Explicação sobre relés elétricos: Um guia sobre como eles funcionam e seus tipos

O relé pode não ser um componente essencial e indispensável que se possa imaginar na enorme arena da engenharia elétrica e eletrônica, mas pode-se dizer com segurança que é um dos mais básicos e adaptáveis. É algo que silenciosamente permite o poder e o controle intrincados de uma infinidade de sistemas, começando pelo veículo que você dirige ou pela fábrica automatizada que cria o produto que você compra todos os dias. Entretanto, o que é esse elemento de crise e como ele desempenha sua função mais importante?

Este tutorial aborda em profundidade o relé elétrico. Nós o desmontaremos em seus princípios essenciais, compararemos suas diversas variantes, analisaremos como ele tem sido usado na prática e forneceremos alguns conselhos práticos sobre como escolhê-lo, conectá-lo e solucionar problemas. Seja como estudante, especialista em bricolagem ou engenheiro, essa descrição detalhada lhe dará um conhecimento sólido sobre o relé elétrico.

O que exatamente é um relé elétrico?

O que é um relé? Relé elétrico é um interruptor operado eletricamente em seu significado mais básico. A aplicação fundamental da energia elétrica relativamente pequena em um circuito é regular a chave (abrir/fechar) de outro circuito, geralmente muito maior, e isso pode incluir alta potência ou alta corrente. O relé permite que um grande número de sinais de controle de baixa corrente controle uma carga elétrica de alta potência. Essa capacidade não é apenas uma conveniência; ela é a base dos sistemas elétricos contemporâneos e fornece três valores fundamentais:

• Controle: Os relés oferecem uma maneira segura de executar a tarefa, que de outra forma seria perigosa, de passar um sinal de baixa tensão e baixa corrente, por exemplo, um sinal enviado por um microcontrolador ou um sensor, ou um simples interruptor de painel, para controlar as ações de um dispositivo de alta tensão e alta corrente, como um motor, um compressor ou um conjunto de luzes potentes.
• Isolamento (isolamento galvânico): É um dos elementos de segurança mais importantes de um relé. O circuito de controle (a “entrada”) e o circuito de carga (a “saída”) são elétrica e fisicamente desacoplados. Esse isolamento evita a transferência de volta dos sinais elétricos de alta potência do lado da carga para a eletrônica de controle sensível e para o equipamento conectado e o operador.
• Amplificação: No sentido real, um relé servirá como um amplificador de sinal. Um miliampere ou mais de corrente através de uma bobina de relé pode controlar efetivamente um circuito com dezenas ou até centenas de amperes e, portanto, o relé pode ser usado para lidar satisfatoriamente com cargas indutivas ou até mesmo cargas CC, incluindo aplicações com correntes mais altas.

Como os relés funcionam: Os princípios fundamentais

Para entender corretamente os relés, precisamos considerar primeiro o tipo mais comum e natural de relé: o relé eletromecânico (EMR). Seu funcionamento é uma manifestação real do eletromagnetismo em ação e é usado conceitualmente na formulação de outros tipos de relés.

O EMR é um complexo de vários elementos que devem trabalhar em colaboração:

• Bobina: Um objeto em forma de cilindro com um fio de cobre envolvido por um núcleo de metal. Quando a corrente passa por esse fio, o núcleo age temporariamente como um ímã, um eletroímã.
• Armadura: Uma peça móvel feita de ferro e que é atraída pela carga que é o eletroímã. Ele é feito para girar.
• Garfo: Uma estrutura rígida de ferro que oferece um caminho de baixa relutância para o fluxo magnético, com base no qual o campo magnético é concentrado na armadura.
• Contatos: Esses são os componentes físicos da chave que entram em contato entre si para formar um circuito e, se separados, interrompem o circuito. Os relés têm vários tipos de contatos, como os normalmente abertos (NA) e os normalmente fechados (NF). A quantidade e a natureza dos contatos dependem da aplicação em questão.
• Normalmente aberto (NO): Quando o relé não está energizado, o conjunto de contatos não está conectado. O circuito está aberto.
  • Normalmente fechado (NC): Esse é o inverso do normalmente aberto, em que os contatos do relé estão em contato quando o relé não está energizado. Ele é fechado.
  • Comum (COM): A armadura é conectada ao terminal que é movido para os contatos NO ou NC.
• Primavera: Uma parte para fornecer a armadura à sua posição de repouso quando a bobina não estiver mais energizada.

Relés mecânicos vs. relés de estado sólido (SSR)

O relé eletromecânico, com toda a sua inteligência, é um dispositivo de partes móveis. Com o aprimoramento tecnológico, existe uma variante totalmente eletrônica, conhecida como Relé de Estado Sólido (SSR). Embora tenham o mesmo objetivo geral, a composição interna e a natureza do desempenho são praticamente diferentes. Essa distinção é muito importante no projeto de sistemas modernos.

Um SSR não contém partes móveis. A comutação da carga elétrica realizada por ele é feita por meio de semicondutores, especificamente tiristores, TRIAC ou transistores de potência. Esse sinal de controle é convencionalmente conectado ao semicondutor de comutação por meio de um optoacoplador (um LED e um fotodetector), o que proporciona isolamento galvânico absoluto, como em um EMR. Isso permite um funcionamento seguro em circunstâncias mais exigentes, como uma alta exposição a arco elétrico ou a necessidade de regular dispositivos eletrônicos.

Aqui está uma comparação detalhada entre os dois:

Como você pode ver, quando é necessário um ambiente de alta demanda com relação à confiabilidade, comutação rápida e longa vida útil, os relés de estado sólido são a melhor opção. Eles também podem ser usados em controle e automação modernos, onde sua natureza operacional é silenciosa e resistente a choques e vibrações.

Por que os sistemas modernos preferem relés de estado sólido

Na OMCH, somos especializados em Relés de estado sólido projetados para automação industrial. Os SSRs da OMCH, como a série OMCH SSR-DA/AA, oferecem controle preciso e durabilidade excepcional, eliminando problemas como resistência de contato ou o arco elétrico que podem ocorrer nos relés mecânicos tradicionais. Isso garante o máximo de tempo de atividade e eficiência para aplicações críticas, como sistemas de controle de iluminação ou sistemas de segurança.

Aplicativos e casos de uso comuns

A flexibilidade dos relés explica por que eles são usados em praticamente todos os campos da tecnologia. Eles também são necessários em um grande conjunto de aplicações devido à sua capacidade de conduzir com segurança altas correntes ou corrente contínua:

• Em sistemas automotivos: Um automóvel do século XXI é um universo de relés. A razão pela qual eles são necessários é que o controle eletrônico do carro (ECU, módulo de controle da carroceria) trabalha com correntes muito baixas, enquanto uma corrente muito alta é necessária em coisas como faróis, motores de partida e ventiladores de arrefecimento. Os relés preenchem essa lacuna e a aparente segurança e eficiência do controle dessas cargas pesadas por meio de um pequeno interruptor no painel ou de um sinal da ECU.
• Em painéis de controle industrial: A automação industrial depende em grande parte dos relés. Eles são intermediários no painel de controle entre o equipamento de alta potência no chão de fábrica e o controlador lógico programável (PLC). Um exemplo é uma saída de sinal de 24 VCC de um PLC que pode ativar um relé que, por sua vez, pode ligar ou desligar um motor trifásico de 480 VCA. Os SSRs têm aplicações especiais aqui porque têm longa vida útil em usos de alto ciclo, como controle de aquecedores e acionamentos de motores.
• Em Casa inteligente e Projetos DIY: Nos projetos em que o hobbyista ou o criador precisa fazer com que seus projetos se comuniquem com o mundo real, os relés são a resposta. Uma pequena máquina, como uma lâmpada, uma cafeteira ou um eletrodoméstico, não pode ser alimentada diretamente por um pequeno microcontrolador, como um Arduino ou Raspberry Pi. Com um módulo de relé, o microcontrolador pode ser usado para alternar com segurança a energia CA regular que pode ser encontrada em uma casa, e esse layout é a base de qualquer projeto de automação ou casa inteligente que se possa imaginar.

Como escolher o relé correto

A seleção do relé correto é fundamental para a segurança e a confiabilidade do seu circuito. Isso envolve combinar as especificações do relé com as demandas de sua aplicação. Considere os seguintes fatores importantes:

• Tensão e corrente de carga: É a especificação mais importante. Qual é a tensão (CA ou CC) do dispositivo a ser comutado? Quanta corrente ele exigirá quando estiver operando? Esses valores devem ser menores do que a classificação de contato (ou saída) do relé. Nunca se esqueça da margem de segurança de 20 a 30%.
• Tensão do sinal de controle: A tensão necessária para completar a energização da bobina do relé (um EMR) ou do circuito de entrada (um SSR). Ela deve ser igual ou maior que a saída do seu dispositivo de controle (por exemplo, um Arduino fornece 5 V, uma bateria de carro fornece 12 V, um PLC fornece 24 V).
• Frequência de comutação: Qual é o número de vezes que o relé deve ser ligado e desligado? Na maioria das aplicações de comutação (mais de uma vez por segundo), somente um relé de estado sólido é viável, pois até mesmo um EMR é propenso a falhar mecanicamente devido à alta comutação.
• Ambiental Fatores: O ambiente de operações. Existe alguma vibração ou choque elevado? É necessário operar em silêncio? Há gases explosivos envolvidos (onde será necessário um relé selado)? O SSR geralmente é uma alternativa melhor e mais segura em ambientes de alta vibração, como aqueles em que são necessárias medidas de silêncio e alta confiabilidade.

Um guia prático para a fiação de relés

Um esquema de numeração padrão é usado para numerar os terminais na maioria dos relés automotivos e industriais, o que simplifica a fiação desses relés. Os mais frequentes são:

• 85 e 86: São os terminais da bobina do relé. O relé será ativado com a aplicação da tensão correta neles. A polaridade é irrelevante na maioria dos relés CC, embora eles possam ter um diodo de supressão interno e, nesse caso, eles serão marcados.
• 30: O terminal comum. Geralmente está relacionado ao fornecimento de energia para o circuito de carga.
• 87: Terminal normalmente aberto (NO). Esse é o terminal 30 para o qual o terminal é conduzido quando o relé fecha.
• 87a: O contato normalmente fechado (NC) (no relé de 5 pinos). Esse é o terminal final que é conectado ao terminal 30 quando o relé não está em ação.

Solução de problemas comuns de relés

O relé geralmente é o culpado quando um circuito falha, especialmente se a fonte de alimentação não estiver funcionando corretamente. Abaixo estão alguns dos problemas que normalmente ocorrem e como eles são diagnosticados:

Problema 1: O relé emite um som de “clique”, mas a carga não funciona.

• Possível causa: Significa que o circuito de controle (a bobina está sendo energizada) está bom; há uma falha no circuito de carga. Os contatos internos do relé podem estar muito desgastados ou queimados (com buracos), de modo que não é possível fazer um bom contato elétrico. Alternativamente, isso pode ser devido a uma carga mal conectada, um fio desconectado ou quebrado ou um fusível queimado no lado da carga (pinos 30 e 87).

Problema 2: O relé fica muito quente.

• Possível causa: No caso de um EMR, uma bobina só pode ser conectada até uma determinada tensão antes que a bobina fique muito quente e se queime. Tanto nos EMRs quanto nos SSRs, se o relé for muito pequeno para lidar com a corrente de carga, ele superaquecerá, gradualmente, e falhará.

Problema 3: O relé está sempre ligado ou sempre desligado.

• Possível causa: Em um EMR, um grande pico de corrente pode até mesmo soldar os contatos internos, deixando o relé no modo “ligado”. Por sua vez, o fio da bobina queimado não permitirá que ele seja ligado. Uma condição de grande sobretensão ou sobrecorrente em um SSR pode danificar o semicondutor interno, tornando-o um circuito permanentemente aberto (ou um circuito permanentemente fechado com antifusível).