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Introdução ao Relé



Introdução

Os relés são componentes muito usados no #MovimentoMaker, graças à sua versatilidade, pois permitem chavear cargas de corrente contínua e alternada. Eles têm um propósito de permitir ou impedir a passagem de corrente por meio de um contato mecânico, como um botão, ou eletronicamente, como um transistor.

Neste tutorial iremos aprender sobre o seu funcionamento, sua construção, seus diferentes modelos e suas principais aplicações.

Conceitos Básicos

Este componente consiste basicamente de uma chave de três contatos: um contato comum (C), um contato normalmente aberto (NA) e um contato normalmente fechado (NF). O contato NF é puxado por uma mola, para mantê-lo fechado em regime normal. Para abrir o contato NF e fechar o contato NA, é necessário alimentar corretamente uma bobina interna do componente, como na imagem a seguir.

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Construção Básica de um Relé
Fonte: PCB Heaven

Esta bobina opera como um eletroímã, criando um campo magnético ao ser alimentada pela tensão correta. Este campo magnético gera uma força de atração em uma armação, que é responsável por mover o contato, abrindo o NF e fechando o NA, como no GIF a seguir.

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Funcionamento Básico de um Relé
Fonte: PCB Heaven

Note, no exemplo acima, que o forno elétrico só é ligado quando a bobina do relé é alimentada pela fonte de 5 V do sistema.

Vantagens

A princípio, os relés possuem o mesmo propósito de um transistor, então por que usar um relé?

A resposta é simples, um relé é capaz de chavear cargas grandes, de alta potência, algo que um transistor não é capaz de fazer facilmente. Além disso, o relé é um componente versátil, capaz de chavear cargas de corrente alternada e de corrente direta (depende do modelo selecionado), e garante a isolação entre os circuitos que são chaveados e os que controlam o seu chaveamento. Outro ponto importante é que relés são capazes de operar tranquilamente em situações de alta temperatura.

De modo geral, os transistores são usados para chavear cargas pequenas em condições normais de operação e quando uma frequência de chaveamento muito grande é necessária.

Modelos

Embora o modelo mais comum e famoso de relé seja o eletromagnético, existem diversos modelos de relés, que possuem métodos de fechamento de contato distintos. Dentre eles estão o relé de estado sólido, o relé térmico e o "reed relay". Além disso, assim como as chaves mecânicas, todos os relés possuem diversas variações de contatos, podendo ser SPST, SPDT e DPDT, embora o mais popular seja o SPDT.

Relé Eletromagnético

Exemplo de Relé Eletromagnético

Este modelo de relé é o mais comum, mais famoso e mais usado de todos, e está presente tanto no módulo relé simples, quanto no módulo Relé Serial. Eles possuem o funcionamento básico, fechando seus contatos por meio do campo magnético gerado por um eletroímã interno do componente, como foi apresentado nos conceitos básicos.

Este modelo de relé é subdividido de acordo com a tensão de sua bobina, ou seja, existem relés de 5 V, 12 V, 24 V, e assim em diante. Entretanto, isso não define sua limitação de condução, já que um relé de 5 V, por exemplo, pode ser capaz de conduzir uma corrente de 7 A em uma tensão de 250 VAC. Portanto, assim como é feito em chaves e botões, é necessário levar em consideração a corrente máxima da carga que será controlada para escolher o modelo ideal para o seu projeto.

Reed Relay

O Reed Relay possui um funcionamento muito semelhante ao relé eletromagnético, já que este componente é composto basicamente de um reed switch envolvido por uma bobina, como na imagem abaixo.

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Construção do Reed Relay
Fonte: Electronics Notes

Deste modo, assim como os relés eletromagnéticos, ao alimentar a bobina corretamente, é gerado um campo magnético que fecha o contato interno do componente.

Relé Térmico

Os relés térmicos possuem um funcionamento levemente diferente dos relés eletromagnéticos, já que, ao invés de utilizarem o campo elétrico gerado por uma bobina, eles utilizam a temperatura gerada por um resistência e a característica térmica de uma chapa bimetálica para fechar o seu contato.

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Construção Básica de Relé Térmico
Editado de: Electrical Units

Note, na imagem acima, que o componente possui um braço de contato isolado, que é puxado em direção à sua carcaça por meio de uma mola. Esta mola pode ser ajustada por meio de um tensor externo, o que permite a calibração do relé, para que ele acione de acordo com a temperatura interna da resistência. A princípio a chapa bimetálica do componente está rígida e reta, porém ela começa a amolecer e se dobrar conforme a temperatura da bobina de aquecimento aumenta. Quando a resistência alcança uma determinada temperatura, a força de compressão da mola supera a resistência mecânica da chapa bimetálica, o que faz com que o braço de contato do componente se mova, fechando o contato de saída do componente. Após desligar a alimentação da resistência do componente, a chapa bimetálica é resfriada, voltando para sua forma original, graças ao seu efeito memória.

Embora este componente seja muito útil para diversas aplicações, não é recomendado utilizá-lo em aplicações que demandem grande frequência de acionamento, devido às suas limitações mecânicas. Isso se deve ao fato que múltiplos aquecimentos em alta frequência pode resultar na perda do efeito memória do material bimetálico.

Relé de Estado Sólido

O relé de estado sólido, ou SSR (sigla para "Solid-State Relay"), é o mais diferente de todos os outros modelos de relés, já que este é o único modelo que não possui contatos mecânicos. Isso se deve ao fato que ele é um componente puramente eletrônico, composto de um LED infravermelho com um optoacoplador. Este tipo de relé é subdivido em três categorias, onde cada uma utiliza um modelo de optoacoplador diferente, sendo eles o foto BJT, o foto MOSFET e o Fototriac.

SSR com Fototriac

O SSR com Fototriac é o modelo mais comum de relés de estado sólido e, como mencionado anteriormente, é composto de um LED infravermelho e um fototriac, como na imagem a seguir.

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Construção Básica de um SSR
Editado de: All About Circuits

Este modelo de SSR é utilizado somente para chavear cargas de corrente alternada, e isso se deve às características elétricas do TRIAC, pois ele só é capaz de interromper a passagem de corrente quando não há corrente passando pelo componente, ou seja, quando a onda do sinal de alimentação se encontra em zero, como na imagem a seguir. O gráfico da imagem abaixo se refere à tensão nos terminais do TRIAC, o que significa que observamos uma onda senoidal quando o componente está em corte.

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Curva Característica do Controle do SSR Zero-Cross
Fonte: Electronics Tutorials

Note na imagem acima que, embora o componente tenha sido comandado para permitir a corrente em um determinado momento, a corrente só foi efetivamente liberada alguns instantes após o comando. Isso ocorreu pelo fato que quando o comando foi enviado, a onda da alimentação não estava em zero. O mesmo vale para desligar a alimentação. Note na imagem acima que a alimentação continua a passar pelo componente ainda depois do comando ter sido enviado, e isso também se deve pelo fato da onda de alimentação não estar em zero no momento do comando.

Levando isso em conta, é fácil entender o motivo pelo qual não é possível chavear uma alimentação em corrente contínua, já que este tipo de alimentação fornece um sinal linear e constante, não sendo possível a interrupção por este componente.

Entretanto, existem alguns modelos de SSR com Fototriac que são capazes de liberar a passagem de corrente mesmo com o sinal de alimentação não estando em zero. Eles são chamados de "non zero-cross" (que não cruzam com o zero) e operam como na imagem a seguir.

curva-contreole-ssr-non-zero-cross
Curva Característica do Controle do SSR Non Zero-Cross
Fonte: Electronics Tutorials

Note na imagem acima que a alimentação da carga foi liberada no exato momento em que o sinal de controle foi acionado. Porém, observe que a alimentação só foi interrompida quando a onda de alimentação passou pelo zero, mesmo com o sinal de controle já desativado. A característica deste tipo de SSR é muito utilizada por "dimmers", pois permite controlar a quantidade de energia para a carga.

SSR com Foto BJT

Os SSRs com BJTs são basicamente optoacopladores compostos de um LED infravermelho e um fototransistor comum, como na imagem a seguir.

construcao-optoacoplador
Modelo Básico de Optoacoplador
Fonte: Nuts & Bolts Magazine

Este modelo de SSR, diferentemente do SSR baseado em Fototriac, só é capaz de chavear cargas de corrente direta.

SSR com Foto MOSFET

Os SSRs com MOSFETs polarizados pela luz são os únicos que possuem mais de um fototransistor por circuito. Eles são compostos de um LED infravermelho, para emitir os sinais, e dois foto MOSFETs, para permitir ou impedir a passagem de corrente elétrica. Eles podem ser configurados para trabalhar como relés comuns, ou seja, para chavear tanto cargas em corrente contínua quanto em corrente alternada, ou para trabalhar como optoacopladores, chaveando apenas corrente contínua, como na imagem a seguir.

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Configurações de um SSR com Foto MOSFET
Fonte: All About Circuits

Note que as Portas de ambos os componentes estão conectadas juntas, portanto os dois MOSFETs são polarizados ao mesmo tempo. Além disso, repare que, para a configuração de corrente contínua apenas, os terminais Dreno de ambos os componentes estão interligados, assim como os terminais Fonte, e os terminais de saída do conjunto estão localizados na união dos terminais dos componentes. Isso é diferente da configuração para os dois tipos de corrente, onde o fluxo de corrente passa diretamente entre os dois componentes e a conexão intermediária não é utilizada.

Circuito de Acionamento

Os microcontroladores, como as placas da plataforma Arduino, se aproveitam da ajuda de transistores para acionar indiretamente os relés, pois estes são cargas relativamente pesadas de serem mantidas. O circuito mais comum para este acionamento pode ser visto na imagem abaixo.

circuito-acionamento-indireto
Circuito Básico de Acionamento Indireto
Fonte: Electronics Stack Exchange

Note, no esquema elétrico acima, que em paralelo à bobina do relé há um diodo, que é chamado de diodo de "flyback" e é utilizado em circuitos de controle de cargas indutivas, como a bobina do relé, para evitar picos de tensão no circuito. Com este circuito, basta polarizar o transistor para que a bobina do relé seja alimentada, e para que o contato NA do componente seja consequentemente fechado.

O relé de estado sólido, por sua vez, não necessita de um circuito auxiliar para acionamento indireto, já que este componente é puramente eletrônico. Entretanto às vezes é necessário adicionar um resistor em série ao LED emissor do componente para que o seu fototransistor interno seja polarizado corretamente.

Aplicações

Por terem contatos mecânicos, os relés podem ser utilizados para realizar a maioria das funções exercidas por chaves e botões sem a necessidade de uma interação humana. Isso permite o controle remoto, ou autônomo, de cargas elétricas. Por conta dessas características, eles são muito usados para acionamentos de lâmpadas em projetos de automação residencial, como na imagem a seguir.

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Acionamento de Lâmpadas
Fonte: NCD

Outra aplicação popular dos relés é o acionamento de motores DC, podendo ser utilizados para criar uma ponte H para o controle do sentido de rotação do motor, como na imagem a seguir.

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Ponte-H de Relés
Fonte: Francesco Amirante

Nesta configuração é possível fazer o motor parar ao alimentar ambos os seus terminais com o mesmo pólo, seja ele positivo (5 V, como no exemplo) ou negativo (GND, como no exemplo). Entretanto, não é possível controlar sua velocidade de rotação com o modelo eletromecânico, pois ele só responde a sinais de controle de baixa frequência.

Conclusão

Neste tutorial demos um passo além em nossos estudos sobre contatos mecânicos, e aprendemos como todos os modelos mais populares de relés funcionam, juntamente com suas aplicações mais comuns e simples.

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