Saiba como otimizar seu projeto utilizando corretamente esses componentes
É fato que há inúmeras variáveis a serem consideradas quando um sistema ou equipamento automatizado não funciona de acordo com o esperado.
Desde um parâmetro inadequado de um PLC até um parafuso danificado, podem ser causas de problemas aparentemente iguais.
"Como diferenciá-Ios?".
Bem, isso é o "estado da arte" (para não dizer patrimônio intelectual) do engenheiro ou técnico de aplicação, ou desenvolvimento.
Uma das fontes mais comuns de problemas, entretanto, é a interface entre controle e potência. A intenção deste artigo é abordar alguns conceitos importantes sobre aplicação e proteção desses dispositivos.
Nosso principal foco são as "interfaces" estáticas, de qualquer modo faremos um comparativo técnico entre ambas as tecnologias.
SSR E RELÉS
Podemos dizer que, de um modo geral, o SSR (Solid State Relay), também conhecido como "relé de estado sólido" ou "chave estática", e o relé eletrodinâmico têm a mesma função. Ambos são destinados a acionar cargas através de um comando servindo, portanto, como interface entre estas etapas.
Conforme veremos a seguir, a principal diferença entre os dois é a filosofia de funcionamento, o que torna cada um mais indicado para cada situação em particular.
Relé de estado sólido (SSR):
A figura 1 mostra a estrutura básica de um relé de estado sólido. Notem que há dois circuitos isolados optlcarnente.
No exemplo em questão, a saída é do tipo TRIAC, ou seja, pode acionar cargas AC; porém, é comum encontrarmos no mercado chaves estáticas com saída em IGBT ou MOSFET, neste caso a carga acionada pode ser apenas DC.
A figura 2 exibe a aparência de um SSR monofásico. O LED é um bom recurso, pois indica se o comando está ou não presente na chave. Esta técnica é uma "mão na roda" para diagnose de falhas.
Os SSRs podem ser encontrados também na versão trifásica.
A figura 3 ilustra a estrutura básica de uma chave estática trifásica. Através de um mesmo comando, três "contatos" se fecham. Claro que, quando nos referimos a contatos, estamos dizendo contatos estáticos semicondutores.
Independentemente se a chave estática é mono ou trifásica, há dois modos de controle disponíveis no mercado: por tensão DC, e por tensão AC. Na figura 4 podemos observar a etapa retificadora que equipa as chaves estáticas controladas por tensão AC.
- Isolação óptica:
A isolação óptica pode ser fundamental para a eliminação de ruídos elétricos e para permitir a utilização do SSR diretamente pelo microprocessador, visto que a maioria dos relés de estado sólido tem um grande "range" quanto à tensão de comando. É comum encontrarmos no mercado, por exemplo, SSRs que aceitam controles que podem variar de 4 Vcc a 32 Vcc.
- Detector de zero:
O circuito detector de zero é um item fundamental nesse dispositivo. Sua função é atrasar o acionamento da carga, uma vez presente o comando de "liga", até que o valor da senóide esteja bem próximo a zero. Através deste processo, reduzimos a EMI, evitamos "spikes" na rede elétrica, e aumentamos a vida útil (tanto do próprio componente, como da carga).
- Presença do circuito snubber já integrado:
Claro que acionar uma carga exatamente no instante da tensão zero é impossível, uma vez que não há corrente de manutenção para tal. Caso a carga acionada tenha uma grande parcela indutiva, mesmo esta pequena tensão "residual" já seria suficiente para gerar "spikes". Por esta razão, um circuito snubber (eliminador deste tipo de interferência) já vem integrado ao componente.
CUIDADOS NA APLICAÇÃO DO SSR
Como todo bom componente eletrônico, o SSR também exiqe alguns cuidados na sua aplicação, além de respeitar os valores limítrofes de tensão, corrente e temperatura de aplicação determinados no datasheet do fabricante.
Os dois problemas mais comuns em campo são: acionamento de cargas indutivas e proteção contra curto-circuito na carga.
a) Acionamento de cargas indutivas:
Embora, como já foi comentado, os fabricantes contemplem algumas proteções internas ao SSR, nem sempre elas são suficientes. É o caso da f.c.e.m. (força contra-eletromotriz) gerada por cargas altamente indutivas (grandes solenóides, motores, etc.) que, uma vez interrompida a corrente de trabalho, gera uma alta tensão de polaridade invertida à carga, e que pode danificar tanto o componente (SSR) quanto a própria carga (ou pior: ambos).
O circuito da figura 5 revela uma técnica muito eficiente no combate a este fenômeno.
Notem que, em operação normal, o diodo retificador funciona como uma válvula de bloqueio, fazendo com que o circuito de proteção não afete o funcionamento normal do sistema. Uma vez que a corrente é interrompida, entretanto, e a f.c.e.m. é gerada, essa tem sua magnitude limitada à tensão do zener que, agora, está polarizado no sentido reverso e funciona como um "regulador de tensão". O diodo retificador, nesta situação, está polarizado diretamente, permitindo que a corrente de zener flua com facilidade.
O pico de tensão fica, então, limitado ao valor da tensão do diodo zener somado a 0,6 Vcc do diodo retificador. O restante da tensão é dissipada na forma de energia calorífica.
b) Proteção contra curto-circuito:
Muitas vezes, o SSR controla cargas sujeitas a entrarem em curto-circuito ou terem seus terminais "curto-circuitados" por acidente. O critério na escolha correta do fusível é fundamental nesta hora, pois, caso contrário, o dispositivo pode queimar de imediato ou (no mínimo) degradar-se, o que diminui sua vida útil e altera suas características originais.
Como estamos tratando de SSRs, então devemos dimensionar seu fusível considerando o regime de funcionamento típico de um semicondutor. Isso significa que apenas o emprego de um fusível tipo rápido (ou até ultra-rápido), próprio para proteção de semicondutores, poderá não atuar bem em uma situação de curto-circuito na carga. Dois pontos são cruciais no dimensionamento da proteção da chave estática:
1ª Regra prática:
O fusível deve ser dimensionado segundo três parâmetros que seguem na ordem de importância: curva I^2 t da chave estática, corrente nominal e tensão de trabalho.
A curva I^2 t do fusível deve estar sempre abaixo em, pelo menos, 20% do valor I^2 t do SSR.
O valor do fusível (corrente nominal) não deve ultrapassar 1,3 vezes o valor nominal da corrente da chave.
A tensão nominal da chave estática deve ser, no mínimo, 50% maior que a tensão de trabalho.
2ª Regra prática:
Não devemos superdimensionar a bitola dos cabos que ligam o SSR à carga. Se um cabo de 4 mm" já é suficiente para prover um bom acionamento (sem aquecimento, e queda de tensão significativa), não devemos utilizar um de 6 mm^2, ou mais (8 mm^2, 10 mm^2, etc.) para isto.
Neste caso, a regra "quanto maior a bitola, melhor", não funciona, pois a maioria dos SSRs, na condição de curto-circuito, queima no instante do pico da corrente, que pode atingir vários kA, porém, em tempos de ms.
Um dos fatores que contribui para limitar a amplitude deste pico é justamente a bitola do cabo que liga a carga ao SSR. Quanto menor esta for, mais chances há do fusível rápido agir antes da queima do SSR.
Portanto, utilizar a bitola mínima necessária ao bom funcionamento (sem "superdimensionamento") também é uma boa técnica de proteção.
INTERFACES COM RELÉS E SSRs
Até o momento exploramos o SSR de potência, mais conhecido como chave estática, porém, a mesma filosofia pode ser aplicada em baixas potências. Neste caso, a corrente raramente ultrapassa 2 A , bem como as tensões são próximas a 24 Vcc.
Trata-se de dispositivos utilizados como interface entre o controle (CNC, PLC, etc.) e os componentes periféricos da máquina ou sistema (eletroválvulas, pequenos motores, etc.).
A figura 6 mostra um exemplo típico de uma régua contendo vários componentes (relés e pequenos SSRs) da MUR. Em uma mesma régua podemos ter ambos os tipos, ou seja, relés eletrodinâmicos e SSRs.
No que se refere a SSR, neste caso, sua arquitetura é um pouco diferente da chave estática de potência. Conforme podemos observar na figura 7, por trabalharem com DC, seu estágio de potência é feito com MOSFET ou IGBT.
Também não há necessidade de um circuito detector de zero, visto que a corrente circulante é pequena e, é claro, não há instante zero em DC, salvo no intervalo em que a carga deva estar desligada. A mesma régua pode ter relés e SSRs, e, graças às novas tecnologias de soquetes, há compatibilidade de pinos entre ambos os dispositivos.
Isto significa que é possível trocar um relé eletrodinâmico por um de estado sólido sem alterações na fiação ou layout mecânico.
SSR X RELÉ
"Mas, se posso utilizar tanto um quanto outro, qual é o melhor?".
Como sempre, a resposta dependerá da aplicação. Adiante, temos um breve resumo das vantagens e desvantagens de cada tecnologia.
Com os cuidados acima, o desenvolvedor poderá optar por uma ou outra tecnologia. Este, aliás, é o motivo pelo qual encontramos (como na figura 6), uma mesma régua contendo tanto relés eletrodinâmicos como estáticos.
PARÂMETROS DO SSR
A seguir, apresentamos um resumo dos principais parâmetros a serem considerados na escolha de um SSR.
É muito importante observarmos este parâmetro. Picos de corrente (e tensão) ocorrem com muita freqüência, e a capacidade de resistir a eles é fundamental para manter uma boa performance do sistema, principalmente quanto à redução do tempo de máquina parada em sistemas de grande produtividade.
A figura 8 ilustra um esquema real montado pela empresa Finder, onde, através de um resistor "shunt" mediu-se o pico de corrente no instante da energização de uma lâmpada, estando ela com seu filamento frio (baixa resistência). Notem pela figura 9 que a tela do oscíloscópio registra, no momento do pico, uma corrente 12,5 vezes maior que a nominal.
CONCLUSÃO
Ainda não há uma normalização muito clara quanto à utilização de relés de estado sólido, mesmo para equipamentos com a "marca" CE, e, sobretudo para os relés DC de baixa tensão e corrente de comutação.
Entretanto, uma boa referência é a norma VDE 0805 - EM 60950:2000.
CUIDADOS NA APLICAÇÃO DO SSR
Como todo bom componente eletrônico, o SSR também exiqe alguns cuidados na sua aplicação, além de respeitar os valores limítrofes de tensão, corrente e temperatura de aplicação determinados no datasheet do fabricante.
Os dois problemas mais comuns em campo são: acionamento de cargas indutivas e proteção contra curto-circuito na carga.
a) Acionamento de cargas indutivas:
Embora, como já foi comentado, os fabricantes contemplem algumas proteções internas ao SSR, nem sempre elas são suficientes. É o caso da f.c.e.m. (força contra-eletromotriz) gerada por cargas altamente indutivas (grandes solenóides, motores, etc.) que, uma vez interrompida a corrente de trabalho, gera uma alta tensão de polaridade invertida à carga, e que pode danificar tanto o componente (SSR) quanto a própria carga (ou pior: ambos).
O circuito da figura 5 revela uma técnica muito eficiente no combate a este fenômeno.
O pico de tensão fica, então, limitado ao valor da tensão do diodo zener somado a 0,6 Vcc do diodo retificador. O restante da tensão é dissipada na forma de energia calorífica.
b) Proteção contra curto-circuito:
Muitas vezes, o SSR controla cargas sujeitas a entrarem em curto-circuito ou terem seus terminais "curto-circuitados" por acidente. O critério na escolha correta do fusível é fundamental nesta hora, pois, caso contrário, o dispositivo pode queimar de imediato ou (no mínimo) degradar-se, o que diminui sua vida útil e altera suas características originais.
Como estamos tratando de SSRs, então devemos dimensionar seu fusível considerando o regime de funcionamento típico de um semicondutor. Isso significa que apenas o emprego de um fusível tipo rápido (ou até ultra-rápido), próprio para proteção de semicondutores, poderá não atuar bem em uma situação de curto-circuito na carga. Dois pontos são cruciais no dimensionamento da proteção da chave estática:
1ª Regra prática:
O fusível deve ser dimensionado segundo três parâmetros que seguem na ordem de importância: curva I^2 t da chave estática, corrente nominal e tensão de trabalho.
A curva I^2 t do fusível deve estar sempre abaixo em, pelo menos, 20% do valor I^2 t do SSR.
O valor do fusível (corrente nominal) não deve ultrapassar 1,3 vezes o valor nominal da corrente da chave.
A tensão nominal da chave estática deve ser, no mínimo, 50% maior que a tensão de trabalho.
2ª Regra prática:
Não devemos superdimensionar a bitola dos cabos que ligam o SSR à carga. Se um cabo de 4 mm" já é suficiente para prover um bom acionamento (sem aquecimento, e queda de tensão significativa), não devemos utilizar um de 6 mm^2, ou mais (8 mm^2, 10 mm^2, etc.) para isto.
Neste caso, a regra "quanto maior a bitola, melhor", não funciona, pois a maioria dos SSRs, na condição de curto-circuito, queima no instante do pico da corrente, que pode atingir vários kA, porém, em tempos de ms.
Um dos fatores que contribui para limitar a amplitude deste pico é justamente a bitola do cabo que liga a carga ao SSR. Quanto menor esta for, mais chances há do fusível rápido agir antes da queima do SSR.
Portanto, utilizar a bitola mínima necessária ao bom funcionamento (sem "superdimensionamento") também é uma boa técnica de proteção.
INTERFACES COM RELÉS E SSRs
Até o momento exploramos o SSR de potência, mais conhecido como chave estática, porém, a mesma filosofia pode ser aplicada em baixas potências. Neste caso, a corrente raramente ultrapassa 2 A , bem como as tensões são próximas a 24 Vcc.
Trata-se de dispositivos utilizados como interface entre o controle (CNC, PLC, etc.) e os componentes periféricos da máquina ou sistema (eletroválvulas, pequenos motores, etc.).
A figura 6 mostra um exemplo típico de uma régua contendo vários componentes (relés e pequenos SSRs) da MUR. Em uma mesma régua podemos ter ambos os tipos, ou seja, relés eletrodinâmicos e SSRs.
Isto significa que é possível trocar um relé eletrodinâmico por um de estado sólido sem alterações na fiação ou layout mecânico.
SSR X RELÉ
"Mas, se posso utilizar tanto um quanto outro, qual é o melhor?".
Como sempre, a resposta dependerá da aplicação. Adiante, temos um breve resumo das vantagens e desvantagens de cada tecnologia.
Com os cuidados acima, o desenvolvedor poderá optar por uma ou outra tecnologia. Este, aliás, é o motivo pelo qual encontramos (como na figura 6), uma mesma régua contendo tanto relés eletrodinâmicos como estáticos.
A seguir, apresentamos um resumo dos principais parâmetros a serem considerados na escolha de um SSR.
É muito importante observarmos este parâmetro. Picos de corrente (e tensão) ocorrem com muita freqüência, e a capacidade de resistir a eles é fundamental para manter uma boa performance do sistema, principalmente quanto à redução do tempo de máquina parada em sistemas de grande produtividade.
A figura 8 ilustra um esquema real montado pela empresa Finder, onde, através de um resistor "shunt" mediu-se o pico de corrente no instante da energização de uma lâmpada, estando ela com seu filamento frio (baixa resistência). Notem pela figura 9 que a tela do oscíloscópio registra, no momento do pico, uma corrente 12,5 vezes maior que a nominal.
CONCLUSÃO
Ainda não há uma normalização muito clara quanto à utilização de relés de estado sólido, mesmo para equipamentos com a "marca" CE, e, sobretudo para os relés DC de baixa tensão e corrente de comutação.
Entretanto, uma boa referência é a norma VDE 0805 - EM 60950:2000.
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