Diagrama de relé de estado sólido: Guia completo para entender e usar SSRs

Símbolo do relé de estado sólido e representação do circuito

Os símbolos na linguagem dos diagramas de circuito não são apenas rabiscos no papel - eles são feitos de função. O símbolo de um relé de estado sólido (SSR), mesmo quando mostrado como uma forma simples, transmite uma grande quantidade de abstração elétrica em uma única visualização. Tradicionalmente, um SSR era representado na forma de uma caixa retangular dividida logicamente em duas partes: entrada e saída. Essa divisão não pode ser reconhecida apenas como uma simetria artística, mas como a principal característica do isolamento elétrico dos SSRs.

Um diodo, geralmente identificado com setas para mostrar um LED (Light Emitting Diode, diodo emissor de luz), é usado para mostrar o lado da entrada. Ele se refere ao dispositivo de optoisolamento no SSR: quando o lado de entrada recebe um sinal de tensão CC baixa (mas não zero), o LED acende, fornecendo um sinal ao lado de saída, mas não há conexão elétrica física entre os dois.

O lado da saída também mostra vários componentes, já que a capacidade de comutação de luzes do relé é CA ou CC. A saída X do SSR é um SSR de saída CA que tem um TRIAC ou dois SCRs (retificadores controlados de silício) em paralelo inverso, ambos um tipo de tiristor, um dispositivo semicondutor. Nas variantes de CC, é ilustrado um transistor de potência (um MOSFET ou um IGBT). Os símbolos indicam a ação de comutação do circuito do relé de estado sólido e sua capacidade de controlar a corrente e a tensão de saída.

Para representar um esquema mais longo, a barreira de isolamento pode ser simbolizada por um ziguezague ou um símbolo de optoacoplador: um diodo oposto a um fototransistor em um círculo. Essa divisão entre o circuito de controle e o lado da carga não é ornamental; ela enfatiza o isolamento dielétrico, frequentemente graduado em quilovolts.

Estado sólido Relé Diagrama de fiação e Terminal Identificação

Os símbolos dos SSRs são úteis para entender o significado das funções em um circuito, mas o diagrama de fiação torna as funções reais. É importante aprender a fazer a fiação de um relé de estado sólido para empregá-lo de forma segura e eficaz em circuitos práticos.

Identificação do terminal

A maioria dos relés de estado sólido segue uma configuração padrão de pinos:

• Terminais 3 e 4 (Entrada lado): Entrada do sinal de controle CC. Eles são sensíveis à polaridade em SSRs controlados por CC, o terminal 3 normalmente está em potencial alto. Essa é a parte do circuito de entrada e faz a condução da saída.
• Terminais 1 e 2 (Saída lado): Quando o SSR é comutado, o fluxo de corrente entre esses dois é comutado também, e é por isso que ele regula o fluxo de corrente em uma carga.

Exemplos de fiação

1. Comutação de carga CA (CA-CA SSR)

[PLC DC Output] ───(3 SSR 4)──── [Input Side]
                           │
                       [Camada de isolamento]
                           │
[Fonte de alimentação CA] ────(1 SSR 2)──── [Carga CA]

• Entrada: Sinal CC (por exemplo, sinal CC de 5V/24V de um PLC)
• Saída: Tensão CA para ligar um aquecedor, uma lâmpada ou um motor

Essa é uma característica de um relé de estado sólido de corrente alternada monofásica.

2. Comutação de carga CC (CC-CC SSR)

[Microcontrolador] ───(3 SSR 4)──── [Lado da entrada]
                           │
                       [Opto-Isolador]
                           │
[Fonte de alimentação CC] ────(1 SSR 2)──── [Carga CC]

• Entrada: TTL ou lógica de 5V
• Saída: Comuta circuitos CC de 12V, 24V ou superiores

Essa fiação é padrão para aplicações de relé CC monofásico.

Considerações sobre a fiação

• A polaridade é importante: Os SSRs CC, em particular, podem ser destruídos pela conexão de pontas de entrada ou saída com polaridade invertida.
• Tipo de cargaQuando as cargas são indutivas por natureza, elas devem ser conectadas a circuitos de amortecimento ou varistores, que absorvem os altos potenciais.
• Montagem: A integração do dissipador de calor pode ser necessária de acordo com a corrente e o ciclo de trabalho.

Circuito do lado da entrada - Isolamento de LED e fototransistor

O isolamento óptico é a base do SSR. Quando o sinal de entrada é aplicado nos terminais de controle, geralmente um sinal de PLC ou microcontrolador, ele aciona um LED interno. A energia luminosa emitida não atravessa um fio, mas uma camada dielétrica transparente, onde energiza um componente fotossensível, que pode ser um fototransistor, um fototriac ou uma matriz de fotodiodos.

Esse design garante:

• Isolamento elétrico completo do controle e da carga
• Imunidade a ruídos: nenhuma contraflexão ou transientes seriam transmitidos à lógica de controle
• Mais segurança, especialmente em ambientes industriais de alta tensão

Essa é uma ação acionada por luz que energiza a porta do transistor ou tiristor de saída, essencialmente comutando a carga sem emaranhamento mecânico ou movimento do relé eletromecânico (EMR).

Estruturas de dispositivos do lado da saída CA: SCR vs TRIAC

1. Estrutura do TRIAC

O TRIAC é uma chave bidirecional capaz de conduzir nas direções de entrada e saída após o acionamento. Em um ponto de vista funcional, ele combina dois SCRs em paralelo reverso em um único pacote. É muito adequado para CA de média potência, como iluminação ou aquecimento, em que uma onda senoidal pode ser comutada em um ponto médio para reduzir a EMI.

Entretanto, os TRIACs são propensos a disparos falsos em ambientes indutivos porque sua imunidade de comutação é baixa. Nessas aplicações, os projetistas podem optar por um mais durável.

2. Estrutura SCR paralela inversa

Essa é uma configuração bidirecional de dois SCRs discretos em paralelo reverso. Um deles, cada SCR, conduz metade do ciclo de CA. Sua maior condutividade térmica e melhor capacidade de dv/dt permitem seu uso em cargas com alta inércia e indutância, como motores, transformadores e solenoides industriais.

Um pouco maiores, com um circuito de acionamento, os SCRs em paralelo inverso estão na ordem do dia quando se trata de projetos de relés de estado sólido CA de nível industrial, devido à sua robustez e capacidade de controle.

Métodos de acionamento: SSRs de cruzamento zero versus SSRs de ativação aleatória

1. SSRs de disparo de cruzamento zero

Esses SSRs aguardam que a forma de onda CA atinja a metade de um ponto de pico de onda senoidal com zero volts antes de comutar. Isso reduz o ruído eletromagnético (EMI) e os picos de corrente e é ideal para cargas puramente resistivas, como aquecedores ou lâmpadas incandescentes. Também é menos desgastante para a carga e para o dispositivo de chaveamento.

2. SSRs de ativação aleatória

Esses SSRs foram projetados para serem usados em aplicações de resposta rápida e serão comutados assim que receberem o sinal de entrada, independentemente da fase de CA. Ele pode ser programado com mais precisão e é usado com frequência no controle de ângulo de fase, no controle de motores ou em dispositivos que precisam de disparo sincronizado.

Relés de estado sólido CC: Estruturas MOSFET e IGBT

1. Estrutura do MOSFET

Os SSRs de tensão/corrente CC de baixa a média com MOSFETs são amplamente utilizados. Eles funcionam de forma rápida e fria e também são muito eficientes. Uma boa opção quando o espaço e o tempo de resposta são fundamentais.

2. Estrutura do IGBT

Os transistores bipolares de porta isolada (IGBTs) combinam a velocidade adequada de comutação dos MOSFETs e a capacidade de alta corrente dos transistores de junção bipolar. Eles são mais apropriados em máquinas industriais que requerem capacidades extenuantes de manuseio, especialmente alta tensão CC e realizações de corrente em nível de amperes.

Gerenciamento térmico: Curva de redução e projeto de dissipação de calor

Todos os dispositivos semicondutores geram calor, e os SSRs não são exceção. A temperatura excessiva leva à redução da capacidade de corrente e à eventual falha. A curva de redução encontrada na maioria das folhas de dados dos SSRs mostra a relação entre a temperatura ambiente e a corrente de saída permitida.

Por exemplo, um relé classificado para 25A a 25°C pode suportar apenas 15A a 60°C. Para evitar isso:

• Use um tamanho adequado dissipadores de calor
• Aplicar graxa térmica para garantir o contato total com a superfície
• Instale os SSRs com folga vertical para fluxo de ar

Como um estado sólido Relé Trabalho: Visão geral do princípio de funcionamento completo

Vamos explicar isso de forma simples:

1. Entrada Sinal: Uma pequena tensão de controle (por exemplo, 5V CC) é aplicada ao circuito de entrada do SSR.
2. LED Ativação: A corrente energiza um LED interno, que emite luz infravermelha.
3. Optoisolamento: Essa luz atravessa uma lacuna de isolamento e ativa um fototransistor ou dispositivo semelhante.
4. Acionamento: O dispositivo fotossensível emite um sinal que aciona a porta do dispositivo de comutação - um TRIAC, SCR, MOSFET ou IGBT.
5. Comutação de carga: O dispositivo de chaveamento conduz, permitindo que a corrente de carga flua através dos terminais de saída para a carga.
6. Desligar: Quando a tensão de controle é removida, o LED se apaga, o fotossensor é desativado e o circuito de saída se abre.

Todo esse processo ocorre em milissegundos, silenciosamente e sem contato físico, ao contrário dos EMRs tradicionais. A beleza está em sua velocidade, segurança e simplicidade.

Aplicação: Vantagens específicas e estilos de montagem

Há vários benefícios importantes no uso de relés de estado sólido (SSRs) em comparação com os relés mecânicos. Eles não têm partes móveis, portanto, não produzem ruído e não sofrem desgaste ou erosão dos contatos por ação de arco, o que proporciona uma vida útil muito mais longa. Eles são adequados para ligar/desligar em alta frequência com recursos de comutação muito rápidos, o isolamento elétrico integrado aumenta a segurança do sistema e evita problemas de loop de terra. Além disso, eles não são facilmente sensíveis a choques ou vibrações e, portanto, encontram aplicações em ambientes industriais ou automotivos desfavoráveis.

Estilos de montagem

Diferentes SSRs podem ser montados em diferentes estilos para atender aos requisitos do projeto. A montagem em trilho DIN é utilizada principalmente em gabinetes de controle para ser montada facilmente. A montagem em painel permite mais potência e tem uma fixação estável. Montagem em PCB Os computadores dos tipos DIP ou SIP (ou seja, DIP ou SIP do usuário) são perfeitamente adequados tanto para pequenos sistemas incorporados quanto para sistemas maiores.

Aplicativos do mundo real

Os SSRs são usados em equipamentos médicos (como máquinas de ressonância magnética e automação de laboratório) em aplicações do mundo real em que a baixa EMI e a operação silenciosa são essenciais. Eles regulam sistemas de transportadores, aquecedores e motores em aplicações industriais. São empregados em carregadores de bateria, sistemas de iluminação e plugues inteligentes na área de eletrônicos de consumo.

Os SSRs são cada vez mais usados para substituir os relés mecânicos de todos os tipos e em todos os tipos de indústria devido à sua segurança econômica, uso mais inteligente e mais confiável, proporcionando sistemas elétricos mais seguros, inteligentes e confiáveis devido à sua operação silenciosa, eletricamente isolada e de alta velocidade.