O que é um relé de estado sólido? O guia definitivo para 2025

Além do clique: O que é um relé de estado sólido?

O som característico de um relé convencional é bem conhecido no campo da eletrônica e do uso de controle industrial, com seu "click-clack" revelador. Fisicamente, é o traço acústico de uma chave eletromecânica (EMR) transformando um circuito, fechando um circuito e desligando uma carga.

Essa tem sido a norma nas últimas duas décadas. No entanto, o que aconteceria se a comutação pudesse ser feita de forma silenciosa, imediata e com uma vida útil muito maior? Esse é o território do relé de estado sólido (SSR).

Fundamentalmente, um relé de estado sólido é um circuito eletrônico de comutação que executa a mesma tarefa semelhante a um relé eletromecânico, embora sem partes móveis. O estado sólido é um termo de categoria. É o campo da física e da eletrônica que descreve o comportamento do estado sólido da corrente transmitida nos materiais semicondutores. Ao contrário dos contatos físicos que são forçados juntos pela força de um eletroímã que cria um campo magnético, por meio das características elétricas inerentes de uma substância semicondutora (como o silício), um SSR liga e desliga um circuito de carga.

A ausência de peças móveis é a única característica distintiva de um SSR e a razão por trás de seus principais benefícios. Não há contatos metálicos para formar arco, furar ou se desgastar, bobinas para queimar e molas para perder a tensão. Esse é um controle totalmente eletrônico com um sinal de primeira operação de entrada elétrica de baixa potência que ativa um circuito de saída de alta corrente. Essa é a divergência inerente à arquitetura que não apenas torna o SSR um substituto silencioso, mas também oferece uma solução tecnológica melhor para uma ampla gama de aplicações modernas que exigem precisão, confiabilidade e longevidade. Este tutorial abordará essas máquinas, sua diferença fundamental em relação aos relés mais antigos e como tomar uma decisão sábia para usar o tipo adequado.

Por dentro do SSR: como ele faz a comutação eletrônica

Para poder apreciar os recursos que um relé de estado sólido pode oferecer, primeiro é preciso entender a estrutura interna. Um SSR comum tem três blocos funcionais principais, o circuito de entrada, o circuito de isolamento (ou acoplamento) e o circuito de comutação de saída, embora o diagrama de blocos possa parecer diferente. Ambos têm uma função específica e muito importante no funcionamento do dispositivo.

1. O circuito de entrada: Será o ponto de entrada em que a lógica do sistema (por exemplo, um PLC, um microcontrolador ou um sensor) fornecerá o sinal de controle. Esse sinal de controle é de baixa potência, já que muitos modelos padrão têm uma faixa de 3-32V CC. Isso geralmente é conhecido como entrada CC. As principais tarefas do circuito de entrada são condicionar esse sinal e acionar o estágio de isolamento. Ele pode incorporar um LED de status e um resistor limitador de corrente: o LED de status acende principalmente quando a tensão de controle é aplicada para fornecer um feedback visual conveniente do status do relé.
2. O circuito de isolamento (acoplamento): Esse é provavelmente o aspecto mais importante do projeto de um SSR. Ele serve para fornecer um isolamento elétrico - uma lacuna dielétrica - entre a lógica de controle de baixa tensão e a carga elétrica de alta tensão. Esse isolamento galvânico é considerado parte da segurança, pois garante que a alta tensão da carga nunca aparecerá nos componentes eletrônicos de controle sensíveis ou no operador humano. O optoisolador (outro nome é optoacoplador ou fotoacoplador) é a solução mais popular para fazer isso. Um optoisolador é composto por um LED no lado da entrada e um semicondutor fotossensível (como um fototransistor ou fotodiodo) no lado da saída, todos embalados em um pacote opaco. O LED é alimentado pelo circuito de entrada quando o sinal de controle chega e produz luz infravermelha entre a lacuna criada no interior. O fotossensor detecta essa luz, acionando o circuito de comutação de saída. Como o meio de transferência é um feixe de luz, o caminho elétrico é inexistente entre os dois condutores e, portanto, há um isolamento muito alto, geralmente medido em milhares de volts.
3. O circuito de comutação de saída: O levantador de peso do SSR. Ele é ligado pelo circuito de isolamento e liga a carga de alta potência. Dependendo da categoria de carga que o componente deve comutar (CA ou CC), as peças do circuito de saída são selecionadas.

• No caso de cargas CA, o dispositivo de comutação mais popular é um tiristor, na forma de um retificador controlado por silício (SCR) ou mais conhecido pelo termo TRIAC (triodo para corrente alternada). O TRIAC consiste em dois SCRs fixados juntos em paralelo inverso e, portanto, é capaz de transportar corrente em ambas as direções ao mesmo tempo em uma onda senoidal de CA. Até mesmo os SSRs de CA mais avançados comutam na metade de uma onda senoidal para permitir transições de corrente mais graduais.
• Cargas CC que geralmente são comutadas com um transistor de potência, por exemplo, MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) ou IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor), sendo esses três componentes também conhecidos como transistores de comutação. Alguns SSRs CC menores (e mais baratos) têm apenas um único MOSFET, o que proporciona uma comutação precisa com perdas mínimas. Interruptores de corrente contínua Esses interruptores também são usados como dispositivos de controle de alta corrente muito rápidos e eficientes, com bom controle sobre a saída de corrente.

Ao integrar esses três estágios, o SSR oferece um método robusto, seguro e altamente eficiente para que a lógica digital controle uma potência elétrica significativa sem nenhum contato físico.

Relé de estado sólido vs. mecânico: Principais diferenças

A escolha entre o relé de estado sólido (SSR) e o relé eletromecânico convencional (EMR) é um processo de projeto importante. Embora tenham a mesma finalidade geral, eles têm uma diferença entre seus mundos em termos de desempenho. Uma comparação lado a lado pode mostrar o benefício exato e a compensação de cada uma das tecnologias.

Vamos nos aprofundar nessas distinções críticas:

• Longevidade e confiabilidade: Em geral, o benefício mais importante do SSR. Como ele não contém peças móveis, não apresenta desgaste. Os contatos se desgastam fisicamente em um EMR devido ao arco elétrico e ao impacto de cada ação, o que faz com que tenham uma vida útil limitada. Quando usados dentro de suas especificações, os SSRs têm uma vida útil até 100 vezes mais longa e, portanto, são mais adequados para uso em situações de chaveamento frequente.
• Velocidade e desempenho: Ao contrário da inércia física que limita os EMRs, os SSRs podem ser ativados e desativados em microssegundos, em vez de 5 a 15 milissegundos. Essa alta velocidade é essencial em aplicações como o controle preciso de temperatura (por exemplo, um controlador de temperatura) ou uma automação de alta velocidade em que são necessários períodos de ciclo rápido.
• Ruído e interferência: O fato de um SSR não gerar ruído pode ser uma vantagem óbvia em áreas de alta sensibilidade a ruídos, como em centros médicos ou edifícios inteligentes. Mais importante ainda, a ausência de arco de contato também implica que os SSRs produzem uma quantidade muito pequena de interferência eletromagnética (EMI) e interferência de radiofrequência (RFI). A EMR produz um forte ruído elétrico e esse tipo de coisa pode ser chamado de faísca que a EMR produz quando toca determinados componentes eletrônicos sensíveis. Isso é essencial quando é necessário manusear equipamentos eletro-sensíveis.
• Durabilidade: Os SSRs são revestidos de epóxi, o que os torna muito resistentes a danos causados por choques e vibrações. Os EMRs, com suas peças mecânicas finamente ajustadas, se autodestruirão ou apresentarão vibrações quando submetidos a condições ambientais idênticas, por exemplo, em sistemas de ventilação industrial.
• Vantagens e desvantagens: Os SSRs não são uma chave ideal. Os dispositivos de saída semicondutores apresentam uma pequena resistência interna que leva a uma pequena queda de tensão quando ligados. Essa perda gera calor que é proporcional ao fluxo de corrente através da carga (P = Vdrop Iload). Como resultado, os SSRs às vezes precisam de um dissipador de calor para descartar essa energia térmica e evitar o superaquecimento. Em comparação, os contatos metálicos fechados dos EMRs são quase nulos e formam o mínimo de calor. Além disso, a corrente de fuga com um SSR desligado pode ser muito baixa, nunca sendo realmente zero, ao passo que um EMR desligado pode ser considerado como um espaço de ar com resistência efetivamente infinita.

CA vs. CC: Entendendo os diferentes tipos de SSR

O primeiro fator na escolha de um SSR é o tipo de carga que será operada. Os relés de estado sólido têm um projeto específico para CA ou CC e o projeto do circuito de saída de corrente interna é essencialmente diferente.

Relés de estado sólido CA

O tipo mais popular são os SSRs de CA destinados a comutar tensões de rede (por exemplo, 120V, 240V, 480V CA). Conforme mencionado, eles empregam um TRIAC ou um SCR duplo back-to-back como chave de saída. Muitos SSRs de CA dão muita atenção à detecção de cruzamento zero. Um relé de passagem por zero tem um circuito interno que monitora quando a onda senoidal CA cruza o ponto de zero volts antes de ligar ou desligar a saída.

• Benefício do Zero-Crossing: Vantagem da passagem por zero A comutação de uma carga CA pesada no pico de sua onda de tensão senoidal pode produzir uma corrente de entrada enorme com altos níveis de RFI. Isso significa que a comutação simplesmente no ponto de tensão zero é muito mais suave. Isso efetivamente alivia muitos abusos sobre a carga (especialmente em lâmpadas incandescentes e cargas capacitivas) e o ruído elétrico gerado é mantido em um nível mínimo. Geralmente, esse é o comportamento padrão da maioria das cargas resistivas, como aquecedores e lâmpadas. Por outro lado, alguns SSRs permitem a comutação no meio de um pico de onda senoidal quando usados com cargas indutivas, o que é vantajoso.

Relés de estado sólido CC

Os SSRs CC são otimizados para comutar cargas de corrente contínua, que ocorrem principalmente em sistemas alimentados por bateria, automóveis e controle de motores CC ou solenoides. Eles empregam elementos de comutação, como transistores de potência (como MOSFETs ou IGBTs). Em comparação com um TRIAC, que se desligaria no cruzamento zero da CA, um MOSFET é mais um solenoide claro e instantâneo. Ele é ligado quando um sinal é aplicado ao sinal de controle e o desligamento é instantâneo quando o sinal é retirado. Isso pode suportar a comutação de frequência muito alta e a modulação de largura de pulso (PWM) de cargas de CC para aumentar a velocidade ou o brilho. A fem de retorno também é um tipo de tensão reversa que, quando não protegida, pode destruir o relé ao controlar motores.

Outras classificações importantes

Além da distinção entre CA/CC, os SSRs também são categorizados por:

Tipo de comutação:

• Cruzamento zero: Para as aplicações CA mais comuns (cargas resistivas).
• Ativação aleatória (ou instantânea): Esses relés CA ligam imediatamente quando um sinal de controle é fornecido, independentemente da localização da forma de onda CA. Eles são necessários para controlar cargas indutivas (como motores e transformadores) e para serem usados onde o controle fino de fase é desejável.
• Ativação de pico: esses relés CA são ativados no pico da onda senoidal da CA e, portanto, são muito adequados para cargas altamente indutivas e para o controle da corrente de pico.

Estilo de montagem:

• Montagem em painel: Essas unidades são mais pesadas e são colocadas em um chassi ou em um dissipador de calor. São aplicadas na comutação de altas correntes (geralmente de 10A a 100A ou mais), que geralmente são cotadas em amperes.
• Montagem em PCB: Podem ser menores, frequentemente em formato “Single In-line Package” (SIP) ou “Dual In-line Package” (DIP), e podem ser soldados diretamente a uma placa de circuito impresso para comutar correntes mais baixas usando terminais de relé menores.

Quando usar um SSR: Vantagens e aplicações

Os recursos exclusivos dos relés de estado sólido os tornam excelentes em um amplo espectro de aplicações em que os relés eletromecânicos não são aplicáveis. A necessidade de ser altamente confiável e de comutação rápida, baixo ruído e precisão é o fator determinante para o uso de um SSR.

Aqui estão alguns dos aplicativos mais comuns:

• Aquecimento industrial e controle de temperatura: Essa é uma aplicação tradicional do SSR. A temperatura exata deve ser controlada em fornos industriais, máquinas de moldagem de plástico e processamento de semicondutores. Os SSRs permitem que um controlador PID ligue ou desligue um elemento de aquecimento com frequência suficiente em alguns momentos (um método conhecido como proporção de tempo) para permitir um controle incrivelmente estável do elemento de aquecimento, sendo impossível controlar com um EMR de desgaste lento.
• Controle de iluminação: Os SSRs são usados para controlar sistemas de iluminação teatral e arquitetônica de grande escala, onde é necessário silêncio e sonoridade. Eles são ideais para lidar com a alta corrente de irrupção de lâmpadas incandescentes ou de LED, e a capacidade de comutação rápida os torna ideais para edifícios menores, e o efeito sem cintilação é adequado para dimerização.
• Equipamentos médicos: Em equipamentos médicos voltados para o paciente, o silêncio é essencial para o conforto e a tranquilidade. Além disso, os SSRs são altamente confiáveis (muito mais do que os relés) e produzem pouca ou nenhuma EMI, o que é vital para a operação segura de equipamentos sensíveis, como máquinas de diálise ou incubadoras, sem prejudicar o trabalho de outros equipamentos de monitoramento sensíveis.
• Automação industrial (saídas de CLP): Durante a automação de fábricas, os controladores lógicos programáveis (PLCs) podem precisar controlar mecanismos e dispositivos como motores, solenoides, válvulas e atuadores. O uso de SSRs como interface entre as saídas de baixa tensão do PLC e o maquinário de alta potência garantirá uma vida útil longa e livre de manutenção em um ambiente de fábrica com alta vibração e ruído elétrico.
• Casas e eletrodomésticos inteligentes: Os eletrodomésticos inteligentes e controlados pela casa são, de fato, perfeitos com SSRs montados em PCB devido à sua natureza silenciosa de operação e tamanho, que não causam o incômodo som audível de um relé mecânico.

Como selecionar o SSR certo para seu projeto

A seleção do SSR correto não é apenas um caso de correspondência de impedância entre tensão e corrente; ela deve ser cuidadosamente planejada para ser segura, confiável e funcionar bem. A falha na definição de um dos parâmetros fundamentais pode resultar na destruição prematura do relé ou da carga de controle. Esses são os principais pontos a serem levados em conta:

1. Tipo de carga (CA ou CC): A primeira e principal decisão é definir que tipo de carga deve ser usado. É preciso combinar o relé com a carga, conforme explicado anteriormente. A aplicação de um SSR CC em uma carga CA ou os dois não funcionará.
2. Tensão operacional: Ao usar energia trifásica, escolha um SSR com uma classificação de tensão operacional máxima numericamente alta para oferecer uma margem de segurança sobre a tensão nominal do sistema de energia contra surtos de linha, transientes e fuga de corrente do eletrodo de transferência de calor do semicondutor. Uma seleção típica e segura de SSR seria um SSR de 480 V ou 600 V com uma linha de 240 V CA.
3. Corrente máxima de carga e desclassificação: A classificação de corrente se aplica a uma temperatura ambiente (por exemplo, 25 o C). Porém, quando a temperatura é alta, a capacidade de transporte de corrente do SSR diminui. Isso é chamado de redução. Você precisa baixar a folha de dados do fabricante dos relés e encontrar a curva de redução e escolher um relé com uma classificação de corrente que seja confortavelmente maior do que o limite superior da corrente de carga nas temperaturas em que você provavelmente usará o equipamento (é seguro presumir que você pretende equipar o equipamento com um ventilador para remover o ar quente). Uma regra geral seria escolher um SSR com uma classificação nominal que seja pelo menos 50% da corrente de estado estável de sua carga.
4. Necessidade de dissipador de calor: Todos os SSRs que operam com mais de alguns amperes ficarão quentes e precisarão de algum meio para dissipar o calor. A resistência térmica do dispositivo será especificada na folha de dados (em C/W). Deve-se selecionar um dissipador de calor adequado e certificar-se de que a temperatura da junção interna não ultrapasse a temperatura máxima permitida no SSR (o limite máximo geralmente é de 125C). O uso insuficiente do dissipador de calor é o motivo mais frequente de falha do SSR.
5. Tensão do sinal de controle: Certifique-se de que a tensão de controle fornecida pelo seu circuito lógico (por exemplo, 5 V de um Arduino, 24 V de um PLC) esteja dentro da faixa de entrada especificada do SSR (por exemplo, 3-32 V CC).
6. Tipo de comutação (Zero-Crossing vs. Random): Ao usar o SSR com um circuito lógico (por exemplo, um Arduino, PLC), certifique-se de que a tensão de controle esteja dentro dos limites de entrada declarados (por exemplo, 3-32 V CC) do SSR.

Avaliando esses parâmetros usando a abordagem cuidadosamente escolhida em relação à folha de dados fornecida pelo fabricante, você certamente integrará um SSR à sua aplicação para trabalhar com uma vida útil longa e impressionante.

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