Relés de potência - Entendendo o básico

Os relés funcionam essencialmente como interruptores que controlam a operação de outros interruptores em circuitos elétricos. Empregando um sinal de entrada de baixa potência, eles exercem comando sobre circuitos de maior potência. A ativação do sinal de baixa potência do relé aciona a energização de um eletroímã, iniciando o movimento de uma armadura. Esse movimento, por sua vez, provoca o fechamento dos contatos elétricos, facilitando assim a transmissão de energia para o circuito controlado.

Uma das principais vantagens desse design é a capacidade de isolar o sinal de controle de baixa potência do circuito de alta potência. Essa isolação não apenas protege os operadores de possíveis riscos, mas também protege o equipamento de possíveis danos. Além disso, esse arranjo facilita o controle remoto de dispositivos ou sistemas, permitindo a operação à distância.

A gênese dos relés eletromecânicos remonta a 1835 e, apesar dos avanços significativos em seus componentes e diversidade ao longo dos anos, sua função fundamental se manteve. Um dos relés mais conhecidos ao longo da história é o relé de potência. Embora todos os relés elétricos controlem inerentemente a energia, nem todos os relés são corretamente denominados "relés de potência". Este artigo examinará mais detalhadamente os relés de potência, incluindo seus benefícios, configurações e principais critérios de seleção.

Noções básicas sobre relés de potência

Os relés de potência são conhecidos por sua capacidade especializada de gerenciar comutação de alta corrente, variando de vários ampères a magnitudes substancialmente maiores. Sua construção mais robusta e suas dimensões ampliadas permitem que os contatos do relé de potência suportem correntes consideráveis, tornando-os candidatos ideais para aplicações que exigem correntes tipicamente superiores a 10 ampères.

Eles são cada vez mais utilizados em diversos setores, abrangendo sistemas automotivos, controles de elevadores, atuadores de válvulas e vários dispositivos caracterizados por altos picos de corrente inicial, como motores, solenoides, fontes de alimentação e reatores eletrônicos.

Assim como outros componentes elétricos, os relés têm limitações inerentes em relação à potência que podem gerenciar com segurança. Cada modelo recebe um dimensionamento de potência máxima, o que garante uma combinação eficiente com uma ampla gama de cargas, desde entidades de baixa potência, como lâmpadas, até máquinas robustas, como grandes motores. Entretanto, exceder a potência nominal especificada pode significar danos permanentes ao relé.

Além disso, o desalinhamento dos contatos pode induzir o arco de contato, caracterizado pelo fluxo de corrente através da folga de ar entre os contatos do relé quando eles estão abertos, mas próximos um do outro. Esse fenômeno apresenta riscos além das faíscas e da geração de calor, incluindo a erosão dos contatos e a geração de interferências elétricas indesejadas, podendo causar danos aos equipamentos próximos.

Figura 1: Arco de contato do relé eletromecânico. (Fonte da imagem: Same Sky)

Os relés de potência são projetados especificamente para lidar com as cargas elétricas de dispositivos de alta corrente, como aquecedores, motores, conjuntos de iluminação e equipamentos industriais. Os valores nominais elevados de corrente e tensão dos relés de potência resultam, em grande parte, da utilização de materiais de contato do interruptor diferentes daqueles dos relés comuns. Esses materiais são escolhidos por sua capacidade de resistir aos rigores das aplicações de alta potência, garantindo operação confiável e longevidade em ambientes industriais exigentes.

Materiais de contato do relé de potência

Quando a corrente flui pelos contatos do relé, ela encontra resistência, um fator que depende do tamanho e da composição do material dos contatos. A resistência elevada não apenas amplifica a potência dissipada no relé, mas também aumenta a geração de calor. Uma abordagem para reduzir a resistência de contato é a seleção cuidadosa dos materiais de contato.

Os relés convencionais normalmente apresentam contatos feitos de níquel-prata, um metal conhecido por sua onipresença histórica na construção de relés. Os contatos de níquel-prata são excelentes para a comutação de cargas resistivas, em que a corrente e a tensão estão em fase uma com a outra.

Em contrapartida, os relés projetados para cargas maiores, como os relés de potência, optam por contatos feitos de materiais como óxido de cádmio e prata, óxido de estanho e prata ou liga de ouro. Esses materiais são ideais para lidar com cargas indutivas, caracterizadas por corrente e tensão assíncronas, que podem gerar picos substanciais de corrente ou tensão. Tanto os contatos de óxido de cádmio e prata quanto os de óxido de estanho e prata oferecem menor resistência elétrica e reduzem o risco de soldagem de contato decorrente das altas correntes de irrupção. Notavelmente, a adoção do óxido de estanho e prata contorna as preocupações ambientais associadas às ligas à base de cádmio, alinhando-se, assim, aos padrões regulatórios defendidos por alguns países.

Relés de potência comparados a relés de sinal

Os relés de potência e os relés de sinal representam duas variantes populares no âmbito dos relés. Embora os relés de potência priorizem o manuseio de tensões e correntes mais altas, eles normalmente suportam menos ciclos de vida. Por outro lado, os relés de sinal são projetados para uma maior quantidade de ciclos de vida útil, mas operam com tensões mais baixas e corrente mínima.

Os materiais de contato empregados nos relés de potência, apesar de serem adequados para gerenciar cenários de alta potência, não são ideais para comutação de baixa potência. Isso decorre do fato de que, em tensões mais baixas, a conexão física entre os contatos assume importância primordial, ditada por fatores como pressão e limpeza do contato, e não pelo material do contato.

Além disso, o uso de um relé de sinal em uma aplicação de energia traz riscos inerentes, podendo culminar em uma falha catastrófica devido à sobretensão ou à sobrecorrente. Mesmo que esse relé sobrevivesse, ele não teria recursos essenciais, como prevenção de arco e autolimpeza de contato, comprometendo a confiabilidade a longo prazo.

No processo de decisão entre relés de potência e de sinal, a adesão a uma diretriz fundamental é crucial: sempre combine o nível de potência que está sendo comutado com a potência nominal do relé. Isso garante o desempenho ideal, reduz os riscos de falha e mantém a integridade do relé e dos sistemas associados. Mais informações sobre relés de sinal podem ser lidas em outro artigo da Same Sky intitulado Relés de sinais - Entendendo o básico.

Tipos de relés de potência

Os relés de potência, assim como os relés comuns, estão disponíveis em dois tipos principais: eletromecânicos e de estado sólido.

Os relés de potência eletromecânicos dependem de uma combinação de bobinas elétricas, campos magnéticos, molas, armaduras móveis e contatos para regular o fornecimento de energia a um dispositivo.

Por outro lado, os relés de estado sólido não utilizam peças móveis. Em vez disso, eles utilizam dispositivos semicondutores, como retificadores controlados por silício (SCRs), TRIACs (triodo para corrente alternada) ou transistores de chaveamento para comutar correntes CA e CC. Os relés de estado sólido oferecem vantagens como velocidades de comutação mais rápidas e maior confiabilidade em comparação com os relés eletromecânicos. No entanto, sua relação custo-benefício diminui à medida que as demandas de energia aumentam, devido aos custos mais altos associados a semicondutores de potência robustos e à inclusão de componentes de gerenciamento térmico adicionais.

Figura 2: Exemplo de um relé de estado sólido combinado com um dissipador térmico. (Fonte da imagem: Same Sky)

Configurações e dimensionamentos comuns

Os relés de potência, assim como seus equivalentes sem potência, são categorizados com base em sua configuração de contato, indicando o número de dispositivos que podem controlar simultaneamente. As classificações comuns incluem:

• SPST (polo único, curso único)
• DPDT (polo duplo, curso duplo)
• 3PDT (polo triplo, curso duplo)
• SP3T (polo único, curso triplo)

Os contatos do relé são designados como normalmente abertos (NA) ou normalmente fechados (NF), dependendo do seu estado quando nenhuma energia é aplicada ao relé.

Os dimensionamentos do relé indicam a potência máxima que pode ser comutada com segurança e eficácia pelo relé. Esses dimensionamentos são normalmente expressos em termos de amperes para correntes CA e CC. É fundamental que o dimensionamento do relé exceda o dimensionamento do dispositivo que está sendo comutado, com uma margem de segurança considerada.

Semelhante aos relés sem potência, os relés de potência também podem ser descritos usando o termo "formas". Frases como "1 Forma A" ou "2 Forma C" fornecem informações sobre as características do relé. O número que precede "Forma" indica a quantidade de contatos descritos disponíveis no relé. A "Forma A" significa um relé normalmente aberto, enquanto a "Forma B" denota um relé normalmente fechado. A "Forma C" e a "Forma D" se aplicam a relés SPDT, indicando qual posição é considerada normalmente fechada e se o relé é do tipo BBM ou MBB, respectivamente abre antes de fechar ou fecha antes de abrir. Embora existam várias outras formas, essas quatro são as mais comumente usadas.

• Forma A - normalmente aberto
• Forma B - normalmente fechado
• Forma C - interruptores SPDT do tipo abrir antes de fechar
• Forma D - interruptores SPDT do tipo fechar antes de abrir

Considerações adicionais

Algumas considerações adicionais a serem levadas em conta durante a seleção do dispositivo incluem:

• Picos de energia na entrada: Alguns dispositivos podem produzir picos de energia significativos durante a partida. É importante identificar esses surtos antes de especificar um relé para evitar danos ao dispositivo.
• Supressão de bobina: O ciclo do relé pode gerar transientes de alta tensão. A supressão de bobina envolve o uso de componentes adicionais no circuito para proteger o equipamento contra esses transientes. No entanto, isso pode reduzir a vida útil do relé. Determine se uma estratégia específica de supressão de bobina é necessária para qualquer aplicação específica.
• Travamento: um relé de travamento mantém sua última posição de contato mesmo depois que a energia de ativação é removida. Esse recurso pode ser necessário para determinadas aplicações.
• Ruído: Os relés podem produzir ruído de interferência eletromagnética (EMI) ou de radiofrequência (RFI), que pode ser mais pronunciado em dispositivos de alta potência. Determine com antecedência a sensibilidade de um dispositivo ou sistema a esse ruído.
• Salto de contato: À medida que um relé faz um ciclo, seus contatos podem passar por breves ciclos de abertura/fechamento, conhecidos como saltos ou repiques de contato, que geram pulsos elétricos. Dependendo da sensibilidade da aplicação, esse salto pode causar efeitos indesejáveis, portanto, é importante determinar se o salto do contato afetará uma aplicação antes de especificar um relé.

Figura 3: Exemplo de saltos de contato e as tensões que mudam rapidamente. (Fonte da imagem: Same Sky)

Conclusão

Os relés são dispositivos confiáveis, eficientes e seguros que fornecem controle elétrico seguro de sistemas e dispositivos, mantendo o operador isolado com segurança da corrente de operação. Os relés de potência, sejam eles eletromecânicos ou de estado sólido, são especialmente projetados com recursos aprimorados para gerenciar tensões e correntes mais altas.

Enquanto os projetistas avaliam as necessidades de comutação de energia de seus produtos, a Same Sky está aqui com uma gama diversificada de relés de energia e relés de sinal. Seja para lidar com comutação de corrente de baixa amplitude ou de alta amplitude, a Same Sky tem as soluções de relé para atender a uma variedade de necessidades de forma eficaz e eficiente.