Os relés têm sua história intimamente ligada à história do magnetismo e eletromagnetismo. Assim, devemos voltar ao tempo dos gregos antigos que observaram que determinados minérios tinham a estranha propriedade de atrair metais. A magnetita, um óxido de ferro, que era um destes minérios, recebeu este nome justamente por ter sido descoberta na Magnésia, região ao norte da Grécia.
Os gregos não sabiam explicar a natureza do fenômeno que fazia com que o minério atraísse metal, no entanto os objetos feitos com este material passaram a ser conhecidos como imãs naturais. Também foi observado que certos objetos de metal que entrassem em contato com os imãs também adquiriam a propriedade de atrair objetos de metal, ou seja, se magnetizavam.
Coube aos chineses então encontrar a utilidade mais importante para o magnetismo, ao descobrirem que um objeto que fosse magnetizado e apoiado em um suporte de modo a se mover livremente, se orientava de tal maneira a apontar para o norte. Estava descoberta a bússola. Na figura, uma antiquíssima bússola em forma de colher magnetizada que, ao ser apoiada na base, se equilibrava perfeitamente e apontava para o norte.
A China foi o primeiro país a utilizar a polaridade magnética
A China é um dos antigos países civilizados do mundo, a sua seda, a porcelana, a Grande Muralha e o Palácio Imperial são muito conhecidos mundialmente. Mas das suas ricas heranças culturais e históricas, as mais famosas e influentes para o progresso do mundo humano, destacam-se as quatro grandes invenções antigas, ou seja, o papel, a tipografia, a pólvora e a bússola.
A China foi o primeiro país a utilizar a polaridade magnética na criação de um instrumento que podia mostrar o norte-sul. A primeira bússola chinesa apareceu no período dos Reinos Combatentes, chamando-se então "Sinan".
Era um instrumento feito de um magnetize natural, polido em forma de colher. Colocava-se esta "colher" magnética no centro de um prato muito plano e fazia-se girar o cabo da "colher", quando esta se imobilizava, o cabo indicava o sul.
Até ao século XI, a China já inventara diversos métodos de magnetização artificial, dos quais se destacava o de friccionar uma agulha de aço com um magnete natural e pendurar depois esta agulha magnetizada para que mostrasse o eixo da direção o norte-sul.
Trata-se da forma inicial da bússola. Posteriormente, esta agulha foi acompanhada de um prato gravado com vinte e quatro orientações e dividido em quarenta e oito partes. Assim a bússola obteve maior valor na navegação e noutros campos de atividade.
Os registos históricos demonstram que a China já utilizava amplamente a bússola na navegação marítima durante a dinastia Song (960-1227) e que foram os árabes que a levaram para a Europa, onde se iniciou a sua utilização na navegação marítima nos fins do século XII.
Mas foi somente em 1780 que Luigi Galvani (1737-1798), estudando o que se denominava na época de ”eletricidade animal”, descobriu a excitação dos nervos de rãs dissecadas quando encostava nelas pinças de metal.
Naquela época, os estudiosos separavam a eletricidade estática da corrente elétrica, denominada galvanismo. Coube a Alessandro Volta (1745-1827), pesquisador italiano, inventar a primeira pilha em 1800. Outros pesquisadores como Johann Wilhelm Ritter (1776-1810) em 1802 , Jean André de Luc (1727- 1817) em 1809 e Giuseppe Zamboni (1776–1846) também em 1809, aperfeiçoaram a pilha de Volta.
Com a pilha, criando correntes que podiam circular através de certos materiais, ficou bem estabelecido o conceito de corrente elétrica.
No entanto, não se percebia na época nenhuma ligação entre o magnetismo, a eletricidade estática e a eletricidade que podia dar origem às correntes elétricas. Eram coisas diferentes para aqueles estudiosos.
Até que Hans Christian Oersted (1777-1851), em 1820, em uma experiência acidental que demonstrava a circulação da corrente por um fio aos seus alunos, observou que sempre que se fechava o circuito, a agulha de uma bússola que estava nas proximidades se movia.
Colocando a bússola perto do condutor, ele pôde perceber que ela se posicionava perpendicularmente a ele, indicando que a corrente criava um campo magnético.
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| Hans Christian Oersted |
Depois da descoberta de Oersted, outros pesquisadores conseguiram novos feitos baseados no fato de que as correntes elétricas podiam criar campos magnéticos. Assim, o alemão Johann C. Schweigger (1779–1857), em 1828, inventou o galvanômetro de bobina móvel.
A indução magnética foi descoberta por Michael Faraday (1791-1867) em 29 de agosto de 1831, abrindo caminho para a invenção do transformador, que ocorreu no mesmo ano. Foi o mesmo Faraday que passou a usar a palavra ”transformer” (transformador) para designar sua invenção, dois anos depois.
Uma curiosidade mostra como era difícil para os inventores chegarem às descobertas na época. Hoje podemos ir a qualquer loja de componentes para encontrarmos núcleos de ferro, ferrite, fios esmaltados de qualquer espessura e assim por diante.
Na época de Faraday, ele derretia o cobre para fazer os fios e os encapava com seda, para conseguir os fios isolados que utilizou para enrolar seu primeiro transformador.
A auto-indução já tinha sido descoberta por J. Henry em 1830, mas ele demorou para publicar sua descoberta, o que só ocorreu em 1832. Chegamos finalmente ao relé. Foi em 1837 que William Fothergill Cooke (1802 -1879), Charles Wheatstone (1802 -1875) e Edward Davy (1806-1885 ) entraram em cena com o novo componente.
A primeira patente de um relé foi obtida por Davy em 1838, recebendo o número British Patent 7719. Nesta patente, ele descrevia sua invenção da seguinte maneira:
“Eu reivindico o modo de se fazer sinais telegráficos ou comunicações entre um lugar distante para outro pelo emprego de relés ou circuitos metálicos através da operação por correntes elétricas” (tradução da própria patente).
Em 1837 (patente britânica 7390), Cookes e Wheatstone descreviam um relé eletromagnético que permitia que um alarme distante fosse controlado pela tensão de uma bateria.
Quase ao mesmo tempo, em 1837, também surgia o primeiro motor elétrico inventado por Thomas Davenport (1802 -1851). Outros dispositivos baseados em eletromagnetismo foram criados naquele tempo.
Mas foi o trabalho de James Clerk Maxwell (1831-1879), que unificava o campo elétrico e o magnético, explicando assim a natureza das ondas eletromagnéticas, que reforçou o conhecimento da eletricidade, possibilitando avanços muito mais rápidos.
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| Maxwell |
Os relés passaram então a fazer parte de novas invenções, com destaque para o telefone de Alexander Graham Bell (1847-1922), em 1876. Os relés estiveram presentes nos sistemas telefônicos durante muitos anos, sendo apenas recentemente substituídos pelos sistemas totalmente eletrônicos, primeiro analógicos e depois digitais.
O primeiro substituto do relé nos sistemas de comutação foi proposto por Irving Langmuir (1881-1957), em1914. Tratava-se da válvula Thyratron, o equivalente ao gás dos SCRs, que podem ser considerados percussores dos relés de estado sólido.
E, o que muitos não sabem, é que a idéia do MOSFET é anterior à invenção do transistor bipolar comum. Ele foi proposto por Julius Edgar Lilienfeld (1882 -1963), em 1930. No entanto, da maneira como proposto, dadas as dificuldades técnicas da época, o dispositivo nunca chegou a ser construído. Atualmente, ele é a base dos relés de estado sólido.
Foi em 1937 que George Stibitz (1904 -1995) percebeu que os relés eletromecânicos, que eram os componentes básicos de todos os sistemas de comutação telefônica da época, também poderiam ser utilizados com outras finalidades.
Stibitz notou que eles podiam realizar operações em sequência e, assim, realizar cálculos matemáticos. Desta forma, usando relés, lâmpadas de lanterna e uma chave feita com uma caixa de metal de charutos, ele montou o primeiro computador com relés: um somador binário.
Em 1939, com ajuda de S. B. Williams, construiu o Complex Number Calculator, o primeiro computador digital elétrico do mundo. Esta máquina tinha uma “CPU” formada por 450 relés telefônicos e 10 relés chamados crossbar, que eram relés multi-pólos x multi-posições.
Ele podia encontrar o quociente de dois números de 10 dígitos em “apenas” 0 segundos. A entrada do computador era feita por três tele-máquinas de escrever. O que Stibitz não sabia era que, ao mesmo tempo em que ele trabalhava neste computador, em Berlin, Konrad Zuse (1910-1995 ) construía uma máquina semelhante e que pesquisadores japoneses também já tinham feito o seu computador com relés no mesmo período.
As idéias de Claude Elwood Shannon (1916- 2001) sobre matemática binária ainda não estavam propagadas o suficiente para serem usadas na prática.
Mas, o maior feito deste inventor foi levar uma das máquinas que utilizava para entrar com os dados no computador a um encontro da American Mathematical Association, em Dartmouth, New Hampshire, e usá-la para se comunicar através de linhas telefônicas com o Complex Number Calculator, em Nova York.
Foi a primeira demonstração do mundo do que se denomina hoje Computação Remota.
O computador de Stibitz passou a ser chamado de Model 1 Relay Computer, permanecendo em operação até 1949.
Um fato interessante é que o Complex Number Computer não era programável. Uma combinação de relés controlava de modo contínuo a sequência de operações. O conceito de programação apareceu somente depois, nos computadores da Bell.
O sucesso do Complex Number Computer encorajou Stibitz a construir máquinas mais ambiciosas, incluindo o conceito de fita perfurada. Assim, com a entrada dos Estados Unidos na Segunda Grande Guerra, em 1941, a Bell passou a ter suas atividades concentradas em projetos militares.
O primeiro computador usando relés para uso militar foi o Relay Interpolator, instalado em Washington e que continha 44 0 relés e uma capacidade de memória para sete números.
Este computador fazia uma multiplicação em apenas quatro segundos. Sua principal utilidade era computar tabelas de direcionamento para fogo antiaéreo.
Dois outros computadores foram projetados depois: o Ballistic Computer e o Error Detector Mark . O primeiro em 1944 e o segundo um ano depois.
Eles continham 100 relés e uma capacidade de memória para 10 números. Sua finalidade era ainda realizar cálculos de direcionamento de fogo antiaéreo.
Os maiores computadores da série, entretanto, foram construídos em 1946 e 1947, pesando cada um 10 toneladas e contendo perto de nove mil relés. Estas máquinas já podiam ser consideradas verdadeiros computadores, pois possuíam duas unidades aritméticas separadas, cada qual capaz de funcionar como um computador separado com seus registros de memória e dispositivos de entrada e saída.
Já estava presente ali o conceito de “processamento paralelo”, pois cada uma resolvia parte do problema para depois os resultados serem processados.
A partir destas máquinas também surgia um conceito de “sistema operacional”, pois havia uma unidade que controlava as unidades aritméticas, memória e operações de entrada e saída, tudo isto feito com relés!
Devido ao fato dos relés estarem sujeitos a falhas, os engenheiros da Bell desenvolveram circuitos que se auto-verificavam a cada passo da computação e se alguma coisa desse errado eles paralisavam a computação.
A Bell, na época, desenvolveu a notação bi-quinária, conforme a tabela mostrada abaixo.
Dígito Decimal Relés
0 01 00001
1 01 00010
2 01 00100
3 01 01000
4 01 10000
5 10 00001
6 10 00010
7 10 00100
8 10 01000
9 10 10000
Foi então que sugiram os computadores eletrônicos, em que inicialmente as válvulas substituíram os relés, depois os transistores substituíram as válvulas e, posteriormente, os circuitos integrados substituíram os transistores.
Os relés eletromecânicos ainda continuaram sendo usados em muitas outras aplicações, incluindo-se neste caso os automóveis, eletrodomésticos e controle industrial.
Com a criação do circuito impresso em 1943 , os relés se adaptaram à nova tecnologia de montagem com invólucros apropriados.
O aparecimento do primeiro relé reed é de 1960. Na verdade, o componente apareceu com o nome de ferreed switch, tendo sido inventado nos laboratórios nda Bell. Ele era formado por dois contatos em um invólucro hermético de vidro, sendo controlado pelo campo magnético de bobinas.
A vantagem do tamanho, velocidade de resposta e sensibilidade logo tornou este componente importante em telefonia.
O LED apareceu em 1960, abrindo então as portas para uma nova família de relés, os relés de estado sólido.
Um relé de estado sólido ou Solid State Relay (SSR) nada mais é do que um acoplador óptico que tem um LED emissor e um receptor. O receptor pode ser um foto-diodo, foto-transistor, foto-triac ou outro dispositivo sensível à luz.
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