Use relés de estado sólido na automação da fábrica para obter alta confiabilidade, comutação rápida e baixa EMI

Para evitar paralisações dispendiosas, o diagnóstico avançado e a manutenção preditiva são cada vez mais usados na automação de fábricas em setores como o de produção de alimentos e bebidas, montagem automatizada e outros sistemas de processamento contínuo, bem como HVAC, purificação de água e maquinário de geração de energia. Os relés confiáveis para comutação são cruciais para esses processos industriais automatizados. Eles devem ser capazes de comutar rapidamente, operar continuamente em condições desafiadoras com o mínimo de desgaste do contato e não causar interferência eletromagnética (EMI) que possa afetar os sensores e controles sem fio.

Os relés de estado sólido (SSRs) atendem às demandas de comutação da automação de fábrica, usando tecnologia inovadora que aumenta a confiabilidade e a durabilidade para garantir um desempenho consistente mesmo em ambientes adversos.

Este artigo discute brevemente os requisitos de comutação da automação da fábrica. Em seguida, apresenta exemplos de SSRs da Littelfuse e mostra como eles podem ser usados para atender a esses requisitos.

Definindo e atendendo aos requisitos de comutação da automação de fábrica

As necessidades de comutação para a automação da fábrica incluem confiabilidade a baixo custo, tempos de acionamento rápidos sem saltos do contato ou arcos voltaicos, EMI mínima que pode afetar circuitos próximos ou os sensores e redes sem fio que são cada vez mais usados nas fábricas, além da alta tolerância a choques mecânicos e vibrações.

Os SSRs empregam dispositivos semicondutores para realizar a operação de comutação e atender a esses requisitos. Eles podem ser acionados por tensões CA ou CC, com modelos distintos para cada tipo de excitação (Figura 1).

Figura 1: Esses diagramas de blocos funcionais de SSRs mostram os componentes críticos para os modelos acionados por CC (em cima) e CA (embaixo). (Fonte da imagem: Littelfuse Inc.)

Os SSRs acionados por CC (parte superior) regulam a tensão aplicada. Os SSRs acionados por CA (parte inferior) utilizam uma ponte retificadora de onda completa para converter o sinal de excitação em CC. Ambos os tipos de SSRs isolam opticamente o sinal de atuação da saída. O elemento ativo desses SSRs é um par de retificadores controlados por silício (SCRs). Esses SSRs incluem proteção contra sobretensão na forma de um diodo de supressão de tensão transiente (TVS) conectado entre as portas dos SCRs para proteger o SSR e evitar mudanças inesperadas de estado na presença de transientes elétricos na rede.

A resposta de comutação aproveita os tempos de comutação rápida dos dispositivos semicondutores e é controlada pelo circuito de disparo. A comutação pode ser nas passagens por zero da tensão de saída, após a aplicação do sinal de atuação ou aleatória (instantânea) com o sinal de atuação (Figura 2).

Figura 2: A característica de comutação é selecionada para corresponder à aplicação pretendida do SSR. (Fonte da imagem: Littelfuse Inc.)

A ativação na passagem por zero é usada para aplicações com altas correntes, como aquecedores industriais, onde minimiza as correntes de irrupção. A ativação instantânea é usada quando a comutação deve ocorrer em uma alta frequência. A comutação instantânea produz a maior frequência de comutação possível.

Exemplos de SSRs

Atendendo à necessidade de relés de comutação de energia mais confiáveis e duradouros em aplicações de máquinas industriais e comerciais, a Littelfuse Inc. projetou a família SRP1 de SSRs de alta durabilidade. É oferecida em duas linhas de modelos: o SSR simples de alta durabilidade SRP1-CB e o SSR multifuncional de alta durabilidade SRP1-CR com segurança tátil e proteção contra sobretensão (Figura 3, à esquerda e no meio).

Figura 3: São mostrados o SSR nu SRP1-CB (esquerda), o SSR seguro contra toques SRP1-CR (centro) e os terminais alternativos de conexão rápida do SRP1-CB...F (direita). (Fonte da imagem: Littelfuse Inc.)

A Littelfuse projetou semicondutores próprios para minimizar a degradação dos componentes devido ao calor e oferecer um desempenho ideal em condições adversas. Ambas as linhas de modelos oferecem unidades com acionamento CA ou CC e dimensionamentos da corrente de saída de 10 A, 25 A e 50 A em uma das duas faixas da tensão de saída, 24 V_CA a 240 V_CA ou 48 V_CA a 600 V_CA. Os modelos diferem pelo fato de o SRP1-CR incluir recursos integrados de proteção e instalação, inclusive uma tampa IP20 à prova de dedos, proteção contra sobretensão do diodo TVS e um pad térmico pré-instalado. A versão SRP1-CB...F (Figura 3, à direita) também apresenta terminais de conexão rápida.

Os relés são dispositivos de polo e curso únicos (SPST) conectados em série com a carga de saída (Figura 4).

Figura 4: Os SSRs SRP1 são ligados em série com a carga de saída; a entrada é acionada por um sinal de atuação CA ou CC, dependendo do modelo. (Fonte da imagem: Littelfuse Inc.)

Os SSRs requerem um dissipador de calor para operar em seus dimensionamentos específicos. Os dois modelos da Littelfuse usam a mais recente tecnologia de ligação direta para garantir a máxima confiabilidade e longevidade do produto. Os relés SRP1-CR incluem um pad térmico integrado para dissipação eficiente de calor que não precisa de um composto térmico, permitindo uma instalação limpa e fácil. Os gráficos de degradação térmica (Figura 5) mostram a corrente de saída máxima que pode ser suportada para várias temperaturas ambientes e dissipadores de calor de várias resistências térmicas.

Figura 5: São mostradas curvas de degradação para os SSRs da série SRP1-CR em várias temperaturas ambientes e dissipadores de calor. (Fonte da imagem: Littelfuse Inc.)

A resistência térmica é especificada em ˚C por watt (°C/W). Um dissipador de calor dimensionado para 10°C/W ficará 10°C mais quente do que o ar ao redor para cada 1 W de calor dissipado. Os dissipadores de calor com menor resistência térmica são mais eficientes do que os dissipadores de calor com maior resistência térmica e, portanto, resfriam melhor.

Os SSRs SRP1 são certificados para cumprir com várias normas de saúde, segurança, meio ambiente, compatibilidade eletromagnética e imunidade eletrostática, incluindo UL, CAN/CSA, IEC, CISPR, RoHS e REACH. Eles são adequados para aplicações de aquecimento e controle de movimento na automação industrial. Também funcionam bem no setor de alimentos e bebidas, controlando fornos industriais, equipamentos de embalagem e sistemas de esteiras. Os sistemas de aquecimento, ventilação e ar condicionado usam esses relés para manipuladores de ar e compressores, assim como os sistemas de iluminação de grande escala. Todas essas aplicações exigem desempenho superior e confiabilidade altíssima, e a série SRP1 tem opções para atender a vários requisitos de corrente, tensão, tempo de resposta e comutação.

Por exemplo, o SRP1-CBAZL-050NW-N é um SSR dimensionado a 50 A com uma saída de 24 V_CA a 240 V_CA. Ele aceita uma tensão de entrada de 90 V_CA a 280 V_CA e comuta na passagem por zero da tensão de saída. Oferece uma resistência máxima no estado ligado de 6,3 miliohms (mΩ), o que resultaria em uma queda de apenas 0,3 V no relé com a corrente máxima. A queda de tensão máxima nominal é de 1,3 V. O relé é ativado em menos de 20 milissegundos (ms), incluindo o tempo de espera para a passagem por zero, e é desativado em menos de 30 ms.

O SRP1-CBDZL-010NF-N é um exemplo de um SSR acionado por CC. Ele tem uma corrente nominal de saída de 10 A com uma faixa de tensão de saída de 24 V_CA a 240 V_CA. A faixa de tensão de entrada é de 4 V_CC a 32 V_CC. Também comuta na passagem por zero da tensão de saída e tem a mesma resistência máxima no estado ligado de 6,3 mΩ. Ele difere dos relés SRP1-CB padrão por apresentar terminais de conexão rápida. Seu tempo de ativação é igual à metade do ciclo da forma de onda de saída.

O SRP1-CRARH-025TC-N é uma versão com segurança tátil da série SRP1 e é dimensionado numa corrente de saída de 25 A. Esse modelo é acionado por CA, usando uma tensão de entrada de 90 V_CA a 280 V_CA. Ele difere dos outros modelos porque tem uma resposta de comutação instantânea e usa uma faixa de alta tensão de saída de 48 V_CA a 600 V_CA. O tempo de ativação do relé é inferior a 20 milissegundos (ms) e o tempo de desativação é inferior a 30 ms.

O tempo de resposta mais rápido é obtido com o uso de um relé com uma entrada CC e uma resposta de comutação instantânea. Um exemplo é o SRP1-CRDRL-010TC-N. Esse SSR tem uma corrente nominal de saída de 10 A com uma faixa de tensão de saída de 24 V_CA a 240 V_CA. A faixa de tensão de entrada é de 4 V_CC a 32 V_CC. Seu tempo de ativação é de 20 microssegundos (µs) e o tempo de desativação é menor que a metade do ciclo da forma de onda de saída, o que o torna um dos tempos de ciclo de relé mais rápidos.

Conclusão

Para atender aos requisitos de desempenho de comutação, confiabilidade e normas internacionais de automação de fábrica, os projetistas podem contar com a série SRP1 de SSRs. Essa série utiliza avanços na tecnologia de semicondutores para obter longa vida útil, alta velocidade de comutação e EMI mínima em uma ampla gama de correntes de saída e opções de controle de entrada.