SSR ou relés de estado sólido são interruptores elétricos de alta potência que funcionam sem envolver contatos mecânicos, em vez disso, eles usam semicondutores de estado sólido como MOSFETs para alternar uma carga elétrica.
Os SSRs podem ser usados para operar cargas de alta potência, através de uma pequena tensão de disparo de entrada com corrente insignificante.
Esses dispositivos podem ser usados para operar cargas CA de alta potência, bem como cargas CC.
Os relés de estado sólido são altamente eficientes em comparação com os relés eletromecânicos devido a algumas características distintas.
Principais características e vantagens do SSR
As principais características e vantagens dos relés de estado sólido ou SSRs está:
- Os SSRs podem ser construídos facilmente usando um número mínimo de peças eletrônicas comuns
- Eles funcionam sem qualquer tipo de som de clique devido à ausência de contatos mecânicos.
- Ser de estado sólido também significa que os SSRs podem alternar a uma velocidade muito mais rápida do que os tipos eletromecânicos tradicionais.
- Os SSRs não dependem de alimentação externa para LIGAR, mas extraem a alimentação da própria carga.
- Eles funcionam com corrente insignificante e, portanto, não drenam a bateria em sistemas operados por bateria. Isso também garante uma corrente ociosa insignificante para o dispositivo.
Conceito básico de trabalho SSR usando MOSFETs
Em um dos meus posts anteriores, expliquei como um interruptor bidirecional baseado em MOSFET poderia ser usado para operar qualquer carga elétrica desejada, assim como um interruptor mecânico padrão, mas com vantagens excepcionais.
O mesmo conceito de chave bidirecional MOSFET pode ser aplicado para fazer um dispositivo SSR ideal.
Para um SSR baseado em Triac, consulte este post
Projeto básico de SSR
No projeto básico de SSR mostrado acima, podemos ver alguns MOSFETs adequadamente classificados T1 e T2 conectados de trás para frente com seus terminais de fonte e porta unidos entre si.
D1 e D2 são diodos internos do corpo através do dreno/fonte dos respectivos MOSFETs.
Uma fonte de alimentação CC de entrada também pode ser vista conectada nos terminais comuns de porta/fonte dos dois MOSFETs. Esta fonte é usada para acionar os MOSFETs ON ou para habilitar a ativação permanente dos MOSFETs enquanto a unidade SSR estiver operacional.
A alimentação CA que pode ser até o nível da rede elétrica e a carga são conectadas em série através dos dois drenos dos MOSFETs.
Como funciona
O funcionamento do relé de estado vendido proposto pode ser entendido consultando o diagrama a seguir e os detalhes correspondentes:
Com a configuração acima, devido à alimentação da porta de entrada conectada, T1 e T2 estão ambos na posição ligada. Quando a entrada CA do lado da carga está ligada, o diagrama esquerdo mostra como o meio ciclo positivo conduz através do par MOSFET/diodo relevante (T1, D2) e o diagrama do lado direito mostra como o ciclo CA negativo conduz através do outro MOSFET/diodo complementar. par de diodos (T2, D1).
No diagrama da esquerda, encontramos um dos meios ciclos AC passando por T1 e D2 (T2 sendo polarizado inversamente) e, finalmente, completa o ciclo através da carga.
O diagrama do lado direito mostra como o outro meio ciclo completa o circuito na direção oposta, conduzindo através da carga, T2, D1 (T1 sendo polarizado inversamente neste caso).
Desta forma, os dois MOSFETs T1, T2, juntamente com seus respectivos diodos de corpo de dreno/fonte D1, D2, permitem que ambos os semiciclos do AC conduzam, alimentando a carga AC perfeitamente e realizando o papel SSR de forma eficiente.
Aqui está um trecho da folha de dados do artigo.
Vídeo mostrando o teste do circuito SSR acima
Fazendo um circuito SSR prático
Até agora aprendemos o projeto teórico de um SSR, agora vamos avançar e ver como um módulo de relé de estado sólido prático poderia ser construído, para chavear uma carga CA de alta potência desejada, sem qualquer entrada CC externa.
O circuito SSR acima é configurado exatamente da mesma maneira discutida no projeto básico anterior. No entanto, aqui encontramos dois diodos adicionais D1 e D2, juntamente com os diodos do corpo interno MOSFET D3, D4.
Os diodos D1, D2 são introduzidos para um propósito específico, de modo que forma uma ponte retificadora em conjunto com os diodos do corpo D3, D4 MOSFET.
O pequeno interruptor de desligar pode ser usado para ligar/desligar o SSR. Este interruptor pode ser um interruptor reed ou qualquer interruptor de baixa corrente.
Para comutação de alta velocidade, você pode substituir a chave por um optoacoplador conforme mostrado abaixo.
Em essência, o circuito agora atende a 3 requisitos.
- Ele alimenta a carga AC através da configuração MOSFET/Diode SSR.
- O retificador em ponte formado por D1—D4 converte simultaneamente a entrada CA de carga em CC retificada e filtrada, e esta CC é utilizada para polarizar as portas dos MOSFETs. Isso permite que os MOSFETs sejam ligados adequadamente através da própria carga CA, sem depender de qualquer CC externa.
- A CC retificada é ainda terminada como uma saída CC auxiliar que pode ser usada para alimentar qualquer carga externa adequada.
Problema no circuito
Um olhar mais atento ao design acima sugere que este design SSR pode ter problemas para implementar a função pretendida de forma eficiente. Isso porque, no momento em que a CC de comutação chegar ao portão do MOSFET, ele começará a ligar, causando um bypass da corrente pelo dreno/fonte, esgotando a tensão do portão/fonte.
Vamos considerar o MOSFET T1. Assim que a CC retificada começar a atingir a porta de T1, ela começará a LIGAR à direita a partir de cerca de 4 V, causando um efeito de bypass da alimentação através de seus terminais dreno/fonte. Durante este momento, o DC lutará para subir através do diodo zener e começar a cair em direção a zero.
Isso, por sua vez, fará com que o MOSFET desligue, e o tipo de luta contínua ou um cabo de guerra ocorrerá entre o dreno/fonte do MOSFET e o portão/fonte do MOSFET, impedindo que o SSR funcione corretamente.
A solução
A solução para o problema acima pode ser realizada usando o seguinte exemplo de conceito de circuito.
O objetivo aqui é garantir que os MOSFETs não conduzam até que um ótimo 15 V seja desenvolvido através do diodo zener ou através da porta/fonte dos MOSFETs
O amplificador operacional garante que sua saída seja acionada apenas quando a linha CC cruzar o limite de referência do diodo zener de 15 V, o que permite que as portas MOSFET obtenham 15 V CC ideal para a condução.
A linha vermelha associada ao pino 3 do IC 741 pode ser alternada através de um acoplador óptico para a comutação necessária de uma fonte externa.
Como funciona: Como podemos ver, a entrada inversora do amplificador operacional está ligada ao zener de 15V, que forma um nível de referência para o pino2 do amplificador operacional. Pin3 que é a entrada não inversora do amplificador operacional está conectado com a linha positiva. Essa configuração garante que a saída do pino6 do amplificador operacional produza uma alimentação de 15V apenas quando a tensão do pino3 atingir a marca de 15V.
Comutação Isolada
A principal característica de qualquer SSR é possibilitar ao usuário uma comutação isolada do dispositivo através de um sinal externo.
O design baseado em amplificador operacional acima pode ser facilitado com esse recurso, conforme demonstrado no seguinte conceito:
Como os diodos funcionam como retificador de ponte
Durante os semiciclos positivos, a corrente se move através de D1, 100k, zener, D3 e volta para a fonte AC.
Durante o outro meio ciclo, a corrente passa por D2, 100k, zener, D4 e volta para a fonte AC.
Referência: SSR
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FONTE
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