Relés eletromecânicos e de estado sólido

maio, 2009

Edição 40, Maio de 2009

Por Reinaldo Cozzo

Nos processos de automação em geral, há um uso disseminado de relés de interfaceamento de diversos tipos e características. Diversas vezes, o profissional responsável pela especificação destes sistemas defronta-se com situações em que ele deve optar por relés eletromecânicos ou relés de estado sólido e nem sempre são claros os limites que devem nortear esta decisão.

Este artigo tem por objetivo apresentar as características construtivas e funcionais destes dois tipos de produtos, como essas especificidades afetam a sua funcionalidade e quais parâmetros devem ser observados na escolha de um ou de outro produto.

Os relés eletromecânicos e relés de estado sólido possuem similaridades quanto às aplicações. Tipicamente são usados com o objetivo de:

• Isolar galvanicamente dois circuitos quaisquer;

• Adequar os níveis de tensão entre dois pontos;

• Adequar os níveis de potência a serem chaveados entre dois pontos;

• Multiplicar contatos.

Nesses casos, o mercado adota diferentes nomes para os produtos usados (relés de sinal ou telecomunicações, relés automotivos, relés de usos gerais, contatores ou chaves estáticas), os quais dependem dos níveis de tensão e corrente que estão sendo usados, conforme é mostrado na Figura 1.

Figura 1 – Tipos de relés

Quanto aos princípios de funcionamento, os relés eletromecânicos fazem a transmissão de sinal por meio de um circuito magnético com movimentação mecânica (bobina + armadura), enquanto os relés de estado sólido transmitem o sinal por meio de um circuito ótico com acionamento de cargas em um semicondutor (Led + fototransistor), vide Figura 2.

Figura 2 – Relés de estado sólido transmitem o sinal por meio de um circuito ótico.

Ainda encarando sob o ponto de vista da aplicação, a principal diferença entre o comportamento de um relé eletromecânico e o comportamento de um relé de estado sólido está em sua saída, então vamos detalhar as características de saída de cada um dos dispositivos.

Relés eletromecânicos

Pelo fato de o acionamento e de o “desacionamento” do relé estar associado a um contato mecânico, temos inicialmente uma vantagem natural já que a resistência do contato, uma vez estabelecido, varia de 5 mOhms a 50 mOhms e, uma vez aberto, não há correntes de fuga fluindo pelos contatos. Isso faz com que, já tendo sido fechados ou abertos, os contatos do relé têm um comportamento muito próximo do ideal, sob o ponto de vista elétrico. O problema surge no momento de fechamento e de abertura destes contatos.

Figura 3 – Exemplo de construção de um relé eletromecânico para aplicações industriais

Todas as vezes que abrimos ou fechamos contatos mecânicos energizados, criamos condições para o surgimento de arcos voltaicos (faíscas). No caso do fechamento de um relé eletromecânico, essas faíscas são benéficas até certo nível, visto que são responsáveis pela limpeza de óxidos e outras impurezas que se formam nos contatos, melhorando assim a conexão elétrica. O problema surge quando estes arcos voltaicos chegam a danificar o material que compõe os contatos. Nessas condições, a vida útil do relé pode ser reduzida em um fator de 10 ou até 100 vezes.

Inicialmente, analisando o fechamento de um relé, identificamos que a principal causa de arcos voltaicos é a corrente de inrush da carga associada ao efeito bouncing do relé. No momento do ligamento, muitas cargas podem apresentar picos de corrente que podem chegar a 1.600 vezes sua corrente nominal (vide Figura 4). O relé, porém, ao fechar, tem um efeito mecânico chamado bouncing que implica sucessivas aberturas e fechamentos de contato até que a mecânica se estabilize (Figura 5). A junção dos dois fatores é apresentada na Figura 6 e seu efeito pode efetivamente colar os contatos de um relé eletromecânico inutilizando-o.

Figura 4 – Correntes de inrush típicas

 

Figura 5 – Características do fechamento de contatos de um relé

 

Figura 6 – Bouncing do contato no momento inrush

No caso da abertura de um contato mecânico, não temos o efeito do inrush, mas ainda assim forma-se um arco voltaico proporcional à tensão presente na carga e transferida aos contatos no momento da abertura. Este arco é extinto pelo aumento da distância entre contatos e/ou pela passagem pelo zero da tensão (tratando-se de tensão alternada) e, enquanto estiver presente, este arco pode gerar fluxo de material de um contato para o outro.

Em cargas submetidas a tensões alternadas, o fato de a corrente circular ora em um sentido, ora em outro, o efeito de transferência de material é minimizado, pois não há acúmulo de material em nenhum dos dois contatos.

Além disso, o tempo de duração do arco é reduzido pela passagem da tensão pelo zero. Esta situação reflete-se no fato de que a capacidade de desligamento dos contatos de um relé, quando opera cargas AC, é constante ao longo de toda a faixa de tensão suportada (Figura 7).

Figura 7 – Capacidade de chaveamento de um relé eletromecânico para cargas AC

No entanto, este efeito é crítico em cargas submetidas a tensões contínuas, pois, neste caso, além de a extinção do arco depender apenas da abertura dos contatos (não há passagem pelo zero), o efeito de migração de material ocorre sempre em um mesmo sentido. Isto pode ser observado na especificação de relés que, a partir de certa tensão, tem sua capacidade de desligamento abruptamente reduzida.

Figura 8 – Capacidade de chaveamento de um relé eletromecânico para cargas DC

Atente que esta situação fica ainda pior quando se utiliza cargas indutivas, pois, nesse caso, o desligamento da carga leva a mesma a gerar uma força contra-eletromotriz que se reflete como uma tensão adicional nos contatos do relé (tudo de passa como se a curva da Figura 8 se deslocasse para a esquerda). A forma de reduzir o efeito de cargas indutivas é inserir um diodo em anti-paralelo com a carga, de modo que o mesmo anule os efeitos da força contra-eletromotriz gerada por esta carga.

De qualquer modo, o arco voltaico resultante desta migração contínua de material leva ao dano do relé como mostrado na Figura 9.

Figu

ra 9 – Contato danificado por migração de material

Outra característica dos relés eletromecânicos refere-se ao desgaste mecânico dos contatos. Como qualquer material, os contatos de um relé sofrem um stress mecânico inerente à sua movimentação. Normalmente, esses componentes podem ter um limite mecânico de chaveamento que varia de 1 milhão de ciclos (para contatores) até 20 milhões de ciclos (para relés de pequeno porte). Este limite não sofre grandes variações se o relé estiver chaveando uma carga muito inferior à sua capacidade de chaveamento, mas ele decai de dez vezes para cargas de médio porte e até 100 vezes se o relé estiver operando cargas no limite de sua capacidade.

Para se ter uma noção do que isso significa, imagine um relé com uma vida mecânica de dez milhões de ciclos. Se ele estiver operando em uma máquina 16 horas por dia (dois turnos), cinco dias por semana e se for submetido a uma condição de 1 chaveamento a cada dez segundos, ele atingirá seu limite mecânico em 6,5 anos. Este mesmo tempo será necessário para danificá-lo se ele estiver operando uma carga elétrica muito menor que sua capacidade.

Este mesmo relé, operando uma carga de média capacidade (considerando seus limites elétricos), poderá chavear, no máximo, 1 milhão de ciclos, o que limitará sua vida útil a oito meses. Operando uma carga no limite de sua capacidade, ele funcionará, nessas condições, por menos que um mês (equivalente a 100 mil ciclos).

Figura 10 – Comparação do funcionamento do relé em média capacidade e no seu limite

Relés de estado sólido

Um relé de estado sólido é composto pelos seguintes conjuntos:

— Circuito de entrada, responsável por adequar o sinal de entrada do relé ás condições de funcionamento do optoacoplador. Normalmente contém:

• Resistor de limitação de corrente;

• Led de sinalização;

• Diodo para impedir a inversão de polaridade;

• Filtro para eliminar transientes;

• Redutor de tensão, retificador e capacitor caso a entrada seja AC.

— Optoacoplador: é o responsável pela isolação galvânica entre entrada e saída.

— Circuito de saída: adéqua o sinal de saída do optoacoplador às condições da carga que se pretende chavear. Normalmente contém:

• Amplificador de corrente para aumentar a capacidade de potência do optoacoplador. Este pode ser via transsitor (para saída DC) ou triac (para saída AC);

• Filtro contra sobretensões (necessário para evitar que picos de força contra-eletromotriz da carga danifiquem o circuito de saída), normalmente, é um varistor ou um RC;

• Detector de passagem por zero (válido para saída AC): garante que a carga será chaveada apenas na passagem da senóide pelo zero, reduzindo assim picos na rede AC e aumentando a vida útil do relé e da própria carga.

Figura 11 – Blocos funcionais do relé de estado sólido

Pelo fato de não gerar arcos voltaicos no ligamento e desligamento e pelo fato de conseguir ligar a carga na passagem pelo zero (quando se trata de cargas AC), o relé de estado sólido tem um comportamento próximo do ideal nos momentos de acionamento e desacionamento das cargas, além de reduzir a geração de picos de energia na rede elétrica. Também por não dispor de partes mecânicas, não sofre o stress inerente ao movimento dessas partes e não sofre desgastes, o que permite um número virtualmente ilimitado de chaveamentos (tipicamente 100 milhões) e uma frequência de operação que varia tipicamente de 10 Hz a 300 Hz (alguns podem operar a 100 KHz).

Entretanto, o relé de estado sólido também tem suas limitações e elas são evidentes quando em operação contínua. Por se tratar de uma pastilha de semicondutor, a parte de potência do circuito de saída é muito sensível a aumentos de temperatura. Isto significa que, para mantermos acionada, com segurança, certa carga, ou garantimos que a temperatura dos componentes de saída não atinjam níveis críticos (o que é conseguido por meio de dissipadores grandes e custosos e/ou por meio de climatização do ambiente) ou temos de superdimensionar o relé de estado sólido.

Esta característica é descrita, comumente, como “curva de decaimento” ou usa-se o termo em inglês “derating”.

Figura 12 – Exemplo de curva de decaimento

Outro aspecto relevante é o fato de que todo relé de estado sólido apresenta uma dissipação de potência muito mais alta que a de um relé eletromecânico. Por tratar-se de uma pastilha de semicondutor, a queda de tensão sobre ele varia de 0,5 V a 2 V. Considerando-se o chaveamento de correntes na ordem de 10 A ou maiores, temos potências de 10 W a 20 W que devem ser dissipadas, implicando novamente necessidade de dissipadores e cuidados com a temperatura.

Por fim, deve-se considerar o fato de que, construtivamente, os relés de estado sólido são menos flexíveis que os relés eletromecânicos quanto a diferentes tensões de saída. Ao se construir o relé de estado sólido, define-se se seu circuito de saída será baseado em transistor ou tiristor, o que naturalmente limita sua aplicação a cargas DC ou AC, respectivamente. Além disso, quando se determina o nível máximo de tensão DC que será chaveado, há a necessidade de cumprir um compromisso com a corrente máxima, isto é, chaveamento de maiores tensões DC tende a culminar em menores correntes de saída.

Relés eletromecânicos versus relés de estado sólido

Em um comparativo, pode-se dizer que os relés eletromecânicos são mais flexíveis quanto aos tipos de cargas que podem ser chaveadas (AC ou DC) e, uma vez acionados, são mais eficientes quanto à dissipação de energia.

No entanto, os relés de estado sólido são mais eficientes no momento de acionamento e no momento de “desacionamento”. Isto os torna mais duráveis quanto ao número de ligações, mais aptos a aplicações que exijam maiores frequências de chaveamento e incomparavelmente melhores quando há a necessidade de chaveamento de cargas DC.

Figura 13 – Vantagens e desvantagens dos dois produtos

Relés ou contatores híbridos

O estado atual do desenvolvimento eletrônico já permite que, em algumas aplicações, tenhamos a junção das vantagens das duas tecnologias de relés (eletromecânica e de estado sólido). Isto é feito utilizando-se um circuito híbrido composto por relés com semicondutores controlados em paralelo. Esta solução é aplicada hoje no acionamento de motores trifásicos com reversão.

Estes módulos contêm um diagrama híbrido patenteado na Europa por uma empresa alemã. A ideia básica por trás da palavra chave “híbrido” é uma combinação inteligente entre chaves de estado sólido livres de desgaste e relés com contatos que oferecem baixíssima dissipação, tudo comandado por um microcontrolador. Dessa forma, como mencionado, as vantagens das duas tecnologias são aproveitadas.

A fim de simplificar a explanação, vamos considerar apenas um sentido de rotação dos motores, ou seja, a mesma explanação ale na inversão de duas fases que possibilita a inversão do sentido de rotação (vide Figura 14).

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Figura 14 – Inversão do sentido de rotação

Se o módulo é ativado em uma direção de rotação, uma série de testes internos é executada a fim de assegurar que existe segurança para inverter (ou ligar) as fases do motor. Se um erro é detectado neste processo, o modulo permanece na condição segura (desligado). Entretanto, se todos os testes ocorrem sem problemas, o módulo irá colocar em operação os seguintes passos:

1. Os dois contatos do relé K2 irão fechar a fase L3 (vide Figura 15). Isto ocorre sem que passe qualquer corrente pelos contatos, já que neste momento os contatos de K1 e K3 estão abertos, ou seja, os contatos são preservados.

2. Após um teste interno confirmando a ausência de corrente, o microcontrolador fechará os contatos de K1 ligados às fases L1 e L2 (Figura 15). Ainda não há corrente no motor já que o contato K3 está aberto.

Figura 15 – Os dois contatos do relé fecham a fase L3 e os contatos de K1 ligados às fases L1 e L2 são fechados

3. Após outro teste de corrente, os triacs V1 e V2 são acionados nas fases L1 e L2, fechando o circuito. Atente que sendo dispositivos de estado sólido eles suportam perfeitamente a ligação do motor por um número infindável de vezes. Além disso, neste momento, os relés K1 e K2 já haviam sido fechados o que impede que os mesmos sofram qualquer desgaste adicional.

Figura 16 – Os Triacs V1 e V2 são acionados às fases L1 e L2

4. As chaves de estado sólido em operação permanente dissipam certa potência. Normalmente, como mencionado anteriormente, esta potência demandaria o uso de dissipadores, entretanto, neste caso, temos o relé K3 que fecha efetuando um bypass nos tiristores V1 e V2. Atente que os contatos de K3 tiveram de eliminar apenas a tensão residual que havia sobre V1 e V2 (cerca de 1,5 V), ou seja, não há desgaste elétrico também nos contatos de K3.

5. Uma vez que os tiristores V1 e V2 são colocados em bypass por K3, eles são colocados em um tipo de “modo de espera”, o que elimina completamente a dissipação de potência que eles poderiam gerar (Figura 17). Dessa maneira, pode-se chavear correntes grandes com dissipação desprezível e, portanto, sem a necessidade de grandes espaços para encapsulamento..

Figura 17 – Tiristores V1 e V2 em “modo de espera”

O desligamento ocorre de modo reverso, ou seja, V1 e V2 são retirados do “modo de espera” e K3 é aberto. O motor continua rodando por meio de V1 e V2. Em seguida, o controle desativa os tiristores na próxima passagem pelo zero, “desernegizando” o motor. Finalmente, os contatos de K1 e K2 são abertos (já sem a passagem de corrente) e o sistema volta à condição inicial.

Outra vantagem deste método de acionamento é que, quando há um conjunto de contatos eletromecânicos entre a alimentação e o motor, desernegizado, o motor não permite nenhuma possibilidade de uma corrente de fuga estar presente na saída do módulo, ou seja, o sistema fornece total segurança.

Visto que o microcontrolador monitora continuamente as correntes das três fases do motor, ele também substitui as funções de relé térmico, ou seja, a partir deste processo, pode-se dispor, em um espaço extremamente pequeno, de uma solução completa equivalente a contatores de reversão, contatores principais e relé térmico (Figura 18).

Figura 18 – Cpmparativo entre sistema híbrido e sistema tradicional


 


Reinaldo Cozzo é engenheiro eletricista pela Poli/USP e gerente de produtos da linha interface da Phoenix Contact.

 

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