Controlar dispositivos AC com Relé de Estado Sólido

Neste tutorial, vais aprender a controlar dispositivos AC, como luzes, ventoinhas ou motores, com um Módulo de Relé de Estado Sólido e um Arduino UNO. Em comparação com relés mecânicos, os Relés de Estado Sólido (SSR) são silenciosos e podem comutar muito mais rápido e com maior frequência.

No entanto, nota que este tipo específico de relé só pode ser usado para comutar dispositivos AC, por exemplo, luzes que funcionam com ~110V ou ~220V corrente alternada (AC). Não podes usá-lo para controlar dispositivos que funcionem com corrente contínua (DC).

Vou usar uma luz LED COB como exemplo de dispositivo AC que pode ser controlado por um Módulo de Relé de Estado Sólido. Podes escolher facilmente o teu próprio dispositivo. Apenas certifica-te de que o consumo de energia é inferior a 400 Watts, pois esse é aproximadamente o máximo que o Relé de Estado Sólido que estamos a usar aqui consegue comutar.

Peças Necessárias

Abaixo encontras as peças necessárias para este projeto. Obviamente, vais precisar de um Módulo de Relé de Estado Sólido. Mas atenção, existem módulos acionados por nível baixo e por nível alto. Nível baixo significa que o relé liga quando o sinal de entrada está baixo. Esse é o tipo que estamos a usar neste tutorial. Se comprares um Módulo de Relé de Estado Sólido, lê a descrição cuidadosamente para garantir que escolhes o correto.

Além do Relé de Estado Sólido, vais precisar de um microcontrolador. Eu escolhi um Arduino UNO, mas podes usar qualquer outro Arduino também. Se quiseres usar um ESP32, é possível, mas precisas de uma placa que forneça uma saída de alimentação de 5V.

Quanto ao dispositivo AC, quis controlar uma luz LED COB. Elas funcionam com ~110V ou ~220V. Listei o modelo de ~110V abaixo. Deves escolher um que corresponda à tensão da rede elétrica no teu país.

Nota que as luzes LED COB são muito brilhantes e aquecem bastante. Se quiseres ligá-las por mais de um segundo, deves usar um dissipador de calor, preferencialmente com uma ventoinha! Listei um dissipador abaixo.

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Relés Mecânicos versus Relés de Estado Sólido

Vamos falar rapidamente sobre as diferenças entre os comuns Relés Mecânicos e o Relé de Estado Sólido que estamos a usar neste tutorial.

Relé Mecânico

Um relé mecânico é o tipo tradicional que usa um eletroímã para mover fisicamente um conjunto de contactos. Quando a corrente passa pela bobina, cria-se um campo magnético que puxa uma pequena armadura e fecha ou abre os contactos do interruptor. Como a comutação é feita mecanicamente, muitas vezes ouves um “clique” distinto cada vez que o relé muda de estado.

Os relés mecânicos são bastante versáteis, podem lidar com cargas AC e DC, e normalmente são mais acessíveis do que os seus equivalentes de estado sólido. Também são muito robustos para comutar altas tensões e correntes, tornando-os uma escolha popular em sistemas de controlo industriais, eletrónica automóvel e eletrodomésticos.

No entanto, as partes móveis introduzem limitações. Os contactos desgastam-se com o tempo devido ao arco elétrico ao comutar cargas indutivas, o que reduz a sua vida útil. O movimento mecânico também os torna mais lentos, com tempos de comutação geralmente entre 5 a 15 milissegundos. Além disso, geram ruído elétrico ao comutar, o que pode interferir com circuitos sensíveis.

Se quiseres saber mais sobre Relés Mecânicos, dá uma vista de olhos aos nossos How To Use A Relay With Arduino e aos Interfacing a Relay Module With ESP32 – A Complete Guide tutoriais.

Relé de Estado Sólido

Um Relé de Estado Sólido (SSR), por outro lado, não tem partes móveis. Em vez de contactos físicos, usa componentes semicondutores como optoacopladores, TRIACs, tiristores ou MOSFETs para realizar a comutação.

Este design torna-os muito mais rápidos do que os relés mecânicos, com tempos de comutação frequentemente em microssegundos em vez de milissegundos. Como não há contactos físicos, são silenciosos na operação e têm uma vida útil muito maior, pois não há desgaste mecânico nem arco elétrico envolvido.

São também mais resistentes a vibrações e choques, o que os torna adequados para ambientes onde a fiabilidade e durabilidade são críticas. Outra vantagem é o seu menor consumo de energia de controlo: muitos SSRs podem ser acionados diretamente a partir das saídas de nível lógico de um microcontrolador como o Arduino, sem necessidade de um transistor externo.

Apesar destas vantagens, os relés de estado sólido têm as suas desvantagens. Como usam dispositivos semicondutores, normalmente introduzem uma pequena queda de tensão na saída, o que gera calor. Isso significa que os SSRs frequentemente precisam de dissipadores de calor ao conduzir cargas de alta corrente.

Podem também deixar passar uma pequena corrente mesmo quando desligados, o que pode ser problemático em aplicações que exigem um circuito verdadeiramente aberto. Além disso, enquanto os relés mecânicos podem comutar AC e DC facilmente, a maioria dos SSRs é otimizada para cargas AC ou DC, não para ambas. Também são geralmente mais caros do que os relés mecânicos.

Resumo

Na prática, a escolha entre relés mecânicos e de estado sólido depende muito da aplicação. Se precisares de comutar grandes correntes ocasionalmente, quiseres uma solução económica e não te importares com o som do clique, um relé mecânico é geralmente a escolha certa.

Se precisares de comutação rápida, silenciosa e fiável, especialmente em ambientes onde o relé será acionado com muita frequência ou onde a longevidade é importante, então um relé de estado sólido é a melhor opção.

Módulo de Relé de Estado Sólido

Podes controlar um Relé de Estado Sólido diretamente, mas para facilitar o uso com um microcontrolador e por razões de segurança, normalmente queres algumas peças extra e usas um Módulo de Relé de Estado Sólido, em vez do relé “puro”. A imagem abaixo mostra o Módulo de Relé de Estado Sólido que estamos a usar neste tutorial:

O grande bloco quadrado preto no meio é o Relé de Estado Sólido (SSR) propriamente dito. É um G3MB-202P com uma tensão de entrada de 5V DC que pode comutar cargas AC até 240VAC com 2 Amperes:

Nota que existem várias variantes do G3MB com diferentes tensões de entrada e carga, como mostrado na tabela seguinte:

Para mais detalhes, vê o Datasheet for the G3MB Solid State Relay.

Circuito do Módulo

Como mencionado, um Módulo de Relé de Estado Sólido contém peças adicionais em torno do relé propriamente dito. O diagrama abaixo mostra o circuito típico de um Módulo de Relé de Estado Sólido baseado no G3MB-202P:

Vamos analisar o circuito mais de perto: O díodo 1N4007 (D1) protege o circuito de entrada e o SSR G3MB-202P de uma ligação de polaridade invertida.

O transistor driver S8050 (T1) liga o SSR quando um sinal de nível lógico alto (H) é aplicado ao pino SIG do conector de entrada. Existe outra versão (e é essa que estamos a usar aqui), com entrada de comutação ativa em nível baixo (L) que usa o transistor S8550. Se olhares atentamente para a parte inferior do módulo, podes ler “Low Level Trigger”:

O módulo precisa de uma alimentação de 5V DC através do pino 5V do conector de entrada e a corrente típica de operação é cerca de 10mA.

A tensão do sinal de controlo de entrada (SIG) deve estar entre 0-2,5V para o nível baixo (relé DESLIGADO) e entre 3-5V para o nível alto (relé LIGADO). Isso é para a versão ativa em nível baixo que estamos a usar aqui. O circuito também contém um LED vermelho (LED1), que acende quando o relé está no estado LIGADO.

Os contactos de comutação (SW-1 & SW-2) são usados para comutar cargas AC de 240V até 2A e o fusível (F1) serve como proteção de saída. Isso significa que podes comutar dispositivos AC até 240V×2A=480W, mas para segurança, deves limitar-te a 400 Watts.

Componentes do Módulo de Relé de Estado Sólido

Se olhares para o Módulo de Relé de Estado Sólido de cima, podes identificar as partes mais importantes do circuito:

Uma palavra final sobre o layout do módulo. Vais notar que o lado de alta tensão está muito próximo dos pinos e trilhos de baixa tensão. Teria sido melhor alterar a orientação do G3MB-202P na PCB para afastar mais o lado de alta e baixa tensão.

Ligação do Módulo de Relé de Estado Sólido ao Arduino

Nesta secção, vamos ligar o Módulo de Relé de Estado Sólido a um Arduino UNO. Começa por ligar o 5V do Arduino à entrada DC+ do Módulo SSR e o GND à entrada DC-. O sinal de entrada CH1 do Módulo pode ser ligado a qualquer pino digital de saída do Arduino. Eu escolhi o GPIO 13, mas qualquer outro GPIO digital também funciona.

No lado de alta tensão, precisas de ligar a tua fonte de tensão AC à carga AC, por exemplo, uma lâmpada, através do lado de comutação do Módulo. Tem muito cuidado ao manusear tensões elevadas!

Para fins de teste, liguei uma luz LED COB de 220V, 50 Watts como carga, conforme mostrado abaixo:

Como não usei um dissipador de calor, tive de garantir que a luz LED COB só fosse ligada por períodos muito curtos! O exemplo de código na secção seguinte ativa a luz LED COB apenas por 100 milissegundos. Como mencionado, se quiseres ligar a luz LED COB por mais tempo, deves usar um dissipador de calor – preferencialmente com ventoinha!

Código para Controlar Dispositivos AC com Relé de Estado Sólido

O código seguinte mostra como controlar um dispositivo AC com o Relé de Estado Sólido. É essencialmente o programa simples Blink. Liga a saída (lâmpada) por 100 milissegundos e depois desliga por 1 segundo:

const byte relayPin = 13;

void setup() {
  pinMode(relayPin, OUTPUT);
}

void loop() {
  // Relay ON    
  digitalWrite(relayPin, LOW);   
  delay(100);    

  // Relay OFF
  digitalWrite(relayPin, HIGH); 
  delay(1000);  
}  

Nota que a lógica está invertida (LOW significa LIGADO) e (HIGH significa DESLIGADO), pois estamos a usar um Módulo SSR acionado por nível baixo. Se tiveres um SSR acionado por nível alto, basta inverter a lógica.

Com este código e uma luz LED COB, obténs essencialmente um flash muito brilhante que pode ser usado como parte de um sistema de alarme para assustar intrusos. O efeito estroboscópico é muito perturbador e ofuscante.

Conclusões e Comentários

Neste tutorial aprendeste a controlar uma luz LED COB com um Relé de Estado Sólido G3MB-202P e um Arduino. Como o G3MB-202P interpreta um nível de entrada entre 3V e 5V como alto, podes usar um ESP32 para o controlar. No entanto, o G3MB-202P também requer 5V para alimentação, pelo que precisarás de um ESP32 com um pino de alimentação de 5V.

Os Relés de Estado Sólido são ótimos se precisares de comutação rápida, silenciosa e frequente. Mas são mais caros do que os Relés Mecânicos e normalmente comutam cargas AC ou DC, mas não ambas.

Se precisares de comutar grandes correntes ocasionalmente, os Relés Mecânicos são muitas vezes uma escolha melhor. Para aprender mais sobre Relés Mecânicos, dá uma vista de olhos aos nossos How To Use A Relay With Arduino e aos Interfacing a Relay Module With ESP32 tutoriais.

Se tiveres alguma dúvida, sente-te à vontade para deixá-la na secção de comentários.

Boas experiências ; )