles possam ser conectados corretamente.

Relés de estado sólido trifasicos são capazes de conduzir corrente na faixa de 10-120 A. Seu design prevê um princípio de funcionamento reversível, que garante a confiabilidade da regulação de vários circuitos elétricos simultaneamente.

Frequentemente, os RES trifasicos são usados para garantir o funcionamento de um motor assíncrono. Em seu esquema elétrico de controle, devem ser incluídos fusíveis rápidos devido às altas correntes de partda.

Pelo tipo de corrente de operação

Relés de estado sólido não podem ser configurados ou reprogramados, portanto, só podem funcionar normalmente em uma faixa específica de parâmetros elétricos da rede.

Dependendo das necessidades, os relés de estado sólido (RES) podem ser controlados por circuitos elétricos com dois tipos de corrente:

• corrente contínua;
• corrente alternada.

Da mesma forma, os RES podem ser classificados pelo tipo de tensão da carga ativa. A maioria dos relés em aparelhos domésticos opera com parâmetros variáveis.

A corrente contínua não é utilizada como fonte principal de eletricidade em nenhum país do mundo, portanto, relés desse tipo têm uma aplicação limitada.

Dispositivos com corrente de controle contínua são caracterizados por alta confiabilidade e usam tensão de 3-32 V para regulação. Eles suportam uma ampla faixa de temperatura (-30..+70°C) sem alterações significativas nas características.

Relés regulados por corrente alternada têm tensão de controle de 3-32 V ou 70-280 V. Eles se caracterizam por baixas interferências eletromagnéticas e alta velocidade de disparo.

Por características construtivas

Relés de estado sólido são frequentemente instalados no quadro elétrico geral de um apartamento, por isso muitos modelos possuem um soquete de montagem para fixação em trilho DIN.

Além disso, existem dissipadores de calor especiais colocados entre o RES e a superfície de apoio. Eles permitem resfriar o dispositivo sob altas cargas, mantendo suas características operacionais.

O relé é fixado ao trilho DIN principalmente por meio de um suporte especial, que também tem a função adicional de dissipar o excesso de calor durante o funcionamento do aparelho.

Entre o relé e o dissipador de calor, recomenda-se aplicar uma camada de pasta térmica, que aumenta a área de contato e melhora a dissipação de calor. Também existem RES destinados à fixação na parede com parafusos comuns.

Pelo tipo de esquema de controle

Nem sempre o princípio de funcionamento de um relé regulável exige seu disparo instantâneo.

Portanto, os fabricantes desenvolveram vários esquemas de controle para RES, que são utilizados em diferentes áreas:

1. Controle de passagem por zero. Essa opção de controle do relé de estado sólido aciona apenas quando o valor da tensão é igual a 0. É usado em dispositivos com carga capacitiva, resistiva (aquecedores) e indutiva fraca (transformadores).
2. Instantâneo. É usado quando é necessário um disparo abrupto do relé ao aplicar o sinal de controle.
3. Fásico. Envolve a regulação da tensão de saída alterando os parâmetros da corrente de controle. É aplicado para variação suave do nível de aquecimento ou iluminação.

Os relés de estado sólido também diferem em muitos outros parâmetros menos significativos. Portanto, ao comprar um RES, é importante entender o esquema de funcionamento do equipamento a ser conectado, para adquirir um dispositivo de regulação que melhor se adapte a ele.

É obrigatório prever uma margem de potência, porque o relé tem uma vida útil operacional que se esgota rapidamente em caso de sobrecargas frequentes.

Vantagens e desvantagens do SSR

Os relés de estado sólido não estão substituindo sem motivo os contatores e chaves de partida convencionais do mercado. Esses dispositivos semicondutores possuem inúmeras vantagens em relação aos equivalentes eletromecânicos, o que faz com que os consumidores optem por eles.

Os relés para circuitos integrados têm tamanho compacto e são bastante limitados na corrente máxima que podem suportar. Eles são fixados principalmente através da soldagem de terminais especiais.

Dentre essas vantagens, destacam-se:

1. Baixo consumo de energia (90% menor).
2. Dimensões compactas, permitindo a instalação dos dispositivos em espaços limitados.
3. Alta velocidade de acionamento e desligamento.
4. Menor ruído operacional, ausência dos cliques característicos dos relés eletromecânicos.
5. Não requer manutenção.
6. Longa vida útil devido à capacidade de centenas de milhões de operações.
7. Devido às amplas possibilidades de modificação dos módulos eletrônicos, os SSRs possuem áreas de aplicação expandidas.
8. Ausência de interferência eletromagnética durante a comutação.
9. Eliminação do desgaste dos contatos devido ao impacto mecânico.
10. Ausência de contato físico direto entre os circuitos de controle e de comutação.
11. Possibilidade de regulação da carga.
12. Presença de circuitos automáticos de proteção contra sobrecarga em SSRs de pulso.
13. Possibilidade de uso em ambientes explosivos.

As vantagens mencionadas dos relés de estado sólido nem sempre são suficientes para o funcionamento normal do equipamento. Por isso, eles ainda não substituíram completamente os contatores eletromecânicos.

Para a operação estável de relés de estado sólido de alta potência, é importante uma dissipação de calor eficiente, porque em temperaturas elevadas a tensão de carga sofre distorções acentuadas (+).

Os SSRs também possuem desvantagens que impedem seu uso em muitos casos.

Entre as desvantagens, destacam-se:

1. Impossibilidade da maioria dos dispositivos operarem com tensões superiores a 0,5 kV.
2. Alto custo.
3. Sensibilidade a altas correntes, especialmente em circuitos de partida de motores elétricos.
4. Limitações de uso em condições de alta umidade.
5. Redução crítica do desempenho operacional em temperaturas abaixo de -30°C e acima de +70°C.
6. O invólucro compacto leva ao superaquecimento do dispositivo sob cargas consistentemente altas, exigindo o uso de sistemas de resfriamento passivo ou ativo.
7. Possibilidade de derretimento do dispositivo devido ao aquecimento em curto-circuito.
8. As microcorrentes no estado desligado do relé podem ser críticas para o funcionamento do equipamento. Por exemplo, lâmpadas fluorescentes conectadas à rede podem piscar periodicamente.

Assim, os relés de estado sólido têm certas áreas de aplicação. Em circuitos de equipamentos industriais de alta tensão, seu uso é drasticamente limitado devido às propriedades físicas imperfeitas dos materiais semicondutores.

No entanto, em eletrodomésticos e na indústria automotiva, os relés de estado sólido ocupam posições sólidas devido às suas propriedades positivas.

Possíveis esquemas de conexão

Os esquemas de conexão dos relés de estado sólido podem ser os mais variados. Cada circuito elétrico é construído com base nas características da carga conectada. Podem ser adicionados fusíveis, controladores e dispositivos reguladores adicionais ao esquema.

Devido ao fato de que os circuitos de controle e de carga no dispositivo não se sobrepõem, suas características elétricas podem diferir em quaisquer parâmetros (+)

A seguir, serão apresentados os esquemas de conexão mais simples e comuns dos SSR:

• normalmente aberto;
• com circuito acoplado;
• normalmente fechado;
• trifásico;
• reversível.

Esquema normalmente aberto (desligado) – relé no qual a carga fica sob tensão na presença de um sinal de controle. Ou seja, o equipamento conectado fica desligado quando as entradas 3 e 4 estão desenergizadas.

Antes de comprar o relé, é necessário determinar o tipo de estado inicial desejado (fechado ou aberto) para garantir o funcionamento correto do equipamento conectado (+)

Esquema normalmente fechado – refere-se a um relé no qual a carga fica sob tensão na ausência de um sinal de controle. Ou seja, o equipamento conectado fica em operação quando as entradas 3 e 4 estão desenergizadas.

Existe um esquema de conexão do relé de estado sólido no qual a tensão de controle e a tensão de carga são iguais. Esse método pode ser usado simultaneamente para operação em redes de corrente contínua e alternada.

Relés trifásicos são conectados de acordo com princípios um pouco diferentes. Os contatos podem ser ligados nas configurações «Estrela», «Triângulo» ou «Estrela com neutro».

A escolha do esquema de conexão trifásico do relé depende em grande parte das características de operação do equipamento conectado a ele como carga

Relés de estado sólido reversíveis são usados em motores elétricos no modo correspondente. Eles são fabricados na versão trifásica e incluem dois circuitos de controle.

Se for importante para o relé respeitar a polaridade da conexão dos contatos, na marcação sempre será indicado onde conectar a fase e o neutro

Os circuitos elétricos com TTR devem ser montados somente após terem sido previamente desenhados no papel, pois dispositivos conectados incorretamente podem falhar devido a curto-circuito.

Aplicação prática dos dispositivos

O campo de uso dos relés de estado sólido é bastante amplo. Devido à alta confiabilidade e à falta de necessidade de manutenção regular, eles são frequentemente instalados em locais de difícil acesso nos equipamentos.

Em muitos relés, a conexão dos fios do circuito de controle requer observância da polaridade, o que deve ser considerado durante o processo de instalação do equipamento.

As principais áreas de aplicação do TTR são:

• sistema de termorregulação com uso de aquecedores elétricos;
• manutenção de temperatura estável em processos tecnológicos;
• controle do funcionamento de transformadores;
• regulagem da iluminação;
• circuitos de sensores de movimento, iluminação, fotossensores para iluminação pública e similares;
• controle de motores elétricos;
• fontes de alimentação ininterrupta.

Com o aumento da automação de eletrodomésticos, os relés de estado sólido estão se tornando cada vez mais difundidos, e as tecnologias de semicondutores em desenvolvimento estão constantemente abrindo novas áreas de sua aplicação.

Se desejar, é possível montar um relé de estado sólido manualmente. Uma instrução detalhada é apresentada neste artigo.

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

Os vídeos apresentados ajudarão a entender melhor o funcionamento dos relés de estado sólido e a conhecer as formas de conectá-los.

Demonstração prática do funcionamento do relé de estado sólido mais simples:

Análise das variedades e características de funcionamento dos relés de estado sólido:

Teste do funcionamento e do grau de aquecimento do TTR:

Montar um circuito elétrico com um relé de estado sólido e um sensor está ao alcance de quase qualquer pessoa.

No entanto, o planejamento do esquema de trabalho exige conhecimentos básicos em eletrotécnica, pois uma conexão incorreta pode resultar em choque elétrico ou curto-circuito. Em compensação, a execução correta das ações pode resultar em uma série de dispositivos úteis para o lar.

Tem algo a acrescentar ou surgiram dúvidas sobre o tema de conexão e aplicação de relés de estado sólido? Você pode deixar comentários na publicação, participar das discussões e compartilhar sua própria experiência com esses dispositivos. O formulário de contato está no bloco inferior.