Relês de estado sólido

Os relés de estado sólido consistem na alternativa moderna ideal para uso em lugar dos antigos relés eletromecânicos com seus contatos ruidosos e seus problemas mecânicos. Na verdade, a tendência é uma substituição quase total dos relés antigos pelos de estado sólido, se bem que existam aplicações em que isso ainda não é possível. Neste artigo, levamos aos leitores uma pequena coleção de circuitos de relés de estado sólido que podem ser usados numa ampla gama de aplicações práticas.

A idéia básica de um relé é controlar um circuito de maior potência a partir de um sinal de menor potência, com total isolamento, conforme mostra a figura 1.



Nos relés eletromecânicos comuns, o sinal de baixa potência é aplicado a uma bobina que cria um campo magnético capaz de fechar os contatos eletromecânicos nos quais está ligado o circuito controlado.

Em um relé de estado sólido temos um dispositivo semicondutor que é excitado emitindo radiação infravermelha (por exemplo). Essa radiação atua sobre um sensor que então é usado para controlar um circuito externo através de um dispositivo de potência como, por exemplo, um transistor de potência, um SCR, um TRIAC, etc.

Os tipos de dispositivos excitador e excitado dependem da aplicação. Assim, nesta nossa coletânea de circuitos práticos, daremos diversos exemplos. Caberá ao leitor escolher o que melhor se presta à aplicação que ele tenha em mente.

Circuito com o MOC3020 (Cargas Resistivas)

Um dos dispositivos mais utilizado no controle óptico de TRIACs é o MOC3020 (220 V), que tem o MOC3010 como equivalente para 110 V. Esse dispositivo consta de um LED emissor e de um opto-diac, tendo o circuito básico exibido na figura 2.



O resistor R1 precisa ser escolhido de acordo com o sinal de excitação, devendo o LED ser percorrido por uma corrente da ordem de 8 a 10 mA para melhor resultado.

Esse circuito, mais simples, é indicado para cargas resistivas na rede de 220 V, com um TRIAC do tipo TIC226 ou equivalente.

Circuito com o MOC3020 (Cargas indutivas)

Para cargas indutivas é preciso acrescentar um snubber, o que é feito conforme observamos na figura 3. O resistor R1 deve ser calculado de acordo com o circuito anterior, e o TRIAC precisa ser do tipo sensível com uma corrente de disparo menor do que 50 mA.



O TRIAC deve ser dotado de um bom radiador de calor. O opto-isolador usado fornece um isolamento da ordem de 7 000 V, o que é mais do que suficiente para a maioria das aplicações que exigem esse tipo de componente.

Relé de Estado Sólido com Isolador Óptico comum

Na figura 4 temos um circuito em que um isolador óptico, que faz uso de um fototransistor comum como sensor é utilizado. Trata-se do conhecido 4N27, mas equivalentes podem ser experimentados.



Como a corrente que o foto-sensor fornece é pequena demais para disparar um TRIAC comum, uma etapa transistorizada com o BC547 é acrescentada.

A carga máxima controlada depende do TRIAC, porém está em torno de 400 W para a rede de 220 V com um TRIAC comum como o TIC226D. Para a rede de 110 V o TRIAC utilizado pode ser sufixo B.

Isolamento por Transformador

Uma forma simples de se isolar o sinal de disparo de baixa intensidade do sinal controlado de alta intensidade é com o uso de um transformador. Um sinal apropriado pode perfeitamente ser empregado para excitar um TRIAC, e com isso controlar uma carga externa, conforme indica a figura 5.




O transformador usado pode ter uma relação de espiras de 1:1 dependendo apenas da sensibilidade do TRIAC utilizado.

Carga Controlada por Transistor - 1

No circuito exibido na figura 6 usamos um acoplador óptico comum para controlar uma etapa amplificadora com transistores bipolares comuns.



Com isso, cargas com correntes até uns 500 mA para o BD135 e até 2 A com o TIP32 podem ser controladas diretamente. Essas cargas de corrente contínua funcionam com tensões até uns 24 V, dependendo do transistor.

Evidentemente, o transistor deve ser dotado de um radiador apropriado de calor e deve ser considerada a queda de tensão nesse componente.

Carga Controlada por Transistor - 2Uma outra possibilidade de acionamento de carga de corrente contínua diretamente usando transistores é a apresentada na figura 7.



Trata-se de um circuito complementar em relação ao anterior em que usamos o BD136 para correntes até 500 mA e o TIP31 para correntes até 2 A. O transistor de potência também deve ser montado em um bom radiador de calor.

Relé com Darlington
Na figura 8 mostramos como usar um transistor Darlington de potência num circuito de acionamento direto de uma carga de corrente contínua cuja corrente, nesse caso pode chegar a 1,5 A.



Correntes maiores podem ser obtidas com transistores de maior potência da mesma família. O transistor também deve ser dotado de um bom radiador de calor.

Veja que ainda podemos ter uma versão equivalente com transistor Darlington PNP com o acionamento inverso, ou seja, a carga acionada quando o acoplador óptico não estiver excitado. Essa versão é exibida na figura 9.



Relé com MOSFET de Potência

Os transistores de efeito de campo de potência (Power MOSFETs) têm características altamente desejáveis quando se trata de circuitos de comutação.

A principal delas é a baixíssima resistência no estado de condução (Rdson) que pode chegar a fração de ohm nos tipos comuns. Isso significa que, quando “ligados”, eles praticamente não causam qualquer queda de tensão nos circuitos controlados.

Para usar um MOSFET de potência como relé de estado sólido, podemos partir do circuito da figura 10.



Outra vantagem manifestada nesse circuito é a altíssima impedância de entrada do MOSFET, que se traduz numa sensibilidade muito alta e em um consumo baixíssimo quando ele não está acionado.

Assim, no circuito ilustrado, a máxima corrente que pode ser controlada depende apenas do MOSFET colocado, podendo chegar a dezenas de ampères para os tipos comuns.

O MOSFET deve ser dotado de radiador apropriado e a tensão máxima do circuito depende também do MOSFET usado.

Conclusão

O isolamento proporcionado quer seja pelos acopladores ópticos, quer seja pelos transformadores faz dos relés de estado sólido apresentados alternativas interessantes pora muitos projetos.

É claro que existe muito mais, mas partindo dos exemplos dados, poderá facilmente melhorar ou alterar os circuitos para uma aplicação específica.