Relé de Estado Sólido, SSR

11 de abril de 2023 0 Comentários Leitura: 13 min

Um relé de estado sólido é um interruptor eletrônico que liga ou desliga de acordo com um sinal externo – é como uma forma eletrônica de relé eletromecânico.

________________________________________

Tecnologia de Relés Inclui:

Noções básicas sobre relés | Relé de lâmina | Especificações do relé de lâmina | Circuitos de relé | Relé de estado sólido

_______________________________

Os relés de estado sólido podem ser comparados a versões eletrônicas de relés eletromecânicos. A chave de estado sólido possui uma saída que liga ou desliga de acordo com o sinal aplicado na entrada.

Outro atributo dos relés de estado sólido é que eles fornecem isolamento elétrico entre os circuitos de entrada e saída, assim como os relés eletromecânicos mais tradicionais.

Os relés de estado sólido têm várias vantagens sobre os relés, proporcionando comutação mais rápida, maior confiabilidade e vida útil mais longa, etc., mas também apresentam algumas desvantagens quando comparados aos componentes eletrônicos mais tradicionais.

Em vista de suas vantagens, os relés de estado sólido estão sendo usados cada vez mais, pois fornecem uma solução muito mais econômica para muitos projetos de circuitos eletrônicos, especialmente quando o serviço do equipamento é considerado.

Sumário

Noções básicas de relé de estado sólido

Os relés de estado sólido podem ter uma variedade de dispositivos diferentes no núcleo de seus circuitos eletrônicos: tiristores de SCRs, triacs, transistores de junção bipolar, BJTs e MOSFETs fornecem chaves eletrônicas ideais dentro do relé de estado sólido.

Para fornecer o sinal de comutação entre a entrada e o elemento de comutação, normalmente é usado um link óptico. Isso fornece isolamento elétrico virtualmente completo entre os circuitos de entrada e saída.

Frequentemente, o dispositivo de comutação; tiristorr, triac, transistor de junção bipolar ou MOSFET é uma versão óptica do dispositivo que liga na presença de luz.

Essencialmente, o relé de estado sólido é um interruptor onde a tensão de entrada ou controle acende um diodo emissor de luz. Este atua como o transmissor de um optoacoplador que então controla um dispositivo de comutação: tiristor, triac, transistor bipolar de MOSFET.

Conceito básico de um relé de estado sólido, SSR

O relé de estado sólido compreende um transmissor, Tx, e um receptor, Rx. Estes são fisicamente posicionados dentro do relé de estado sólido. O sinal de controle de entrada energiza o LED dentro do optoacoplador e isso ilumina o dispositivo de comutação de saída que é fotossensível e isso faz com que ele mude de seu estado normalmente não energizado. Normalmente, ele liga o dispositivo de saída, permitindo que a corrente passe pela saída do SSR.

O transmissor e o receptor normalmente estão localizados dentro do mesmo componente eletrônico, simplificando a construção dos relés de estado sólido.

Pode ser visto no diagrama que não há conexão elétrica entre os circuitos eletrônicos de entrada e saída. Essa separação, geralmente chamada de separação galvânica, é fundamental para manter os circuitos de entrada e saída isolados um do outro. O isolamento galvânico entre o LED e o fotodispositivo está tipicamente na faixa de vários milhares de volts devido à separação entre o transmissor óptico e o receptor ou separação do dispositivo detector e uma barreira isolante opticamente transparente que é colocada entre eles.

Ao observar as especificações do SSR, vale a pena notar que a isolação é especificada em termos de quebra de tensão, ou seja, a tensão que causa a quebra entre a entrada e a saída. Não é o mesmo que resistência de entrada para saída. Dependendo do dispositivo, isso pode estar entre 1.000 e 1 milhão de MΩ – pois é tão alto que geralmente é considerado uma resistência “infinita”.

Embora o diagrama de conceito básico do relé de estado sólido mostre apenas um LED que ilumina um interruptor semicondutor sensível à luz como um tiristor ou SCR, um triac, transistor ou MOSFET, também existem outros componentes necessários no SSR.

Existem duas áreas principais do relé de estado sólido:

Entrada SSR: Há vários aspectos do circuito de entrada a serem considerados, pois o LED de entrada precisa operar sob as condições de entrada necessárias:
- Nível de unidade de entrada: O circuito de entrada precisa garantir que o transmissor óptico, ou seja, o LED, seja capaz de operar com o nível de unidade especificado. Isso normalmente requer a inclusão de um resistor limitador de corrente e quaisquer outros componentes eletrônicos para garantir que o LED acenda suficientemente com o sinal de entrada. Estão disponíveis relés de estado sólido que operam com tensões de entrada de alguns volts para cima.
- Entrada CC ou CA: Se o SSR for projetado para operação com uma entrada CC, ele poderá operar com um mínimo de componentes eletrônicos adicionais – possivelmente apenas um resistor limitador de corrente. Se a operação CA for pretendida, então um retificador e normalmente um retificador de ponte é usado para retificar o sinal de entrada para que o LED seja acionado apenas com um sinal da polaridade correta. A luz do LED pulsará com a forma de onda alternada – o dobro da frequência se uma ponte retificadora for usada. Esta ponte retificadora pode ser incorporada como parte do relé de estado sólido ou possivelmente adicionada externamente.
Saída SSR: O lado de saída do relé de estado sólido também requer compreensão, pois pode haver vários componentes eletrônicos adicionais além do dispositivo de comutação fotossensível básico.

Uma variedade de dispositivos diferentes pode ser usada para a saída de relés de estado sólido: transistores, tiristores / SCRs, MOSFETs e triacs. O tipo de dispositivo determina muitas das características do SSR.

Se a saída for um único transistor, FET ou tiristor/SCR, isso significa que este SSR só pode conduzir em uma direção e só pode ser usado para controlar cargas CC. Um triac ou dois tiristores / SCRs na saída geralmente são necessários para operação CA – MOSFETs emparelhados também são usados às vezes.

As faixas de saída máximas especificadas para relés de estado sólido podem variar de alguns volts até centenas de volts AC ou DC e os níveis de corrente que podem ser transportados podem ser de até dezenas ou mesmo centenas de amperes de acordo com a especificação do dispositivo em particular.

Relés de estado sólido de comutação síncrona e aleatória

Ao alternar correntes altas e usar dispositivos semicondutores que podem ser desligados e ligados muito rapidamente, surgem bordas agudas nas formas de onda. Por sua vez, isso pode levar a altos níveis de interferência eletromagnética, EMI. Como todos os dispositivos nos dias de hoje devem ser projetados para minimizar esta interferência, é necessário utilizar meios que minimizem a geração desta EMI, para que a compatibilidade eletromagnética, o desempenho EMC do dispositivo caia dentro dos limites exigidos.

Um método que pode ser usado com cargas CA e resistivas é conhecido como comutação síncrona ou de passagem por zero. Como o nome indica, o relé de estado sólido só liga ou desliga no ponto de cruzamento zero da forma de onda CA, independentemente do tempo do sinal de controle de entrada.

Embora os SSRs de cruzamento zero sejam ideais para cargas resistivas, eles não funcionam adequadamente com cargas indutivas porque a corrente e a tensão estão fora de fase. Freqüentemente, eles não desligam corretamente.

Para cargas indutivas, como transformadores e motores, é normal o uso de relés de estado sólido de comutação aleatória. Esses dispositivos ligam ou desligam no instante exigido pelo sinal de controle de entrada e não levam em consideração a posição na forma de onda.

Vantagens e desvantagens dos relés de estado sólido

Como acontece com qualquer tecnologia, há vantagens e desvantagens em seu uso. Isso é verdade para relés de estado sólido – embora ofereçam muitas vantagens sobre outras alternativas, como relés eletromecânicos, eles têm algumas desvantagens. A própria escolha da tecnologia deve ser considerada olhando todas as opções para que a escolha certa seja feita.

Vantagens dos relés de estado sólido

Fornece isolamento físico entre os circuitos.
Comutação mais rápida do que relés eletromecânicos. O tempo de comutação é tipicamente em torno de 1 ms
Maior expectativa de vida do que para relés eletromecânicos
Eles não sofrem com o ressalto de contato experimentado ao usar relés eletromecânicos.

Desvantagens dos relés de estado sólido

A resistência no circuito de saída é normalmente maior que a de um relé eletromecânico
Não é tão resistente a picos transitórios e outras condições de sobrecarga como um relé mecânico – a menos que esteja protegido, um transiente acima dos limites do dispositivo de saída pode destruir o relé de estado sólido.

Comparação de relés de estado sólido com relés eletromecânicos

Em muitos projetos de circuitos eletrônicos, há uma escolha entre os relés eletromecânicos mais tradicionais e os relés de estado sólido. De muitas maneiras, as duas tecnologias são muito diferentes, mas em um grande número de projetos de circuitos existe a possibilidade de usar uma ou outra.

Para fazer a melhor escolha para qualquer projeto de circuito eletrônico, é melhor olhar para ambas as opções, comparando as vantagens e desvantagens de ambas as opções.

Sensibilidade ao uso indevido	Bom	Pobre
Sensibilidade à corrosão, oxidação, etc.	Pobre	Bom
Sensibilidade a choques e vibrações	Pobre	Bom
Custo por poste	Melhorar	Não tão bom
Compatibilidade com circuitos lógicos/digitais	Ruim (requer interface)	Bom (pode ser embutido)
Tempos de operação e liberação	5 – 20ms	0,25 – 10ms
Facilidade de localização de falhas	Bom	Pobre
Isolamento de entrada para saída	Frequentemente até 5kV	<5kV
Modo de falha normal	Circuito aberto (e grande desgaste de contato / alta resistência)	Curto circuito

Como selecionar um relé de estado sólido

Ao selecionar qual relé de estado sólido usar, primeiro é necessário definir o que ele precisa para ser capaz de comutar e como isso precisa ser alcançado. Existem algumas etapas úteis a serem seguidas e perguntas a serem feitas:

CA ou CC: Existem diferentes tipos de relés de estado sólido usados para comutar CA ou CC. Determinar se a alimentação CA ou CC deve ser comutada é uma das seleções mais fundamentais. Como os interruptores de estado sólido CA normalmente usam triacs e tiristores, eles não funcionam em CC e não desligam a carga, a menos que a CC caia para zero por algum outro motivo. Os comutadores de estado sólido CC normalmente usam MOSFETs, pois têm uma resistência ON muito baixa.Lembre-se também de que a entrada e a saída podem ser diferentes – um SSR pode ser projetado para controlar uma saída CA, mas requer uma entrada de tensão de controle CC, etc. Em alguns casos, uma ponte retificadora e possivelmente outros componentes eletrônicos podem ser necessários na entrada para criar o sinal de controle necessário se eles não estiverem contidos no pacote SSR – verifique a especificação para descobrir o que pode ser necessário.
Faixa de tensão: É necessário determinar a tensão necessária para o SSR. Se a CC for comutada, selecione um relé de estado sólido com pelo menos 25% mais tensão nominal do que a tensão máxima prevista. Idealmente, uma margem maior melhoraria a confiabilidade.Para AC SSRs, a tensão AC necessária para a aplicação deve ser verificada – novamente adicione uma margem. Embora os transientes estejam presentes em muitas linhas CA, os relés de estado sólido CA devem ser capazes de acomodá-los, pois provavelmente possuem proteção embutida (veja abaixo), mas é sempre melhor verificar a especificação.
Corrente de carga: Além da tensão, também é necessário saber a corrente que passará pelo aparelho. Se muita corrente fluir pelo dispositivo, ele superaquecerá e poderá ser destruído.Um ponto que deve ser observado é a corrente de irrupção que muitos circuitos exibem. Quando ativados pela primeira vez, alguns itens podem consumir níveis de corrente que excedem em muito a corrente média consumida. Portanto, é necessário levar isso em consideração ao selecionar o relé de estado sólido. Normalmente, um multiplicador é aplicado à corrente média dependente da carga que está sendo comutada.CARGA A SER COMUTADAMULTIPLICADORLuzes fluorescentes (AC)10lâmpadas incandescentes6Motores6Aquecedores resistivos1Transformadores20A corrente média a ser consumida deve ser multiplicada pelo multiplicador e o relé de estado sólido escolhido com este valor para a corrente.
Dimerização: Se for necessário escurecimento, algumas formas de relé de estado sólido são capazes de fornecer uma função de escurecimento onde a saída é controlada pelo nível da entrada.
Tipo de carga (AC): Para cargas AC é necessário saber se a carga é indutiva ou resistiva. Para cargas resistivas, chaves de cruzamento zero podem ser usadas. Como o nome indica, os interruptores de passagem por zero comutam no ponto em que a forma de onda passa pelo ponto de tensão zero. Isso produz uma ação de comutação muito melhor e reduz os níveis de interferência, EMI, gerados, bem como o nível de EMF gerado.Se a carga for indutiva, como no caso de transformadores, motores e lâmpadas fluorescentes, é necessária uma forma de chave chamada relé de estado sólido de ativação aleatória. Isso é ativado em qualquer ponto da forma de onda, pois a tensão e a corrente têm uma diferença de fase e isso causa o mau funcionamento dos interruptores de passagem por zero.Os relés de estado sólido de cruzamento zero podem ser usados com cargas resistivas como aquecedores, lâmpadas incandescentes, etc – mesmo que tenham um pequeno elemento indutivo, eles ainda são adequados para interruptores de cruzamento zero. O desligamento do cruzamento zero pode ser inerentemente fornecido por triacs ou tiristores, pois eles param de conduzir no final do ciclo e precisam ser disparados novamente para ligar.
Proteção contra surtos: Se o interruptor de estado sólido for usado com CA, verifique se ele possui proteção contra surtos integrada – embora a maioria dos componentes eletrônicos destinados ao uso em locais onde possam ocorrer surtos a possuam, é sempre melhor verificar o folha de especificações. A proteção contra surtos ou transientes é normalmente fornecida usando varistores de óxido de metal, MOVs. Esses varistores de óxido metálico absorvem os transientes e evitam que danifiquem o SSR.

Esses pontos fornecem a maioria dos principais pontos a serem considerados ao selecionar um relé de estado sólido. É sempre bom ler toda a especificação do SSR para garantir que não haja pontos que possam prejudicar o funcionamento do circuito geral quando em operação.

Os relés de estado sólido são dispositivos ideais para muitas aplicações de comutação – eles são mais rápidos e geralmente mais confiáveis do que os relés eletromecânicos, embora sejam menos resistentes a picos transitórios e outras condições de sobrecarga.

Tendo em vista sua operação superior em muitos cenários, os relés de estado sólido são usados em muitos circuitos, com classificações de corrente e tensão disponíveis para muitas aplicações de comutação.

____________________________

Retorne ao menu Componentes Eletrônicos

A Raisa distribui equipamentos para soldagem e para teste e medição há mais de 30 anos! Considere explorar algumas das nossa principais categorias através do menu abaixo: