Relé de estado sólido versus relé mecânico: O Guia de Seleção Definitivo

O controle é tudo na área de engenharia elétrica. O relé é o principal dispositivo no centro de inúmeros sistemas automatizados, circuitos de segurança e projetos de gerenciamento de energia. A escolha do tipo de relé a ser usado era simples nas últimas décadas. Atualmente, como engenheiro de projeto interessado, esse é um ponto de inflexão importante. É uma questão de preferência entre uma armadura física com seu clique satisfatório e a precisão silenciosa e instantânea de um semicondutor. É aí que reside a lógica do relé de estado sólido (SSR) versus o relé eletromecânico (EMR). Este guia não apenas enumerará as diferenças, mas também apresentará uma estrutura definitiva para ajudá-lo a determinar qual é a melhor opção para atender à sua aplicação, com o objetivo não apenas de tornar seu projeto funcional, mas também confiável, eficiente e econômico durante toda a vida útil do projeto.

Princípios básicos: Movimento vs. Semicondutor

Antes que alguém possa tomar uma decisão informada, é necessário saber como esses dois aspectos funcionam devido à diferença fundamental nas formas de operação. Ambos têm o mesmo resultado final: explorar um controle elétrico de sinal pequeno para ligar (on/off) uma carga de alta tensão muito maior, mas as abordagens estão em extremos opostos do mundo.

Como funcionam os relés mecânicos (EMR)

Um relé eletromecânico (EMR) baseia-se nos princípios do magnetismo e do movimento físico, nos quais se confia há mais de cem anos. É simples fazer isso:

1. Uma bobina de fio é alimentada por uma tensão de controle de baixo consumo de energia, formando um eletroímã.
2. Uma armadura móvel é atraída por esse campo magnético.
3. A movimentação física da armadura completa uma série de ligações mecânicas que forçam um par de contatos, completando o circuito principal e permitindo que a carga de alta potência seja ligada. A remoção do sinal de controle faz com que o campo magnético entre em colapso, uma das molas puxe a armadura para dentro e os contatos se abram, interrompendo o circuito.

É uma maneira simples, direta e forte de ligar/desligar, mas depende do uso de componentes mecânicos, que podem se desgastar com o tempo.

Como funcionam os relés de estado sólido (SSR)

Por outro lado, o relé de estado sólido não tem componentes mecânicos. Ele faz uso das características dos dispositivos semicondutores para obter o mesmo efeito:

1. Um sinal de controle fraco é imposto a um circuito de entrada, que geralmente é um LED.
2. O sinal de luz desse LED passa por um espaço aberto e é detectado em um optoacoplador fotossensível (semicondutor). Há um grande isolamento elétrico entre a entrada e a saída devido a esse optoisolamento.
3. O fotodiodo comuta um dispositivo eletrônico de comutação no lado de condução da corrente, normalmente dentro da parte de alta potência do circuito de carga, geralmente um TRIAC ou MOSFET, mas às vezes outro dispositivo de comutação.

Como é totalmente eletrônico, ele funciona de forma muito silenciosa, extremamente rápida e sem o desgaste que aflige seu equivalente.

Recurso

Principais métricas de desempenho: Uma comparação direta

Compreender as diferenças profundas de desempenho é fundamental para qualquer engenheiro. A escolha raramente é sobre qual relé é “melhor” em geral, mas qual é superior para uma tarefa específica.

Velocidade de comutação

A velocidade de um EMR é limitada pela física dos elementos mecânicos do dispositivo - o período em que o campo magnético será criado e o tempo necessário para mover a armadura. Normalmente, isso está dentro do intervalo de 5 ms a 15 ms.

Um SSR sem limitações físicas é muito mais rápido. Seu tempo de comutação é expresso em microssegundos (us) ou até nanossegundos (ns). Um SSR é a única alternativa quando a aplicação necessita de modulação por largura de pulso (PWM) de alta frequência ou controle de máquina de ciclo frequente.

Tempo de vida

Essa é uma das principais diferenças. O desgaste mecânico predetermina a vida útil de um EMR. Toda vez que ele é submetido a um ciclo, seus contatos sofrem fadiga de metal e arco elétrico e, portanto, tem uma vida útil de apenas dezenas ou centenas de milhares de ciclos ou alguns milhões de ciclos.

Pelo contrário, um SSR não tem nenhum componente móvel que se desgaste. Sua vida útil é limitada pela vida útil do semicondutor, que pode ser da ordem de dezenas ou até centenas de milhões de ciclos e, portanto, é o produto óbvio de escolha quando é necessária uma vida útil de dezenas de milhões de ciclos ou mais.

Ruído audível

A diferença, nesse caso, é categórica. Há um clique característico a cada acionamento, produzido pelos contatos internos do EMR que se abrem ou se fecham. Isso não é importante na maioria dos setores.

Mas esse ruído não é tolerável em equipamentos médicos, sistemas de áudio de alta qualidade ou em escritórios silenciosos. Os SSRs não emitem som, e essa propriedade é vital para aplicações em que a confidencialidade e a ausência de ruído são fundamentais.

Resistência a choques e vibrações

A natureza física de um EMR, a bobina, a mola e a armadura que o compõem, o predispõe a choques e vibrações externas. Um choque de grandes proporções pode fazer com que os contatos saltem ou até mesmo que haja uma mudança acidental de estado.

Como um SSR é efetivamente um bloco de componentes eletrônicos encapsulados, a resistência a choques e vibrações é extremamente alta, levando a um desempenho comprovado e testado em aplicações severas, como automotivas, equipamentos industriais e aeroespaciais.

Consumo de energia

Um EMR consiste em uma bobina; para manter o EMR em um estado “ligado”, a bobina precisa ser energizada o quanto for necessário N amperes contínuos x potência P Suponha que um EMR consuma 10 amperes a 240 volts; então, para manter o EMR ligado, a potência P = (10 amperes) (240 v) = 2400 watts Nesse caso, 10 amperes é a quantidade de corrente elétrica que passa pela bobina.

Embora essa carga seja baixa, ao multiplicá-la por centenas de relés em grandes sistemas, o consumo de energia pode ser bastante alto. Uma quantidade muito pequena de energia é necessária para ligar um SSR e acender seu LED interno e, consequentemente, o uso de energia de um circuito de controle de SSRs é essencialmente nulo e, portanto, o SSR é muito mais eficiente em termos de energia.

Dissipação de calor

A vantagem aqui muda. Os contatos metálicos de um EMR oferecem uma resistência de estado muito baixa, ou seja, quando o relé é ativado, ocorre um poder de aquecimento muito pequeno.

Uma resistência ligeiramente menor no estado ligado é fornecida por um SSR como um dispositivo semicondutor. Isso faz com que ele produza muito calor, o que depende da corrente de carga que o atravessa. Quando usado com grandes cargas de mais de alguns amperes, um SSR requer a conexão a um dissipador de calor para remover essa energia térmica e evitar o superaquecimento, o que pode aumentar o tamanho e a complexidade de uma solução.

Resistência no estado

Conforme explicado anteriormente, a resistência de um EMR é quase zero (sendo medida em miliohms), mas é chamada de circuito fechado. Isso faz com que a energia flua para a carga o máximo possível e causa a menor queda de tensão possível.

A resistência quando no estado ligado é um valor mensurável que dá origem a uma queda de tensão operacional no relé (ou seja, ~1V). Essa queda é insignificante para a maioria das aplicações, mas em sistemas de baixa tensão em que a corrente é alta, essa perda pode ter de ser levada em consideração.

Corrente de fuga

Um contato EMR que ofereça um beco sem saída quando o EMR estiver desligado deixará uma lacuna de contato que forma um circuito aberto quase perfeito, com praticamente zero de fuga de corrente.

Um SSR pode ter seu circuito semicondutor de saída projetado para vazar apenas uma pequena quantidade de corrente quando o SSR está desligado. Na maioria das cargas, isso é irrelevante. No entanto, com dispositivos de entrada muito sensíveis ou, em alguns casos, com equipamentos médicos, essa fuga pode ser um problema e, nesse caso, é preferível usar um EMR.

Interferência eletromagnética (EMI)

Ambos os tipos de relés podem produzir EMI, embora de forma diferente. Devido à mudança entre os estados aberto e fechado, os contatos de um EMR podem gerar ruído elétrico de banda muito larga no nível do arco elétrico.

Um SSR não conduz nenhuma forma de arco, mas a rápida comutação dos semicondutores dentro do SSR é capaz de produzir EMI de alta frequência. Mas os SSRs que usam a chamada tecnologia de cruzamento zero ligam ou desligam somente quando a tensão CA está próxima de zero, o que minimiza radicalmente a geração de EMI.

Custo

Um EMR é quase sempre mais barato por unidade na aquisição inicial do que um SSR semelhante. O EMR é atraente para aplicações simples e de baixo ciclo, nas quais o custo inicial da lista técnica (BOM) é o principal motivador. No entanto, o custo real deve ser considerado durante toda a vida útil do produto. Uma vida útil muito mais longa e a maior confiabilidade do SSR significam que não há custos de substituição e manutenção, e que o custo total de propriedade (TCO) pode ser menor, especialmente em aplicações exigentes.

Principais métricas: Comparação direta

Escolhendo seu relé: Cenários específicos de aplicativos

A teoria é útil, mas as decisões são tomadas na prática. Veja a seguir como aplicar esse conhecimento aos desafios de design do mundo real.

Para automação industrial e robótica

Uma peça pode ter que ser trocada milhares de vezes em um dia em um sistema controlado por PLC ou em um braço de robô. O mais adequado é um SSR. Sua alta longevidade não é negociável para permitir paradas dispendiosas na manutenção. Sua capacidade de comutação rápida é alta o suficiente para manter a precisão dos processos, e sua capacidade de resistir à trepidação constante das máquinas o torna perfeito durante o processo de trabalho. O eletroímã não oferece uma solução adequada quando comparado ao dispositivo de chaveamento eletrônico que seria usado em tais ambientes.

Para equipamentos médicos e de áudio

Considere um sistema de diagnóstico de pacientes em um quarto de hospital à prova de som ou um amplificador de áudio de qualidade superior. O clique audível de um EMR seria sempre incômodo e distrativo. É necessário um SSR que não interfira. Essa também é uma consideração de segurança muito importante, dado o fato de que falhas estão fora de questão em equipamentos médicos.

Para sistemas HVAC exigentes

Um grande sistema HVAC industrial exige a comutação de motores e compressores de energia de alta tensão o tempo todo. Um EMR daria conta da corrente, mas os contatos mecânicos falhariam logo com um ciclo de trabalho tão intenso. A melhor solução alternativa é um SSR com bom isolamento térmico. Ele oferece durabilidade, de modo que pode passar anos sem ser substituído. Isso é particularmente significativo quando é preciso determinar o tipo de carga d em consideração, que é indutiva ou resistiva, para escolher o circuito de saída apropriado.

Para projetos simples e sensíveis ao custo

Pense em um projeto de painel de controle pequeno como hobby ou em um dispositivo que pode ter um interruptor que é usado apenas algumas vezes por dia. Nesse caso, a vida útil mais longa e a velocidade rápida de um SSR são desnecessariamente de grande escala. O EMR é uma solução conveniente e econômica. Para começar, ele tem baixo custo e, por ser utilizável com um circuito de acionamento fácil, é igualmente adequado e útil para a tarefa, e a diferença de custo entre o EMR e o SSR se torna mais evidente em usos de baixa frequência.

Armadilhas críticas de design e como evitá-las

A escolha do tipo certo de relé é apenas o primeiro passo. A implementação adequada é fundamental para liberar todo o seu potencial e evitar falhas prematuras.

Armadilhas de SSR

• Mau gerenciamento térmico: A causa mais comum de falha do SSR é o superaquecimento.
  Solução: Sempre calcule o aquecimento (P = V_drop × I_load) e selecione um dissipador de calor adequado com base na folha de dados do fabricante para qualquer carga acima de alguns amperes.
• Surpresas de corrente de fuga: Em um circuito com uma entrada de alta impedância, a corrente de fuga do SSR às vezes pode ser suficiente para ser interpretada erroneamente como um sinal de “ligado”.
  Solução: Um resistor de purga pode ser colocado em paralelo com a carga para desviar a corrente de fuga.
• Tipo de carga incompatível: O uso de um SSR padrão de cruzamento zero para cargas altamente indutivas pode ser problemático.
  Solução: Use um SSR “Random Turn-On” para cargas indutivas para permitir um chaveamento preciso.

Armadilhas dos EMRs

• Arco de contato e desgaste: A comutação de cargas indutivas leva à formação de arcos, o que danifica os contatos.
  Solução: Adicione uma rede RC snubber entre os contatos para absorver a energia do arco.
• Bobina EMF Kickback: Quando a corrente da bobina é cortada, um pico de tensão pode danificar o sistema de controle.
  Solução: Coloque um diodo flyback em paralelo com a bobina.

Garantindo a confiabilidade: Obtenção de componentes de alta qualidade

Você pensou em colocar os princípios em uso, comparou as medidas e percebeu os perigos do projeto. Provavelmente, chegou à conclusão lógica de que um relé de estado sólido é o caminho a seguir, porque você precisa de alta velocidade, longa vida útil e operação silenciosa e confiável para o seu aplicativo.

Aqui está envolvida a segunda decisão decisiva. Como já observamos, os SSRs são dispositivos eletrônicos avançados. Sua confiabilidade não depende apenas do design do produto do dispositivo, mas também da qualidade dos semicondutores que o compõem, de sua integridade térmica e de seu processo de fabricação. Todas as propriedades teóricas de um SSR se tornam inúteis quando o dispositivo falha no início de sua vida útil devido ao superaquecimento ou à incapacidade de receber sua carga nominal.

Por isso, a seleção de um fornecedor especializado é de suma importância. Em OMCH Projetamos e fabricamos relés de estado sólido de nível industrial com os quais você pode e vai construir sua reputação. Sabemos que nossos componentes não são apenas commodities em uma lista de materiais, mas são os denominadores comuns para garantir que seu sistema esteja funcionando. Estamos comprometidos com a produção de qualidade e com procedimentos de teste rigorosos, o que lhe proporciona um SSR que funciona de acordo com as especificações, ciclo após ciclo, ano após ano. Depois de decidir que um SSR é a sua solução, trabalhar com um especialista na área, como a OMCH, pode ajudar a tornar a confiabilidade que você criou no papel uma realidade no campo.

O futuro: Relés híbridos e tecnologia de última geração

O mundo dos relés ainda está se desenvolvendo. Tentando unir as vantagens dos dois mundos, estão surgindo os relés híbridos. Frequentemente, as cargas de alto estresse de desligar e ligar (eliminando o arco voltaico) são controladas por meio de um SSR, e a corrente de massa por meio de um EMR paralelo com sua resistência ultrabaixa, minimizando o aquecimento. Além disso, é provável que os SSRs sejam transformados pelo desenvolvimento de semicondutores de grande abertura, como o nitreto de gálio (GaN) e o carbeto de silício (SiC), o que tornaria esses dispositivos ainda mais miniaturizados, com maior eficiência e capacidades operacionais de pressão e frequência mais altas.