Relé
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.
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.
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.
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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: 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.
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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. 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.
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.
Relé biestável
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.
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.
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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.
Relés 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
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.
Critérios de seleção
A escolha de um relé adequado para uma aplicação exige considerar diferentes fatores: 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.
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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.
