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A evolução dos relés (ART564)

Existem componentes que aparecem, realizam suas funções por um certo tempo, e depois desaparecem substituídos por componentes equivalentes completamente diferentes. No caso do relé, isso não ocorreu. Os relés apenas mudaram de tecnologia, passando da versão eletromecânica para a de estado sólido, mas sua função básica permanece a mesma até hoje. Veja neste artigo como o relé evoluiu e como seus tipos tomaram formas diferentes, segundo as aplicações.

Para muitos o relé é considerado um componente superado.

Não é verdade. A função básica de se controlar um circuito a partir de um sinal, através de uma chave controlada por tensão ou corrente, ainda é necessária numa infinidade de aplicações.

É claro que o relé na sua forma tradicional pode em muitos casos ser substituído por versões de estado sólido, mas isso não é uma regra.

O importante é lembrar que, apesar de tudo, o relé ainda é um componente indispensável.

ÉT é por esse motivo que, preocupando-se com isso, os fabricantes desses componentes vêm se aperfeiçoando, criando componentes cada vez mais eficientes, quer sejam eles eletromecânicos, quer sejam eles de estado sólido.

 

Os tipos

Hoje em dia podemos contar basicamente com dois tipos de relés.

O primeiro é relé eletromecânico tradicional, formado por uma bobina onde é aplicado o sinal de controle, e um conjunto de contactos que controla o circuito externo, conforme mostra a figura 1.

 

Relé eletromecânico.
Relé eletromecânico.

 

Esse tipo de relé, tem a vantagem de poder isolar completamente o circuito de controle do circuito controlado e além disso pode controlar correntes nos dois sentidos ou ainda realizar funções complexas de comutação.

A desvantagem está na velocidade de operação (lenta), ruídos e arcos produzidos ao se acionar os contactos e confiabilidade, pois trata-se de um sistema eletromecânico.

É claro que muitos relés eletromecânicos que ainda são usados hoje, possuem projetos elaborados que melhoram muito seu desempenho em relação aos tipos antigos.

O uso de imãs em conjunto com a bobina de modo a polarizar o circuito magnético, aumentando a sensibilidade e a velocidade de respostas são exemplos de recursos que encontramos em relés eletromecânicos modernos.

O segundo tipo de relé é o PhotoMOS, formado basicamente por um LED emissor de infravermelho e um sistema foto-sensor que controla um ou mais transistores de efeito de campo de potência (Power MOS), conforme mostra a figura 2.

 

Power MOS
Power MOS

 

A principal vantagem deste tipo de relé é que ele não possui partes móveis e, portanto, é silencioso e muito mais confiável.

A desvantagem é que os dispositivos semicondutores usados no controle nem sempre apresentam uma resistência suficientemente baixa para o sinal como seria desejado.

O que o leitor deve lembrar entretanto, é que existem aplicações em que relés eletromecânicos ainda são mais vantajosos que os relés de estado sólido mais modernos.

De qualquer maneira, ao analisar esses componentes, podemos colocá-los numa ordem tal em que percebemos a evolução que vem ocorrendo ao longo do tempo.

Antes de passarmos a uma análise da evolução dos relés será interessante colocarmos numa tabela as características comparadas dos dois tipos:

 

Vantagens

Relés de Estado SólidoRelés Eletromecânicos
Confiabilidade na comutação Tensão de ruptura elevada
Vida útil longa Resistência a surtos e ruídos
Freqüência de comutação elevada Pode controlar qualquer intensidade de corrente
Muito sensível - aciona com baixas correntes Pode operar com correntes contínuas e alternadas
Operação silenciosa Isolamento total da carga
Não apresenta arcos na comutação Não existem correntes de fuga
Resistência a quedas e impactos Não é sensível a EMI

 

 

Desvantagens

Relés de Estado SólidoRelés Eletromecânicos
Possuem corrente de fuga elevada São pesados, caros e volumosos
Sensíveis a surtos e transientes Precisam de muita potência para o acionamento
Sua resistência de condução é elevada Contactos sujeitos a repiques
Capacidade de controle da carga limitada Operação ruidosa
- Produzem arcos principalmente na comutação de cargas indutivas

 

Relés de Estado Sólido com Triacs e MOSFETs

Os relés comuns podem ser usados para comutar diversos tipos de cargas, que vão de cargas de corrente contínua e sinais a cargas de potência ligadas à rede de energia.

Para os relés comuns não existe muita diferença quanto ao tipo de carga, havendo apenas algumas precauções com a geometria dos contactos.

No entanto, no caso dos relés de estado sólido, o tipo de carga a ser controlada divide-os em duas categorias.

Assim, temos os relés PhotoMOS que têm a estrutura mostrada na figura 3 e que se baseiam em transistores de efeito de campo.

 

PhotoMOS
PhotoMOS

 

Por outro lado, os relés baseados em TRIACs são indicados especialmente para o controle de cargas de corrente alternada, tendo a estrutura mostrada na figura 4.

 

Relés baseados em TRIACs
Relés baseados em TRIACs

 

 

Para o PhotoMOS, o princípio de funcionamento é bastante simples de entender.

Na parte superior existe um LED emissor que deve ser excitado pelo circuito de controle. Quando isso ocorre ele emite radiação infravermelha que é captada por um conjunto de células fotoelétricas colocadas logo abaixo, conforme mostra a figura 5.

 

Princípio de funcionamento do PhotoMOS
Princípio de funcionamento do PhotoMOS

 

A distância de separação entre o emissor e o receptor de infravermelho é tipicamente de 0,4 mm o que garante um isolamento típico bastante alto, da ordem de milhares de volts, dependendo apenas do gás presente no interior do dispositivo.

O conjunto de fotocélulas excita então o dispositivo de potência usado no controle externo, normalmente transistores de efeito de campo MOS.

Um único transistor pode apenas comutar correntes contínuas, já que ele pode conduzir apenas num sentido.

No entanto, é possível comutar correntes alternadas com o uso de dois transistores ligados conforme mostra a figura 6.

 

Comutando correntes alternadas.
Comutando correntes alternadas.

 

Para as duas configurações é comum o uso de transistores DMOS com resistência entre o dreno e a fonte no estado de condução muito baixa.

A resistência dentre o dreno e a fonte no estado de condução ou Rds(on) é a característica mais importante deste tipo de relé, correspondendo à "resistência de contacto" dos relés eletromecânicos.

Essa resistência não só indica a queda de tensão que ocorre quando o relé "fecha" seus contactos, como também a sua dissipação.

Multiplicando a Rds(on) pelo quadrado da corrente conduzida, temos a potência que o dispositivo vai dissipar quando acionado. Para as cargas de alta potência, essa grandeza é fundamental no projeto.

Para os relés de estado sólido baseados em TRIACs o princípio de funcionamento é semelhante.

Um LED é o emissor, mas na recepção existe um foto-diac ou foto-triac de pequena potência, conforme mostra a figura 7.

 

Foto-DIAC ou TRIAC como receptor.
Foto-DIAC ou TRIAC como receptor.

 

Esse foto-disparador tem correntes típicas na faixa de 5 a 20 mA, o que é suficiente para disparar um triac de maior potência, num controle ligado à rede de energia, conforme mostra a figura 8.

 

Um disparando um TRIAC.
Um disparando um TRIAC.

 

A terminologia usada para diferenciar esses dois tipos de relés é importante.

Os relés de estado sólido (Solid State Relays) ou SSR são os que fazem uso de Triacs enquanto que os PhotoMOS ou PMOS são os que transistores de efeito de campo de potência.

As tabelas abaixo faz uma comparação entre vantagens e desvantagens dos dois tipos:

 

Vantagens

PhotoMOS ou PMOS

Solid State Relays ou SSR
Pode trabalhar com sinais analógicos de baixa intensidade São melhores nos controles de cargas ligadas à rede de energia
Possuem baixas correntes de fugas Podem controlar TRIACs de alta potência
Operam tanto com cargas AC como DC Possuem uma velocidade de comutação muito alta
Podem ter contactos NA e NF  

 

 

Desvantagens

PhotoMOS ou PMOS

Solid State Relays ou SSR
Pequena capacidade de potência Corrente de fuga elevada
Sensível a transientes Precisa de circuito de proteção
Resistência de contacto elevada (Rds(on)) Precisa de dissipador em alguns casos

 

Hoje o projetista pode contar com uma enorme gama de tipos de relés de estado sólido PhotoMOS.

Essa variedade dificulta em alguns casos a seleção do tipo ideal para uma aplicação.

No gráfico da figura 9 mostramos as diversas famílias de relés com as tensões de trabalho e as correntes que os principais tipos pode controlar.

 

Diversas famílias de relés e suas tensões de trabalho.
Diversas famílias de relés e suas tensões de trabalho.

 

Nesse gráfico observamos que as correntes podem ser tão baixas como 50 mA para tipos de RF ou tão altas como 6 A para tipos de potência.

As tensões de trabalho igualmente ocupam uma ampla faixa de valores indo dos 40 V aos 1 500 V.

Os fabricantes de relés de estado sólido possuem informações mais completas sobre seus relés, na forma de Datasheets e até mesmo Selection Guides.

Em especial recomendamos que o leitor visite o site da Metaltex (www.metaltex.com.br) que distribui relés PhotoMOS da Aromat (www.aromat.com).

A Metaltex também é um dos mais tradicionais fabricantes de relés eletromecânicos de nosso pais, com uma ampla linha de tipos cujas características podem ser acessadas em seu site.

 

Conclusão

Relés, tanto eletromecânicos como de estado sólido são componentes importantes de muitos projetos.

Existem aplicações em que os tipos tradicionais eletromecânicos podem ser substituídos pelos relés de estado sólido ou PhotoMOS.

No entanto, o projetista deve estar atento para as vantagens e desvantagens de cada um, levando em conta que a evolução dos relés semicondutores tende a criar tipos que cada vez mais sejam indicados para aplicações específicas.

Pode-se usar um relé de estado sólido ou PhotoMOS para um projeto, mas o projetista deve saber escolher o tipo ideal para essa aplicação.

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