1- Relés de Estado Sólido (SSR - Solid State Relays)

1. Introdução:

Os Relés de Estado Sólido, também denominados pela sigla SSR (que deriva do inglês Solid State Relays), são dispositivos de comutação utilizados em conversão de energia em eletrônica de potência, bem como na comutação de pequenos sinais elétricos em dispositivos de entradas / saída de informações lógicas.

O SSR opera, basicamente, como um relé, mas que utiliza as tecnologias dos semicondutores, ao invés da eletromecânica. Ele emprega semicondutores tanto em substituição a bobina de comando, quanto, em particular, no chaveamento da carga que também é realizada por um semicondutor (um tiristor ou um transistor), ao invés de contatos mecânicos.

Consequentemente, tais relés não estão sujeitos a “queima” ou a “cola” de contatos e não existe nenhuma migração de material de contato no ato da comutação, problemas que são comuns nos relés eletromecânicos.

Os SSR´s são adequados para comutação em altas velocidades, com tempos de resposta muito rápidos e para um grande número de comutações por período, possuindo ainda uma vida útil ilimitada. Os relés de estado sólidos (SSR) substituem os relés eletromecânicos com as seguintes vantagens:

• Vida útil muito superior;• Imunidade em ambientes corrosivos e a vibrações mecânicas;• Isenção de centelhamento, não provocando combustão de gazes e não interferindo

em processos fotográficos;• Demanda pequenas corrente (a partir de 10 mA) para acionamento (comutação),

podendo ser acionado diretamente por C.I.s microcontroladores;• Totalmente silenciosos e muito mais rápidos;• Acoplamento óptico integrado.

O campo das principais aplicações são bastante amplos e variado, podendo ser mencionados os seguintes:

• Máquinas e equipamentos em geral;• Controle de linhas de produção;• Sistemas de segurança e alarmes;• Controle de tráfego;• Painéis mostradores luminosos;• Equipamentos reprográficos;• Equipamentos de entretenimento;• Controle de temperatura.

Ao final desta dissertação, faremos a apreciação de um exemplo de aplicação de SSRs de potência, empregados em um sistema de aquecimento com controle de temperatura.

Os relés de estado sólido, quando empregados em eletrônica de potência, devem ser montados na superfície de um elemento dissipador térmico, com a utilização de pasta térmica, mas sem a necessidade do emprego de isoladores elétricos. O dissipador térmico pode ser, até mesmo, a

André Luis Lenz 1

Ilustração de um SSRde Potência de Padrão

própria placa de montagem de um painel elétrico.

2. Tipos de Relés de Estado Sólido:

De acordo com as necessidades da aplicação, a configuração do esquema elétrico equivalente do SSR pode variar. Basicamente, poderemos encontrar as principais variedades de esquemas apresentadas a seguir:

2.1 Comando em C.C. e Saída em C.A:

Nesta configuração básica, o funcionamento é o seguinte: Ao aplicarmos um degrau de tensão elétrica polarizada (corrente contínua) entre os terminais de entrada da Tensão de Comando, uma corrente elétrica passa a circular pelo LED Emissor, fazendo com que o mesmo seja acionado, emitindo luz.

O Limitador de Corrente permite um amplo range de valor ao degrau de tensão de comando a ser utilizada para comutar o SSR.

O Acoplamento Ótico direciona o foco da luz emitida pelo LED, diretamente para foto detector, que por sua vez, ao receber e detectar a luz, responde emitindo um impulso de sinal elétrico, que provoca o disparo do Tiristor.

O acoplamento óptico garante uma ótima isolação elétrica entre o Circuito de Entrada e o Circuito de Saída de um SSR.

Uma vez disparado, o tiristor chaveia (muda de estado, de bloqueado para conduzindo) e passa a permitir a circulação de uma corrente elétrica pela carga, que é alimentada pela tensão da rede. A isso chamamos de comutação e o tempo retardo entre a aplicação do degrau de tensão na entrada e a correspondente resposta de comutação na saída, com a circulação de corrente na carga, é muitíssimo menor do que aquele que ocorre no acionamento dos relês eletromecânicos. Os SSRs são muito mais rápidos do que os relés eletromecânicos.

André Luis Lenz 2

2.2 Comando em C.A. e Saída em C.A.:

Nesta versão de esquema de SSR, o funcionamento é idêntico ao anterior. A diferença está, apenas, no circuito de entrada, que agora é dotado de um Circuito Retificador.

O retificador do circuito na entrada, tem a função de converter o sinal elétrico da tensão de comando, que agora será do tipo C.A. (normalmente proveniente da própria rede elétrica), para o tipo C.C. (que é adequado ao acionamento do LED emissor).

Em ambas as versões apresentadas, a pequena corrente demandada na entrada, para realizar o comando do SSR (que é da ordem de dezenas de mA), é muitíssimas vezes menor do que a grande corrente que circula na saída (da ordem de dezenas de A), alimentando a carga.

Além de suportar grandes correntes, o tipo de tiristor utilizado permite, ainda, a passagem da corrente em ambos os sentidos de condução (é usado um tiristor de C.A. denominado TRIAC), o que propicia que a carga seja alimentada, diretamente, com a tensão da rede elétrica de C.A..

2.3 Comando em C.C. e Saída em C.C.:

Nesta outra versão de esquema de SSR, aparece uma diferença no circuito de saída que, ao invés de acionar uma carga que funciona em C.A., acionará, sim, um carga que funciona em C.C..

O acionamento da carga em C.C. é feito com o emprego de um Transistor (ao invés de um Tiristor), normalmente do tipo com tecnologia MOSFET. O transistor permite a circulação de corrente apenas em um sentido, com o sentido convencional indo do coletor pra o emissor do transistor.

O diodo, que se encontra inserido entre o coletor e emissor transistor (que normalmente é encapsulado no mesmo corpo junto com o transistor), realiza a função de eliminar transitórios de

André Luis Lenz 3

tensão reversa, como os que ocorrem quando a carga operada é uma carga predominantemente indutiva. Os SSRs para comutação em cargas de C.C. são sensíveis a inversão de polaridade, portanto, é necessário muita atenção com respeito ao valor da tensão máxima de bloqueio permitida.

2.4 Trifásico – Comando em C.C. e Saída em C.A.:

Nesta versão, a corrente produzida pela tensão de comando acionará não apenas um, mas sim, um trio de LEDs emissores. A luz emitida por cada um dos LEDs é direcionada, pelo acoplamento ótico, para cada um dos três diferentes foto detetores associados aos LEDs.

Por fim, atendendo as necessidades da comutação de uma carga tipicamente trifásica, o circuito de saída também é triplo, com três tiristores independentes, seja para o acionamento de até três cargas independentes ou para acionar uma típica carga trifásica.

2.5 SSR de Tempo (Temporizador, Ajustável por Potenciômetro Externo):

Atualmente, nesta versão, existem tanto SSRs de potência, quanto SSRs para pequenos sinais. O circuito de saída pode ser tanto a tiristor, quanto a transistor. Existem ainda tanto na versão de “retardo no ligamento” (turn-on delay), quanto na de “retardo no desligamento” (turn-off delay).

O tempo é ajustado por meio de um potenciômetro inserido externamente e de acordo com o valor da resistência ôhmica nominal do potenciômetro, as faixas de tempo de retardo da atuação costumam ser tipicamente de:

POTENCIÔMETRO TEMPO(min) TEMPO(max) OΩ (curto) 0.10 s 1.6 s 10K Ω 0.19 s 3.1 s 100KΩ 0.94 s 15 s 470KΩ 4.0 s 64 s 1.0MΩ 8.3 s 133 s

André Luis Lenz 4

3. Parâmetros para Especificação e Seleção de SSRs:

Para especificar e selecionar adequadamente os SSRs, é necessário se considerar algumas características ou parâmetros, os quais podemos classificar, basicamente, em dois grupos:

3.1 Parâmetros de Especificações de Entrada:

• Faixa da Tensão de Comando (Control Voltage Range): É o parâmetro de entrada mais importante e é a faixa delimitada entre o valor máximo e o valor mínimo para a tensão de comando que causa uma segura comutação do SSR, do estado desligado pata o estado ligado. Os valores típicos para os SSR encontrados atualmente no mercado são:

• de 3 a 32 VCC, para SSRs com entrada operada em C.C.;• de 90 a 280VRMS, para SSRs com entrada operada em C.A.;• de 18 a 36 VRMS, para SSRs especiais, com entrada operada em C.A..

Em detalhamento de projetos, outros parâmetros de entrada precisam, ainda, ser considerado como, por exemplo:

• Corrente de Entrada Típica (Typical Input Current), cujo valor típico é sempre especificado para uma dada tensão aplicada a entrada, como por exemplo: 10mA @ 12 VCC . Este parâmetro pode também ser apresentado na formas de um gráfico que relaciona a o valor da corrente de entrada típica com toda a faixa de valores da tensão de comando. Já a impedância de entrada nominal (Nominal Input Impedence) não costuma ser considerada uma vez que o circuito de entrada possui um limitador de corrente ativo;

Na prática, em projetos de automação industrial, o valor nominal de tensão de comando em C.C. mais utilizado é o de 24VCC. Já para comandos operados em C.A., o valor nominal mais comumente utilizado é o de 220VRMS.

• Tensão de Desligamento Máxima (Min. Turn-Off Voltage): é o valor máximo para a tensão de comando que causa uma segura comutação do SSR, do estado ligado pata o estado desligado. O valor típico fica em torno de 1.0 VCC.

3.2 Parâmetros de Especificação de Saída:

• Tensão de Operação (Operating Voltage): é a faixa delimitada entre o valor máximo e o valor mínimo para a tensão que alimentará a carga na saída. Quando a operação é em C.A., especifica-se também uma faixa para a frequência dessa C.A., normalmente com valor entre 47 e 63 Hz, o que torna os SSR compatíveis tanto para redes C.A. de 50 Hz, quanto para redes C.A. de 60 Hz. Os valores típicos para a tensão de operação dos SSR encontrados atualmente no mercado, cuja saída opera uma carga alimentada em tensão C.A., são:

• de 24 a 140 VRMS ;• de 24 a 280 VRMS , que são os mais utilizados por serem compatíveis com

André Luis Lenz 5

redes de alimentação C.A. de valor nominal tanto de 127 VRMS , quanto com rede de 220VRMS, bem como, ainda, com valores de tensão de comando C.A. menores;

• De 48 a 530 VRMS , ou seja, compatíveis com redes de alimentação de C.A. de valores mais elevadas usadas na indústria, como as de 380VRMS, e 440VRMS;

• De 48 a 660 VRMS , compatíveis com redes de alimentação C.A. de 600 VRMS .

Alguns fabricantes de SSR, o invés do parâmetro de tensão de operação, preferem declarar o parâmetro “Tensão na Carga”, com valores de até 800 VRMS.

Já, para os SSR, cujas saídas operam uma carga alimentada em tensão C.C., os valores típicos para a tensão de operação dos SSR encontrados no mercado são:

• de 0 a 60 VCC ;• de 0 a 100 VCC ;• de 0 a 200 VCC ;• de 0 a 400 VCC ;• de 0 a 500 VCC .

O valor inicial da faixa em zero volts é propiciado pela característica de baixíssima impedância de saída pela provido pela tecnologia MOSFET do transistor de saída. Todavia, para a construção de SSRs de baixa potência (com correntes de saída máxima inferiores ou igual que 7 A) e para tensão de operação também baixas (abaixo de 100 V), opta-se pelo emprego de transistores bipolares (ao invés do MOSFET), para obter uma melhor relação custo-benefício.

• Faixa da Corrente de Carga (Load Current Range): É a faixa delimitada entre o valor de corrente mínimo (Min. Load Current) e o valor de corrente máximo (Max. Load Current), que poderá circular pela carga quando o SSR estiver comutado para o estado de ligado e a carga, conectada a sua saída, estiver energizada.

O valor máximo permitido para a corrente de carga é muito importante na medida em que é ele que limita a potência máxima que poderá ser desenvolvida na carga, de modo que, seleciona-se o SSR de acordo com a corrente que a carga ira demandar, quando ligada. Os valores típicos para a corrente de caraga máximo, para os SSRs empregados em eletrônica de potência, cuja saída opera uma carga alimentada em tensão C.A., são: são:

• 10 ARMS ;• 25 ARMS ;• 50 ARMS ;• 75 ARMS ;• 90 ARMS .

Alguns fabricantes disponibilizam modelos de SSR para correntes de cargas ainda maiores (até 125A).

Por sua vez, o valor minimo permitido para a corrente de carga, também é importante, na medida em que um SSR que tenha um Tiristor de C.A. (TRIAC) no circuito de saída tenderá comutar, espontaneamente, para o estado de desligado, caso a corrente pela carga tenda a vir para um valor abaixo deste mínimo, devido à

André Luis Lenz 6

características inerente a esse tipo tiristor. Os valores típicos são:

• entre 125 e 250 mA para os modelos de SSR com saída em C.A. mais simples e de custo mais baixo;

• cerca de 40 mA para os modelos de SSR com saída em C.A. mais sofisticados e de maior custo.

Já, para os SSRs que operam em sua saída uma carga em C.C., este parâmetro possui um valor bem menor, abaixo de 20mA.

Alguns fabricantes declaram este parâmetro sob a denominação Corrente de Carga Mínima (Minimum Load Current).

• Corrente de Surto Máxima (Max. Surge Current): É o valor da corrente de pico máxima que a saída do SSR permite que circule pela carga, por um curto intervalo de tempo definido (normalmente equivalente ao valor do período da C.A. da rede que é de 16,6 ms). Repare que este valor poderá ser bastante superior ao valor máximo da faixa de corrente de carga para operação normal, de modo que ele refere-se, então, a condições especiais, que causadas pelo efeito da comutação instantânea de cargas ativas ou reativas, como, por exemplo, a que ocorre com a comutação do SSR ao estado de ligado, com uma carga capacitiva conetado a sua saida, que provoca um surto momentâneo de valores elevados de corrente. Se o valor da corrente de surto superar o valor máximo pode ocorrer a fusão do material semicondutor do tiristor de saída, danificando-o permanentemente.

• Tensão Máxima de Pico Reversa (Reverse Peak Voltage Max. ou ainda, Transient Overvoltage): Quando o SSR é comutado para o estado desligado e ele tem conectado a sua saída uma carga indutiva, ocorre um transitórios de tensão reversa, que será bloqueado pelo tiristor de saída do SSR. O valor do surto de tensão reversa provocado por tal tipo de comutação não deve superar o valor deste parâmetro, sob pena de ocorrer a ruptura interna da junção do tiristor de saída do SSR.

Alguns outros parâmetros comuns, relativos aos SSRs que devem serer considerados em detalhamentos de projetos são:

• Queda de Tensão Máxima na Saída em Estado de Ligado p/ Plena Carga (Max. On-State Voltage Drop @ Rated Current): A saída do SSR não é uma chave perfeita (curto circuito) mas sim, uma chave baseada em semicondutor (Tiristor ou Transistor) de modo que uma pequena queda de tensão permanece entre os terminais de saída quando o SSR esta comutado para o estado ligado e com uma carga e fonte de alimentação (C.A. ou C.C.) conectados a sua saída. Para os SSR de saída tiristorizada esta queda de tensão é da ordem de 1,6V, para praticamento toda a gama de modelos de SSR, seja de menor ou de maior potência. Já para os SSR com transistor MOSFET na saída esse valor pode variar de 2,0V a 5,5V, de acordo com a potência do SSR.

• Tempo Máximo de Ligamento (Max. Turn-On Time): Retardo de tempo que existe entre a aplicação da tensão de comando à entrada e a respectiva resposta com a efetiva liberação de circulação de corrente na carga; Todavia, lembre-se, no entanto que, na comutação de cargas indutivas ao estado de ligado, o efeito da indutância causará um atraso na elevação da corrente circulante que poderá superar, em muito, ao valor desse parâmetro. O valor deste parâmetro costuma ser de 100µs (para saídas

André Luis Lenz 7

Tiristorizadas) e de 1ms (para saídas transistorizadas a MOSFET).

Deve-se considerar, também, que alguns modelos de SSR possuem a característica de “Chaveamento na Passagem por Zero (Zero Crossing Switching), ou seja, eles tem a habilidade de detectar a “passagem por zero volts” da forma de onda da C.A. usada para alimentar a carga e só permitir a sua comutação ao ligamento (e também ao desligamento), neste exato instante. Deste modo um tempo de retardo extra , que pode variar de zero até ½.T (com T=16,6 ms p/ f= 60Hz) é agregado.

• Tempo Máximo de Desligamento (Max. Turn-Off Time): Retardo de tempo que existe entre a aplicação da tensão de comando à entrada e a respectiva resposta com a efetiva liberação de circulação de corrente na carga; Aqui, também, fatores como os da comutação de carga indutiva e de “Chaveamento na Passagem por Zero, devem ser considerados.

• Corrente Máxima de Fuga em Estado de Desligado p/ Plena Tensão (Max. Off-State Leakage Current @ Rated Voltage): No estado de desligado, a saída do SSR não se comporta como uma chave perfeita (circuito aberto), mas, sim, permite a circulação de uma pequena corrente, que quase sempre pode ser desprezível. Os valores típicos são da ordem de 1 a 10mA para SSRs de saída tiristorizada e de 0,1 a 0,5 mA para SSRs de saída transistorizada.

Existem, ainda, outros parâmetros não descritos aqui, que podem ser necessários considerar em detalhamentos de projetos, mas estes não são tão comuns e costumam estar associados a um determinado modelo especifico de SSR.

4. Relés modulares de interface:

Relés modulares de interface são modernos relés de comandos elétricos, equipados com circuito de sinalização e proteção, que ocupam muito pouco espaço e que permitem a extração rápida do relé através de presilha plástica, que servem também para a retenção do relé. Eles caracterizam-se, também, pela montagem em trilhos DIN de 35 mm (EN 60715).

Existem modelos de relés modulares de interface com elementos construtivos baseados tanto na tecnologia de relés eletromecânicos, bem como na de relés de estado sólido (SSR).

O circuito de sinalização e proteção, bem como os terminais de acesso para montagem do comando, são encapsulados em um corpo denominado “base” enquanto que, os elementos ativos, ou seja, a bobina e a chave (no caso dos eletromecânicos) ou o LED emissor e o Transistor (ou Tiristor), no caso dos SSRs, são encapsulados em um corpo a parte, que é denominado de “relé”, propriamente dito. O sistema de encaixe entre os dois corpos é o que permitem a extração rápida do relé da base. A base, normalmente, é compatível tanto com a versão eletromecânica, quanto com a versão SSR de relé.

André Luis Lenz 8

Como são relés destinados às funções de comando, eles caracterizam-se por apresentar capacidade de corrente máxima de saída relativamente baixa, se comparados os modelos que apresentamos anteriormente, que são empregados na parte de potência dos comandos eletroeletrônicos. Encontramos modelos com corrente de saída de até, no máximo, 8A para eletromecânicos e 3A para os SSRs.

Da mesma forma como os SSRs de potência, os modelos de relés modulares de interface do tipo SSR existentes podem acionar cargas tanto cargas em C.A. (quando possuem saída a tiristor), quanto acionar cargas em C.C. (quando possuem saída a transistor).

Os relés modulares de interface do tipo SSR cuja saída operam C.C., a tensão carga nominal é, tipicamente, de 240VRMS, enquanto que, aqueles que operam em C.A., as opções para a tensão de carga nominal são 24VCC ou, menos usualmente, 48VCC.

Outras características são:

• Saída NA - módulo de interface com relé de estado sólido, 6.2 mm de largura;• Interface ideal para sistemas eletrônicos e para PLC (Controlador Lógico Programável);• Entradas nas versões C.C., C.A. ou C.A./C.C.;• Equipado com circuito de sinalização e proteção;• Silencioso, alta velocidade de chaveamento e longa vida elétrica;• Extração rápida do relé usando clipe de retenção plástico;• Determinadas combinações compatíveis de relés/bases;• Montagem em trilho 35 mm (EN 60715);• Fixação ao trilho por parafuso e por mola;• Circuito de supressão corrente residual no circuito de entrada (em alguns modelos).

André Luis Lenz 9

5. Exemplos de SSRs de Potência Comerciais (Datasheet):

Nota: SSRs de potência com corrente máxima inferior a 10A são pouco comuns e costumam não ser muito interessantes na relação custo benefício.Já, entre os SSRs de 25A e os de 10A, costuma haver uma boa diferença, de cerca de US$10.

André Luis Lenz 10

6. Considerações finais e agradecimentos:

Esta dissertação faz parte de uma série "Eletroeletrônica Industrial em Controle de Automáticos", cuja lista de temas é:

1- Relés de Estado Solido (SSR - Solid State Relays);

2-Acionamento de Aquecimento para Termofusão de Polímeros;

3- Acionamento Sincronizado de Máquinas (Coleiro + Esteira);

4- Polímeros Adesivos Termofundíveis (Hot Melt);

5- Controle de Temperatura de Aquecimento em Multizonas;

6- Comutação Rápida de Eletroválvulas em Aplicadores Hotmelt.

Portanto, o assunto aqui abordado (Relés de Estado Solido (SSR - Solid State Relays)) prosseguirá, complementado, nas dissertação consequentes.

Agradecimentos especiais à empresa Priscell Ind. Com. Ltda., que me contratou como projetista e supervisor de montagens eletroeletrônicas, por um certo período nos anos de 2010/2011, me propiciando, assim, o aprimoramento do conhecimento técnico e tecnológico, essencial, que tornou esta dissertação possível.

6. Referências Bibliográficas:

André Luis Lenz 11