Relé

Um relé

Princípio de funcionamento de um relé eletromecânico

Esquema de um relé eletromecânico com uma bobina de controle, quatro pares de contatos normalmente abertos e um par de contatos normalmente fechados

Relé miniatura de uso automotivo com a tampa removida

Um relé é um interruptor operado eletricamente. Possui um conjunto de terminais de entrada para um ou mais sinais de controle e um conjunto de terminais de contatos de operação. O interruptor pode ter qualquer quantidade de contatos em diferentes formas de contato, como contatos de fechamento, contatos de abertura ou combinações deles. A palavra portuguesa relé vem do francês relais.

Relés são usados para controlar um circuito elétrico por meio de um sinal independente de baixa potência e para controlar mais de um circuito com um único sinal. Seus primeiros usos ocorreram em circuitos de telégrafo elétrico de longa distância, nos quais atuavam como repetidores de sinal, transmitindo para outro circuito uma cópia regenerada do sinal recebido. Foram empregados em grande escala em centrais telefônicas e nos primeiros computadores para executar operações de álgebra booliana.

O relé eletromecânico tradicional usa um eletroímã para fechar ou abrir os contatos, mas também existem relés baseados em outros princípios de funcionamento, como os relés de estado sólido, que usam dispositivos semicondutores para realizar a comutação sem peças móveis. Relés com características de operação calibradas e, em alguns casos, mais de uma bobina de operação são usados para proteger circuitos elétricos contra sobrecargas ou falhas. Nos sistemas elétricos de potência, essas funções são executadas também por dispositivos digitais chamados relés de proteção. Em máquinas e sistemas de automação, relés de segurança podem ser empregados em funções como parada de emergência e monitoração de proteções.

Relés biestáveis mantêm uma das posições dos contatos sem alimentação contínua da bobina. Nos modelos de duas bobinas, um pulso aplicado à bobina de ajuste coloca o relé em um estado e um pulso aplicado à bobina de retorno o coloca no outro. Nos modelos de uma bobina, a mudança entre os estados pode ser feita pela inversão da polaridade do pulso. Outros mecanismos biestáveis, como os relés de catraca, podem alternar de estado a cada impulso.

História

Relé telegráfico da Hasler AG usado na rede telegráfica da Ferrovia do Gotardo por volta de 1900

Em 1809, Samuel Thomas von Sömmerring projetou um relé eletrolítico para funcionar como alarme em um telégrafo eletroquímico.

O desenvolvimento dos relés elétricos ocorreu principalmente ligado aos telégrafos. O cientista norte-americano Joseph Henry é frequentemente apontado como inventor de um relé em 1835, criado para aperfeiçoar a versão de telégrafo elétrico que ele havia desenvolvido em 1831. Henry, porém, não publicou esses experimentos. A data atribuída aos seus testes com relés se baseia apenas em declarações dele e de seus alunos, muitas vezes feitas décadas depois.

Em março de 1837, Edward Davy depositou junto ao secretário britânico da Society of Arts uma carta com suas ideias para um relé eletromagnético. Seu sistema, chamado por ele de electric renewer, usava uma bateria local para regenerar um sinal telegráfico enfraquecido. Davy demonstrou um modelo funcional em 1837 e recebeu em 4 de julho de 1838 uma patente britânica para seu telégrafo.

Nos Estados Unidos, Samuel Morse recebeu em 20 de junho de 1840 a patente nº 1.647 de seu sistema de telégrafo eletromagnético. O arranjo permitia que um sinal recebido comandasse outro circuito e fosse regenerado ao longo da linha, uma das aplicações que deram origem ao relé eletromagnético.

A palavra inglesa relay passou a ser usada para um instrumento eletromagnético em 1860, inicialmente no contexto da telegrafia.

Projeto básico e funcionamento

Relé eletromecânico simples

Funcionamento sem diodo de roda livre. O arco elétrico provoca a degradação dos contatos do interruptor

Funcionamento com diodo de roda livre. A sobretensão no circuito de controle é reduzida

Um relé eletromagnético simples é formado por uma bobina de fio enrolada em torno de um núcleo de ferro doce, formando um solenoide, um jugo de ferro que oferece um caminho de baixa relutância magnética ao fluxo magnético, uma armadura móvel de ferro e um ou mais conjuntos de contatos. No relé da imagem há dois contatos. A armadura é articulada ao jugo e ligada mecanicamente a um ou mais conjuntos de contatos móveis. Uma mola mantém a armadura em posição, de modo que, quando o relé está desenergizado, existe um entreferro no circuito magnético. Nessa condição, um dos dois conjuntos de contatos do relé mostrado está fechado e o outro está aberto. Outros relés podem ter mais ou menos conjuntos de contatos, conforme sua função. O relé da imagem também possui um fio que liga a armadura ao jugo. Isso assegura a continuidade do circuito entre os contatos móveis da armadura e a trilha do circuito impresso por meio do jugo, que é soldado à placa.

Quando uma corrente elétrica passa pela bobina, ela gera um campo magnético que aciona a armadura. O movimento resultante do contato ou dos contatos móveis estabelece ou interrompe, conforme a construção, a ligação com um contato fixo. Se o conjunto de contatos estava fechado com o relé desenergizado, o movimento abre os contatos e interrompe a conexão. Se estava aberto, ocorre o inverso. Quando a corrente da bobina é desligada, uma força de retorno leva a armadura à posição de repouso. Essa força costuma ser fornecida por uma mola, embora a gravidade também seja usada em alguns dispositivos. A maioria dos relés é fabricada para operar rapidamente. Em aplicações de baixa tensão, isso reduz o ruído. Em aplicações de alta tensão ou corrente, uma separação rápida dos contatos pode reduzir o tempo de formação do arco.

Funcionamento de um relé de 12 A

Quando uma bobina alimentada por corrente contínua é desenergizada, o colapso do campo magnético pode produzir uma sobretensão transitória capaz de danificar semicondutores e outros componentes do circuito de acionamento. Um diodo de roda livre em paralelo com a bobina é uma forma simples de limitar essa sobretensão. O diodo, porém, faz a corrente da bobina decair mais lentamente e pode aumentar o tempo de liberação da armadura. Dependendo da aplicação, podem ser usados um diodo em série com um diodo Zener, um supressor de tensão transitória, um varistor, um resistor ou outras redes de supressão para obter um compromisso diferente entre a tensão máxima permitida e a velocidade de liberação. Alguns relés automotivos incorporam um diodo ou resistor no próprio invólucro.

Pequeno relé do tipo cradle, comum em eletrônica. O termo inglês refere-se à forma da armadura do relé

Se o relé aciona uma carga grande ou especialmente reativa, pode ocorrer uma sobretensão semelhante nos contatos de saída. Um circuito snubber, formado por um capacitor e um resistor em série, pode ser ligado em paralelo com os contatos ou com a carga para limitar o transitório. O circuito de proteção precisa ser dimensionado para a carga e para a forma de corrente e tensão presentes na aplicação.

Se a bobina foi projetada para ser energizada com corrente alternada (CA), emprega-se algum método para dividir o fluxo em dois componentes defasados que se somam, aumentando a força mínima de atração sobre a armadura durante o ciclo de CA. Isso costuma ser feito com um pequeno "anel de sombra" de cobre instalado em torno de parte do núcleo, que cria um componente de fluxo atrasado e defasado, ajudando a manter a atração da armadura durante as passagens por zero da tensão de controle.

Os materiais dos contatos variam conforme a aplicação. Para sinais de nível muito baixo, são comuns contatos com revestimento de ouro, pois o ouro reduz os problemas causados por oxidação e sulfetação da superfície. A prata fina e suas ligas têm boa condutividade, mas formam filmes de sulfeto e, por isso, a prata fina não costuma ser usada para comutação de sinais de nível muito baixo. Em correntes mais elevadas, a pressão dos contatos e pequenos arcos podem romper ou remover esses filmes. Ligas como prata-níquel e prata-óxido de estanho são escolhidas de acordo com a carga e com a resistência desejada à transferência de material, ao arco e à soldagem. Contatos de prata-óxido de cádmio foram usados por muito tempo na comutação de cargas que produzem arcos de alta energia. Relés com contatos umedecidos por mercúrio fazem e interrompem circuitos por meio de uma superfície de mercúrio líquido que se renova a cada operação. Contatos usados em circuitos com dezenas ou centenas de ampères podem conter estruturas adicionais para dissipar calor e controlar o arco gerado na interrupção do circuito. Alguns relés possuem contatos substituíveis em campo, como certos relés de máquinas-ferramenta. Eles podem ser trocados quando se desgastam ou convertidos entre os estados normalmente aberto e normalmente fechado quando o circuito controlado é alterado.

Terminologia

Símbolos de circuito de relés. C é o terminal comum nos tipos SPDT e DPDT

Como os relés são interruptores, aplica-se a eles a mesma terminologia usada para interruptores. Um relé comuta um ou mais polos, e cada polo pode ser conectado a uma ou mais posições pela energização da bobina. Contatos normalmente abertos (NA) conectam o circuito quando o relé é acionado e o deixam desconectado quando o relé está inativo. Contatos normalmente fechados (NF) desconectam o circuito quando o relé é acionado e o mantêm conectado quando está inativo. As formas de contato são combinações de conexões NA e NF.

Nos Estados Unidos, a National Association of Relay Manufacturers e sua sucessora, a Relay and Switch Industry Association, definem 23 formas de contato elétrico encontradas em relés e interruptores. Entre elas, são comuns:

• Relés SPST-NO (Single-Pole Single-Throw, Normally-Open, um polo, uma posição, normalmente aberto) têm um único contato de Forma A, ou contato de fechamento. Há dois terminais que podem ser conectados ou desconectados. Somando os dois terminais da bobina, o relé tem quatro terminais.
• Relés SPST-NC (Single-Pole Single-Throw, Normally-Closed, um polo, uma posição, normalmente fechado) têm um único contato de Forma B, ou contato de abertura. O total, como no SPST-NO, é de quatro terminais.
• Relés SPDT (Single-Pole Double-Throw, um polo, duas posições) têm um conjunto de contatos de Forma C, do tipo "abre antes de fechar", ou de transferência. Um terminal comum se conecta a um entre dois outros, sem se conectar aos dois simultaneamente. Com os dois terminais da bobina, são cinco terminais ao todo.
• Relés DPST (Double-Pole Single-Throw, dois polos, uma posição) equivalem a um par de interruptores ou relés SPST acionados por uma única bobina. Com os dois terminais da bobina, têm seis terminais. Os polos podem ser de Forma A ou Forma B, ou um de cada. Nesse último caso, as designações NA e NF devem ser usadas para eliminar a ambiguidade.
• Relés DPDT (Double-Pole Double-Throw, dois polos, duas posições) têm dois conjuntos de contatos de Forma C. Equivalem a dois interruptores ou relés SPDT acionados pela mesma bobina. Têm oito terminais, incluindo os da bobina.
• Forma D, fecha antes de abrir.
• Forma E, combinação das formas D e B.

A letra S, de single, ou D, de double, que corresponde à quantidade de polos pode ser substituída por um número quando há mais contatos ligados a um único atuador. Por exemplo, 4PDT designa um relé de quatro polos e duas posições, com 12 terminais de comutação.

A norma EN 50005 está entre as que regem a numeração dos terminais de relés. Em um relé SPDT típico compatível com a EN 50005, os terminais são numerados 11, 12, 14, A1 e A2 para as conexões comum, NF, NA e da bobina, respectivamente.

A DIN 72552 define a numeração de contatos em relés automotivos:

• 85 = bobina do relé, negativo
• 86 = bobina do relé, positivo
• 87 = para a carga, normalmente aberto
• 87a = para a carga, normalmente fechado
• 30 = positivo da bateria

Tipos

Diferentes relés eletromecânicos

Relé coaxial

Quando um transmissor e um receptor de rádio compartilham a mesma antena, costuma-se usar um relé coaxial como relé TR, de transmissão e recepção, para comutar a antena entre o receptor e o transmissor. Isso protege o receptor da alta potência do transmissor. Esses relés são comuns em transceptores, que reúnem transmissor e receptor em uma só unidade. Os contatos são projetados para não refletir potência de radiofrequência de volta para a fonte e para proporcionar grande isolamento entre os terminais do receptor e do transmissor. A impedância característica do relé é ajustada à impedância da linha de transmissão do sistema, por exemplo, 50 Ω.

Contator

Um contator é um relé para serviço pesado, com capacidade de corrente mais alta, usado na comutação de motores elétricos e cargas de iluminação. As correntes contínuas nominais de contatores comuns vão de 10 A a centenas de ampères. Contatos para correntes elevadas são feitos com ligas que contêm prata. A formação inevitável de arcos oxida os contatos, mas os compostos e ligas empregados são escolhidos para manter características elétricas adequadas durante a comutação. Contatores combinados com dispositivos de proteção contra sobrecarga são usados em partidas de motores.

Relé automotivo

Relés automotivos de potência são usados para comutar cargas de corrente elevada no sistema elétrico de veículos. Há modelos para sistemas de 12 e 24 V, inclusive versões com resistor ou diodo integrado para a proteção da bobina. Entre suas aplicações estão o controle do sistema de freios antibloqueio, ventoinhas de arrefecimento, gerenciamento de energia, controle do motor, velas de incandescência, para-brisas aquecidos, ignição e iluminação.

Relé com contatos de guiamento forçado

Um relé com contatos de guiamento forçado possui contatos NA e NF ligados mecanicamente de modo que nenhum contato NF mecanicamente ligado possa fechar enquanto um contato NA permanecer fechado, e nenhum contato NA mecanicamente ligado possa fechar enquanto um contato NF permanecer fechado. A EN 50205 exige que essa relação seja mantida durante a vida especificada do relé e em condições de falha razoavelmente previsíveis.

Esse arranjo permite que um circuito de segurança detecte falhas como a soldagem de um contato. Se um contato NA permanecer fechado quando o relé deveria retornar ao repouso, o contato NF mecanicamente ligado não poderá fechar. O estado desse contato de sentido oposto pode então ser usado para detectar a falha.

A EN 50205 distingue relés do tipo A, nos quais o conjunto de contatos é de guiamento forçado, e relés do tipo B, que podem conter também contatos não submetidos ao guiamento forçado. O guiamento não significa que todos os contatos tenham o mesmo estado lógico. A propriedade fundamental é impedir o fechamento simultâneo de contatos NA e NF mecanicamente ligados em uma combinação incompatível.

Relés desse tipo podem ter diferentes combinações de contatos principais e auxiliares. Os contatos auxiliares, por vezes com capacidade de corrente ou tensão menor, são usados na monitoração do circuito de segurança.

Relé biestável

Relé biestável com ímã permanente

Um relé biestável, também chamado de relé de impulso, mantém uma das duas posições dos contatos sem alimentação contínua aplicada à bobina. Uma vantagem é que a bobina consome energia apenas durante a comutação e os contatos mantêm a posição em caso de falta de energia. Esse tipo permite controlar remotamente a iluminação de edifícios sem o zumbido que pode ser produzido por uma bobina mantida energizada em corrente alternada.

Em um mecanismo de duas bobinas, um pulso em uma bobina coloca o relé em um estado e um pulso na bobina oposta o retorna ao outro. Uma mola de ação sobrecentro, um ímã permanente ou outro mecanismo mantém a posição depois que o pulso termina. Esse tipo é usado quando o controle provém de interruptores simples ou de saídas de sistemas de controle, com aplicações em aviônica e equipamentos industriais.

Outro tipo biestável usa um núcleo com remanência que mantém os contatos na posição acionada pelo magnetismo remanente. Para liberar os contatos, pode ser necessário um pulso de corrente com polaridade oposta. Uma variação usa um ímã permanente que fornece parte da força necessária para manter a posição. A bobina fornece a força para alterar o estado, reforçando ou contrariando o campo do ímã permanente. Um relé controlado por polaridade requer um interruptor comutador ou um circuito de acionamento em ponte H.

Em outro tipo, o relé de catraca usa um mecanismo mecânico que mantém os contatos na posição depois que a bobina recebe um pulso momentâneo. Outro impulso altera novamente a posição dos contatos. Esse tipo pode ser encontrado em alguns automóveis para a comutação dos faróis e em outras funções que exigem alternância a cada acionamento do interruptor.

Um relé escalonador é uma forma especializada de relé biestável multiposição, projetada para as primeiras centrais telefônicas automáticas.

Mecanismos de travamento também são usados em dispositivos de proteção contra fugas à terra. Em um projeto de dispositivo diferencial residual, uma trava mantém o portador dos contatos na posição fechada. Quando uma falta é detectada, um solenoide libera a trava e uma mola abre os contatos.

Os primeiros computadores eletromecânicos às vezes armazenavam bits em relés biestáveis magnéticos, como o ferreed e, mais tarde, o remreed do comutador 1ESS.

Alguns computadores antigos usavam relés comuns como uma espécie de trava. Eles armazenavam bits em relés de mola de arame ou relés de palheta, realimentando uma saída como entrada e formando uma malha de realimentação ou um circuito sequencial. Um relé com retenção elétrica desse tipo requer alimentação contínua para manter o estado, ao contrário dos relés biestáveis magnéticos ou dos relés mecânicos de catraca. Embora circuitos de autorretenção sejam muitas vezes realizados com relés, também podem ser implementados por outros meios.

Nas memórias de computadores, relés biestáveis e outros tipos foram substituídos pela memória de linha de atraso, que por sua vez cedeu lugar a tecnologias de memória cada vez mais rápidas e menores.

Relé para máquinas-ferramenta

Um relé para máquinas-ferramenta é um tipo padronizado para controle industrial de máquinas-ferramenta, máquinas de transferência e outros sistemas de controle sequencial. Tem muitos contatos, em alguns modelos expansíveis em campo, que podem ser convertidos com facilidade entre os estados normalmente aberto e normalmente fechado. Também possui bobinas facilmente substituíveis e um formato que permite instalar muitos relés de maneira compacta em um painel de controle. Esses relés já foram a base da automação em setores como a montagem de automóveis, mas o controlador lógico programável (CLP) substituiu em grande parte o relé de máquina-ferramenta em aplicações de controle sequencial.

Um relé permite que equipamentos elétricos comutem circuitos. Um circuito temporizador com relé, por exemplo, pode ligar a alimentação em um horário predefinido. Por muitos anos, relés foram o método padrão de controle de sistemas eletrônicos industriais. Um conjunto de relés pode trabalhar em conjunto para executar funções mais elaboradas, formando a chamada lógica de relés. O princípio dessa lógica se baseia em relés que energizam e desenergizam os contatos correspondentes. A lógica de relés antecede a linguagem ladder, usada com frequência em controladores lógicos programáveis.

Relé de mercúrio

Um relé de mercúrio usa mercúrio como elemento de comutação. Há modelos em que a condução ocorre por uma massa de mercúrio e outros em que as superfícies dos contatos são umedecidas por uma película do metal líquido. Esses relés foram usados em aplicações nas quais a erosão e a contaminação de contatos convencionais seriam problemáticas.

Relé de palheta umedecida por mercúrio

Relé de palheta umedecida por mercúrio

Um relé de palheta umedecida por mercúrio é uma forma de relé de palheta na qual as superfícies dos contatos são recobertas por mercúrio líquido. O contato elétrico ocorre entre superfícies de mercúrio, reduzindo a influência de filmes de óxido e a transferência permanente de material entre os contatos. A ação capilar leva uma película de mercúrio às superfícies à medida que o contato móvel opera, renovando a região de contato a cada ciclo.

Esses relés são sensíveis à posição, pois uma inclinação excessiva pode fazer a reserva de mercúrio inundar os contatos. O uso do mercúrio também impõe uma limitação de temperatura, pois o elemento congela a cerca de −38,9 °C. Relés de palheta umedecida por mercúrio foram usados quando se desejavam longa vida de operação e pouco ressalto dos contatos.

Relés multivoltagem

Relés multivoltagem são dispositivos projetados para aceitar uma faixa ampla de tensões de alimentação, em CA, CC ou ambas, reduzindo a necessidade de versões distintas para cada tensão de controle. A faixa depende do modelo. Há equipamentos industriais, por exemplo, com alimentação de 24 a 240 V em CA ou CC.

Relé de proteção contra sobrecarga

Motores elétricos precisam de proteção contra condições como sobrecarga prolongada e curto-circuito. Um relé de sobrecarga é destinado principalmente a detectar sobrecarga e aquecimento excessivo do motor. Ele não substitui, por si só, a proteção contra curto-circuito, que normalmente é fornecida por fusíveis ou disjuntores coordenados com o circuito de partida.

Em relés térmicos de sobrecarga, a corrente do motor aquece um elemento térmico que provoca a deformação de uma lâmina bimetálica, ou atua por outro mecanismo dependente da temperatura. O movimento opera contatos auxiliares ligados em série com a bobina do contator e desliga o motor quando a condição persiste pelo tempo necessário.

A proteção térmica atua de forma relativamente lenta, permitindo correntes de partida normais sem desligar imediatamente o motor. Quando o relé de sobrecarga fica exposto a condições térmicas semelhantes às do motor, sua resposta também pode incorporar alguma compensação da temperatura ambiente.

A proteção de motores pode combinar diferentes dispositivos. Disjuntores termomagnéticos para motores usam um elemento térmico para responder a sobrecargas e um elemento magnético para interromper correntes de curto-circuito. Outra configuração combina um disjuntor magnético ou fusíveis com um relé de sobrecarga separado.

Relés eletrônicos de proteção contra sobrecarga medem a corrente do motor e podem calcular seu aquecimento por meio de um modelo térmico. Alguns equipamentos também recebem medições diretas de temperatura. O relé de proteção de motores REM610, por exemplo, pode receber sinais de sensores RTD e termistores para medir temperaturas dos enrolamentos, mancais e ambiente.

Relé polarizado

Um relé polarizado posiciona a armadura entre os polos de um ímã permanente para aumentar a sensibilidade. Esses relés foram usados em centrais telefônicas de barras cruzadas em meados do século XX para detectar pulsos fracos e corrigir distorção telegráfica.

Relé de palheta

De cima para baixo, interruptor de palheta monopolar, interruptor de palheta de quatro polos e relé de palheta monopolar. Escala em centímetros

Um relé de palheta é um interruptor de palheta colocado dentro de um solenoide. O interruptor possui contatos em um tubo de vidro em vácuo ou preenchido por gás inerte, que os protege contra corrosão atmosférica. Os contatos são feitos de material magnético, o que faz com que se movam sob a ação do campo do solenoide que os envolve ou de um ímã externo.

Relés de palheta podem comutar mais rapidamente que relés maiores e exigem pouca potência do circuito de controle. Em contrapartida, suas capacidades de corrente e tensão de comutação são relativamente baixas. As palhetas também podem sofrer magnetização residual em determinadas condições. A orientação do conjunto e a presença de campos magnéticos externos precisam ser consideradas no projeto.

Contatos selados e umedecidos por mercúrio foram desenvolvidos para obter longa vida de operação e pouco ressalto de contato.

Relés de segurança

Relés de segurança são usados na execução e monitoração de funções destinadas a levar uma máquina a uma condição segura quando ocorre uma situação de perigo. Podem, por exemplo, monitorar paradas de emergência, proteções móveis e a imobilização de um acionamento.

Contator de estado sólido

Um contator de estado sólido é um relé de estado sólido para serviço pesado, com o dissipador de calor necessário, usado em aplicações que exigem ciclos frequentes de liga e desliga, como aquecedores elétricos, pequenos motores elétricos e cargas de iluminação. Não há contatos mecânicos sujeitos a desgaste nem ressalto de contatos causado por vibração. O acionamento pode ser feito por sinais de controle em CA ou CC provenientes de controladores lógicos programáveis (CLPs), computadores, fontes de lógica transistor-transistor (TTL), microprocessadores ou microcontroladores.

Relé de estado sólido

Relés de estado sólido não possuem contatos móveis

Contatores de estado sólido de 25 A e 40 A

Um relé de estado sólido (SSR) é um dispositivo de eletrônica de estado sólido que executa uma função de comutação semelhante à de um relé eletromecânico, mas sem contatos mecânicos móveis. Em vez de uma armadura e contatos acionados por um solenoide, ele usa um tiristor, TRIAC, transistor ou outro dispositivo semicondutor de potência. Um optoisolador, formado, por exemplo, por um diodo emissor de luz (LED) acoplado a um dispositivo fotossensível, pode proporcionar isolamento entre o circuito de controle e o circuito da carga.

A ausência de contatos móveis elimina o desgaste mecânico e o ressalto de contatos e permite comutação rápida. Isso não significa que o SSR não tenha limitações de vida ou dissipação. O dispositivo semicondutor apresenta uma queda de tensão quando ligado, uma corrente de fuga quando desligado e produz calor durante a condução. A corrente admissível pode depender do dissipador de calor e da temperatura ambiente. Relés eletromecânicos, por sua vez, podem apresentar resistência muito baixa quando os contatos estão fechados, mas suas peças móveis limitam a velocidade de comutação e estão sujeitas a desgaste, arco e soldagem dos contatos.

Em SSRs destinados a muitas cargas resistivas de corrente alternada, um circuito de passagem por zero pode ligar a saída quando a tensão está próxima de zero, reduzindo ruído e alguns transitórios de comutação. Essa técnica não é adequada a todas as cargas. Em transformadores e outras cargas com núcleo magnético saturável, ligar próximo da passagem por zero pode produzir uma corrente de magnetização muito maior que a corrente de regime. Nessas aplicações, a estratégia de comutação precisa considerar a carga específica.

Relé estático

Um relé estático usa circuitos eletrônicos para executar funções que, nos relés eletromecânicos, dependem do movimento de armaduras e contatos.

Relé programável

No uso industrial, relé programável ou relé inteligente é o nome dado a um pequeno controlador lógico programável destinado a automações relativamente simples. O termo não designa um mecanismo de contato eletromecânico específico. Esses módulos reúnem entradas, saídas, temporizadores, contadores e funções lógicas e podem ser programados, em certos modelos, em linguagem ladder ou por diagramas de blocos funcionais.

Relé temporizado

Relés temporizados são configurados para introduzir um atraso intencional na operação dos contatos. Para um atraso muito curto, de uma fração de segundo, pode-se usar um disco de cobre associado ao circuito magnético. Correntes induzidas no disco mantêm o fluxo magnético por um curto período e prolongam o tempo de liberação. Para atrasos um pouco maiores, podem ser usados mecanismos pneumáticos ou hidráulicos. O período pode ser ajustado pela alteração da vazão. Para intervalos maiores, relés antigos podiam empregar mecanismos de relojoaria. Relés temporizados eletrônicos e baseados em microprocessadores permitem temporização precisa numa faixa muito maior.

Alguns relés são construídos com um mecanismo de amortecimento acoplado à armadura que impede seu movimento completo e imediato quando a bobina é energizada ou desenergizada. O atraso pode ser projetado para ocorrer na energização, na desenergização ou em ambas.

Os contatos de um relé temporizado precisam ser especificados não só como normalmente abertos ou normalmente fechados, mas também conforme o atraso atua no fechamento ou na abertura. Um exemplo é o contato normalmente aberto com fechamento temporizado, conhecido pela sigla inglesa NOTC. Quando a bobina está desenergizada, o contato permanece aberto. A aplicação de energia à bobina fecha o contato somente depois que ela permanece energizada pelo intervalo especificado. Esse arranjo também é chamado de normalmente aberto com atraso na energização.

Relé a vácuo

Um relé a vácuo mantém seus contatos dentro de um invólucro evacuado. A elevada rigidez dielétrica do vácuo permite trabalhar com tensões altas e pequenas distâncias entre contatos. Esses relés são empregados em radiofrequência, transmissores, redes de formação de pulsos e sistemas de alta tensão. Há modelos para dezenas de quilovolts.

Aplicações

Relé DPDT com bobina de CA e encapsulamento do tipo "cubo de gelo"

Relés são usados quando é necessário controlar um circuito de alta potência ou alta tensão a partir de um circuito de baixa potência, em especial quando se deseja isolamento galvânico. O primeiro emprego de relés ocorreu em longas linhas de telégrafo elétrico, nas quais o sinal fraco recebido em uma estação intermediária acionava um contato e regenerava o sinal para o trecho seguinte. Dispositivos de alta tensão ou alta corrente podem ser controlados por fiação e interruptores-piloto de baixa potência. O operador também pode ficar isolado do circuito de alta tensão. Dispositivos de baixa potência, como microprocessadores, podem acionar relés para controlar cargas elétricas que excedem sua capacidade direta de acionamento. Em automóveis, o relé de partida permite controlar a corrente elevada do motor de arranque com fios e contatos menores no circuito da chave de ignição.

Sistemas de comutação eletromecânicos, entre eles centrais telefônicas Strowger e de barras cruzadas, usaram muitos relés em circuitos auxiliares de controle. A Relay Automatic Telephone Company também fabricou centrais baseadas inteiramente em técnicas de comutação por relés projetadas por Gotthilf Ansgarius Betulander. A primeira central telefônica pública desse tipo no Reino Unido foi inaugurada em Fleetwood em 15 de julho de 1922.

O uso de relés no controle lógico de sistemas de comutação, como centrais telefônicas, foi estudado por Claude Shannon, que formalizou a aplicação da álgebra booliana ao projeto de circuitos de relés em A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits. Relés podem executar as operações elementares da lógica combinacional booleana. A função AND, por exemplo, pode ser realizada com contatos normalmente abertos ligados em série, e a função OR com contatos normalmente abertos ligados em paralelo. A inversão de uma entrada lógica pode ser feita com um contato normalmente fechado. Relés também foram usados no controle de sistemas automatizados de máquinas-ferramenta e linhas de produção. A linguagem ladder é usada com frequência para projetar redes de lógica de relés.

Os primeiros computadores eletromecânicos, como o ARRA, o Harvard Mark II, o Z2 e o Z3, usaram relés em circuitos lógicos e registradores de trabalho. Dispositivos eletrônicos permitiram velocidades de operação muito maiores.

Em certos ambientes com radiação, relés e interruptores eletromecânicos podem ser menos suscetíveis aos efeitos da radiação que dispositivos semicondutores de comutação. Essa característica foi levada em conta em projetos aeroespaciais, embora relés eletromecânicos tenham outras limitações, como desgaste, vida mecânica e menor velocidade de comutação.

Relés de proteção

Ver artigo principal: Relé de proteção

Na proteção de equipamentos elétricos e linhas de transmissão, relés eletromecânicos com características de operação precisas foram usados para detectar sobrecargas, curtos-circuitos e outras falhas. Muitos desses relés permanecem em serviço, enquanto relés digitais de proteção executam funções equivalentes e outras mais elaboradas.

Relés digitais podem reunir proteção, controle, medição e monitoramento em um único equipamento. Alguns modelos também registram eventos e formas de onda por oscilografia, permitindo analisar o comportamento do sistema antes, durante e depois de uma falta.

Sinalização ferroviária

Parte de um intertravamento de relés que usa relés britânicos miniatura de encaixe do tipo Q

Relés empregados em sinalização ferroviária são construídos para circuitos em que determinados modos de falha precisam produzir uma condição restritiva. Sistemas de intertravamento baseados em relés permanecem em operação em algumas redes depois de mais de cinquenta anos de serviço.

Para reduzir o risco de uma alimentação indevida energizar um relé de maneira insegura, circuitos ferroviários podem empregar comutação dupla, ou double cutting, com contatos interrompendo os dois lados do circuito. Dessa forma, uma única alimentação falsa em um dos lados não basta para energizar o relé quando as condições de segurança não foram satisfeitas.

Em linhas eletrificadas, alguns relés são construídos para não operar indevidamente por tensões alternadas induzidas. Em relés ferroviários do tipo QTA2, por exemplo, um anel de cobre no núcleo é usado para obter imunidade a CA. Outros modelos combinam esse recurso com um ímã permanente de polarização.

Optoisoladores também são usados em certos sistemas de sinalização, principalmente em interfaces nas quais não é necessário o conjunto de características mecânicas de um relé ferroviário.

No Brasil, o Manual de Custos Referenciais Ferroviários da Agência Nacional de Transportes Terrestres trata o circuito de via como um sistema elétrico formado por relés, resistores, cabos e elementos isolantes. Em uma configuração básica, o relé permanece energizado quando o bloco está livre. A passagem do trem deriva a corrente pelos rodeiros e trilhos, desenergiza o relé e permite que o sistema detecte a ocupação do trecho.

Critérios de seleção

Relés de 30 contatos em circuitos "Connector" de centrais telefônicas 1XB e 5XB de meados do século XX, com uma das tampas removida

A escolha de um relé adequado para uma aplicação exige considerar diferentes fatores:

• Número e tipo de contatos, normalmente abertos, normalmente fechados ou comutadores.
• Sequência dos contatos, "fecha antes de abrir" ou "abre antes de fechar". Centrais telefônicas antigas, por exemplo, exigiam fechamento antes da abertura para não interromper a conexão durante a discagem.
• Corrente nominal dos contatos. Relés pequenos podem comutar poucos ampères, enquanto contatores são fabricados para correntes muito maiores.
• Tensão nominal dos contatos. Relés de controle comuns trabalham em tensões relativamente baixas ou moderadas, enquanto relés especiais a vácuo ou preenchidos por gás podem ser especificados para dezenas de quilovolts.
• Vida elétrica e vida mecânica. A vida dos contatos depende da tensão e corrente, da natureza da carga, da frequência de comutação, da formação de arcos e do material dos contatos.
• Tensão da bobina. Há relés para diferentes tensões e para alimentação em CA ou CC.
• Corrente e potência da bobina, incluindo as condições necessárias para atuação e retenção e o aquecimento durante diferentes ciclos de trabalho.
• Encapsulamento. Pode ser aberto, protegido contra toque, selado, adequado para uso externo ou construído para áreas perigosas, conforme a aplicação.
• Ambiente de operação, incluindo temperaturas mínima e máxima, umidade, vibração, contaminação e presença de sal ou gases corrosivos.
• Montagem, como soquete, placa de circuito impresso, trilho DIN, painel ou fixação em equipamento.
• Tempo de atuação e de liberação, quando se exige alta velocidade.
• Comutação de sinais de nível muito baixo, chamada de dry circuit em especificações em inglês. Nessa condição, podem ser necessários materiais de contato como ouro ou ligas apropriadas para manter baixa resistência e pequeno ruído elétrico.
• Proteção dos contatos para reduzir arcos e sobretensões produzidos por cargas indutivas.
• Proteção do circuito de acionamento contra a sobretensão produzida pela bobina ao ser desenergizada.
• Isolamento entre a bobina e os contatos.
• Ensaios para uso aeroespacial, resistência à radiação ou outros requisitos especiais.
• Cargas mecânicas causadas por aceleração, choque e vibração.
• Tamanho. Relés menores podem apresentar maior resistência a determinadas vibrações e choques devido à menor massa das partes móveis, enquanto relés maiores costumam comportar contatos capazes de trabalhar com correntes e tensões maiores.
• Acessórios, como temporizadores, contatos auxiliares, lâmpadas-piloto e botões de teste.
• Aprovações regulatórias.
• Acoplamento magnético indesejado entre bobinas de relés próximos.

Além da tensão nominal da bobina, as especificações podem indicar a tensão de atuação e a tensão de liberação. A tensão de atuação é a tensão mínima na qual o fabricante garante a atuação nas condições especificadas. A tensão de liberação é a tensão máxima na qual o relé deve retornar ao estado de repouso à medida que a tensão da bobina diminui. Esses parâmetros são especificados sob condições definidas de ensaio.

A velocidade, a sensibilidade e a histerese também podem ser relevantes. Relés de controle comuns operam em alguns milissegundos ou dezenas de milissegundos, enquanto determinados relés de palheta são muito mais rápidos e adequados à comutação de pequenas correntes.

Como em qualquer interruptor, a corrente nos contatos não é determinada pela corrente da bobina e precisa permanecer dentro das especificações de comutação. Certas cargas apresentam correntes de irrupção muito superiores à corrente de regime. Motores podem consumir correntes de partida de várias vezes a corrente normal. Transformadores podem apresentar forte corrente de magnetização, lâmpadas incandescentes apresentam corrente elevada enquanto o filamento está frio e cargas capacitivas podem produzir um pulso intenso de carga dos capacitores.

Quando um circuito que contém uma carga indutiva energizada é aberto, a corrente não pode cair instantaneamente. A energia armazenada no campo magnético pode produzir uma tensão elevada e sustentar um arco entre os contatos em separação. Por isso, a especificação de um relé pode fornecer capacidades diferentes para fechamento, condução contínua e interrupção. A relação entre esses valores depende da carga, da tensão, de ser CA ou CC e das condições de ensaio. Ela não deve ser inferida apenas da corrente contínua nominal.

Segurança e confiabilidade

Ver artigo principal: Supressão de arco

A comutação sob carga pode produzir arcos entre os contatos. Com operações repetidas, o arco causa transferência e perda de material, formação de crateras, aumento da resistência de contato e, em casos extremos, soldagem dos contatos ou incapacidade de estabelecer uma conexão confiável.

No Number One Electronic Switching System (1ESS) e em certos outros projetos de alta confiabilidade, os interruptores de palheta eram comutados "a seco", sem corrente de carga presente no instante da operação, para reduzir o desgaste dos contatos.

A severidade do arco depende fortemente da carga. Uma carga indutiva pode manter corrente após o início da separação dos contatos, prolongando o arco. Uma carga com grande corrente de irrupção pode causar soldagem durante o fechamento. Lâmpadas incandescentes, por exemplo, podem apresentar uma corrente inicial de cerca de 10 a 15 vezes a corrente de regime, enquanto motores, transformadores e cargas capacitivas têm seus próprios perfis de irrupção. Circuitos snubber, diodos, varistores e outros dispositivos podem ser usados conforme o tipo de carga para reduzir os transitórios e o desgaste.

A vida elétrica não deve ser confundida com a vida mecânica. Em relés de uso geral e de potência, uma especificação de vida elétrica de cerca de 100.000 operações na carga nominal é comum, enquanto a vida mecânica pode chegar a um milhão, dez milhões ou até cem milhões de operações. A vida elétrica real depende da carga comutada e pode aumentar muito quando os contatos trabalham abaixo de sua capacidade nominal. A supressão adequada do arco também pode prolongar a vida dos contatos.

Ver também

• Contator, dispositivo eletromecânico usado para comutar cargas de corrente mais elevada
• Relé de estado sólido, dispositivo que realiza a comutação sem contatos mecânicos
• Relé de proteção, relé empregado na detecção de faltas em sistemas elétricos
• Relé de Buchholz, relé usado na proteção de transformadores imersos em óleo
• Disjuntor, dispositivo de proteção e interrupção de circuitos elétricos
• Interruptor, dispositivo que estabelece ou interrompe um circuito

Ligações externas

• Electromagnetic relays and Solid-State Relays (SSR), general technical descriptions, functions, shutdown behaviour and design features