Sumário A evolução das interfaces usadas na proteção e no chaveamento de cargas 01 História 02 Primeiros sinais de evolução 02 Introdução das Placa de Circuito Impresso 03 Relé + Base + Módulo 03 Interface SLIM 03 MasterINTERFACE 04 Dimensionamento 04 Princípios de Funcionamento 05 Aplicações x Mercados 06 Características Gerais das Interfaces 07
A evolução das interfaces usadas na proteção e no chaveamento de cargas O termo Interface remete a uma série de possíveis dispositivos amplamente utilizados em automação e instalações elétricas em geral. Este artigo apresentará as etapas de evolução das interfaces baseadas em relés construídos com as tecnologias: eletromecânico e de estado sólido, destinadas à proteção de equipamentos eletrônicos sensíveis como é o caso dos Controladores Lógico-Programáveis (PLC s) e também aplicados no chaveamento de cargas, sejam elas resistivas, indutivas ou capacitivas.
História A história das interfaces à relé começa com relés soldados em uma placa conhecida como placa Celeron, onde os terminais dos relés eram conectados a fios condutores por meio de solda e a fixação nos painéis elétricos era feita através de parafusos (conforme fig.1). Esse modelo de Interface a Relé, muito aplicado na década de 70 permitia a concentração dos relés numa só placa e organizava a instalação dos relés responsáveis pelo chaveamento das cargas e pelas isolações galvânicas entre circuitos. Contudo, a constante evolução das instalações elétricas e as ofertas cada vez maiores de equipamentos com necessidades distintas de chaveamento, aumentaram exponencialmente o número de relés usados e, com isso, o parque instalado tornou-se cada vez maior, gerando necessidade constante de substituições. As interfaces com esta característica construtiva, relés soldados em placa com fios, tornavam-se um pesadelo para as equipes de manutenção ao apresentarem algum problema como o fim da vida elétrica de um dos relés. Por exemplo, considerando uma única placa com diversos relés chaveando cargas distintas com frequências de comutação, correntes e tensões das mais variadas, seria comum afirmar que uns relés durariam mais que Figura 1: Interface a Relé com placa Celeron outros, até mesmo poderia haver meses de distância entre o fim da vida elétrica de um relé e fim da vida elétrica de outro, fato que tornava necessária a intervenção para manutenção. Pode-se imaginar o transtorno que era deslocar um técnico de manutenção para efetuar a substituição de um ou mais relés soldados sobre as placas em função da dificuldade de acesso aos relés individualmente. Os reparos refletiam diretamente em elevado número de horas paradas para equipamentos e indisponibilidade de serviços, gerando altos custos agregados à manutenção. Primeiros sinais de evolução Oprimeiro passo na evolução das interfaces a relés tornou possível a manutenção em local diferente da instalação, pois introduziram-se bornes de conexão entre as interfaces e os equipamentos que as comandavam ou aqueles dispositivos (válvulas solenoides, motores etc.) chaveados pelas mesmas (conforme fig. 2). A inserção dos bornes permitiu desconectar todo o conjunto de relés. Com isso, enquanto se realizava a manutenção, era possível conectar outra interface (placa de relés), minimizando assim a indisponibilidade do sistema onde essa interface estava inserida. Entretanto, esta configuração ainda não era suficiente para tornar independentes as cargas chaveadas e a manutenção de um único circuito ainda carregava como consequência a parada de todos os circuitos (cargas) ligados na mesma interface (placa). Figura 2: Interface com Bornes inseridos
Introdução das Placas de Circuito Impresso Figura 3: Interface PCI - Conexão DIN Então, chegamos a um segundo passo na evolução das Interfaces a Relés, com a utilização de PCI s (Placas de Circuito Impresso) onde os componentes eram inseridos nesta placa e a mesma acoplada a uma base plástica com padrão de conexão a trilhos tipo DIN, atendendo a norma EN60715 (conforme fig.3). Aqui, pode-se dizer que temos um dos pontos mais importantes no processo de evolução das Interfaces a Relés, pois a partir desse passo, possibilita-se a individualização dos circuitos não comprometendo mais todos os circuitos de carga em caso de manutenção. Os relés soldados em PCI não podem ser removidos sem desligar a placa. Isso só é possível utilizando uma base, esta sim soldada a PCI, possibilita que os relés sejam removidos individualmente. Relé + Base + Módulo O terceiro passo na evolução apresenta um grande salto tecnológico nas Interfaces a Relés que passaram a contar com três partes na formação do conjunto, sendo elas: Relé, Base e Módulo de sinalização e proteção (conforme fig.4). Com isso, tornou-se possível alcançar flexibilidade e facilidade na manutenção com reflexos diretos na redução de custos, sendo possível a substituição do Relé sem a necessidade de desconexão dos cabos que ligam a interface às cargas e aos circuitos de comando. Figura 4: Interface a Relé com três partes Interface SLIM Figura 5: Interface SLIM com relé eletromecânico Seguindo a tendência de redução de espaço ocupado pelos equipamentos embarcados em painéis elétricos, os fabricantes de Interfaces a Relés criaram a chamada Interface SLIM, produto que geralmente ocupa 6,2 mm de espaço na largura do painel e pode ser equipado com relés eletromecânicos ou de estado sólido (conforme fig. 5). Com possibilidade de conexões dos terminais através de parafusos ou ainda através de molas que incorporam uma excelente alternativa para ambientes de aplicação com altos índices de vibração, como: proximidade de geradores, pontes rolantes, elevadores de carga, etc.
MasterINTERFACE Chegamos enfim, ao passo mais atual da evolução das Interfaces a Relés com a incorporação de um Porta Fusível ao corpo da Interface (conforme fig.6), promovendo proteção as cargas comutadas pelas interfaces com significativa redução de espaço ocupado em painel, pois elimina a necessidade de uso dos bornes fusíveis e diminui o número de conexões elétricas no painel sem alterar a topologia elétrica do projeto. fig. 6: Interface SLIM com porta fusível Conexão Push-in O sistema de conexão Push-in permite uma rápida conexão de cabos rígidos ou com terminal tubular através da simples inserção dentro do terminal (A). É possível abrir o terminal para extrair o cabo, através do acionamento do botão utilizando uma chave de fenda (C). Para cabos flexíveis é necessário primeiro abrir o terminal utilizando o botão, tanto para a extração (C) quanto para a inserção (B). É possível em qualquer momento checar a conexão através da abertura de teste, utilizando uma ponta de prova com diâmetro de 2 mm (D). Figura 7: Conexão Push-in A B C D Figura 8: O sistema Push-in permite rápida conexão de cabos rígidos ou com terminal tubular através da simples inserção dentro do terminal.
Dimensionamento Como toda boa prática de engenharia pede, é importante respeitar alguns princípios conceituais básicos para que se faça um dimensionamento adequado de uma Interface a Relé. O primeiro deles é a escolha da tecnologia mais apropriada à necessidade da aplicação. São dois possíveis caminhos: Relés Eletromecânicos (EMR do inglês Electro Mechanical Relay ) ou Relés de Estado Sólido (SSR do inglês Solid State Relay ). A tabela 1 indica as particularidades de cada uma das tecnologias. É necessário associar as características encontradas na tabela com alguns fatores da aplicação como: frequência de comutação, isto é, o número de ciclos de operação do Relé por minuto, o tipo de carga comutada (Resistiva, Indutiva, Capacitiva), os valores necessários de isolação elétrica, as características de alimentação da interface, o campo de funcionamento, entre outros. Característica Relés Eletromecânicos Relés de Estado Sólido Vida Elétrica a carga nominal Centenas de milhares de ciclos Milhões de ciclos Vida Mecânica Milhões de ciclos Não se aplica Tempo de resposta Milisegundos Microssegundos Compatibilidade com sinais digitais Requer avaliação Total Tipos de Contato NA / NF ou ambos NA Resistência a transitórios Muito alta Baixa Queda de Tensão no contato Muito Baixa Alta - Junção eletrônica Dissipador de calor Não requer Necessita (potências elevadas) Geração de Ruídos Gera ruídos Não gera ruídos Tabela 1: Comparativo de tecnologias EMR/SSR
De maneira elementar, pode-se definir um Relé Eletromecânico como um dispositivo composto por duas partes: Bobina e Contato. Já um Relé de Estado Sólido pode ser definido como um dispositivo composto por um componente eletrônico opto acoplador e um transístor de potência (Power MOS) para comutação de corrente contínua ou um Triac para comutação de corrente alternada. Independente do casamento da necessidade da aplicação com as características de cada tecnologia, o que se espera de uma Interface a Relé é: Acionar mais de um circuito (carga) ao mesmo tempo com um único sinal de comando; Isolar galvanicamente dois circuitos, entrada e saída com sinais elétricos independentes; Acionar circuitos de correntes elevadas com sinais elétricos de baixa corrente; Controlar cargas em corrente alternada com comandos em corrente contínua e vice versa. Princípios de Funcionamento Relé Eletromecânico Relé de Estado Sólido LIMITADOR DE CORRENTE NÚCLEO DE FERRO ARMADURA CONTATO MECÂNICO LED FOTO DETECTOR DISPOSITIVO DE SAÍDA (TRIAC) TRIGGER CIRCUITO SINCRONIZADOR 200mW ACOPLAMENTO MAGNÉTICO ACOPLAMENTO ÓTICO CONTATOS NF C (comum) ARMADURA NA BOBINA CONTATOS DA BOBINA Figura 9: Princípios de Funcionamento de Relé Eletromecânico x Relé de Estado Sólido No que tange ao dimensionamento dos contatos para uma Interface a Relé, faz-se necessária uma análise do tipo de carga a ser comutada, pois existem materiais de contato específicos para cada tipo de carga e este fator influencia diretamente na durabilidade da Interface. Os fatores mais importantes a se atentar no dimensionamento adequado de uma Interface a Relés são: Tipos de carga (Resistiva, Indutiva, Capacitiva, Motores, Lâmpadas, etc.); Correntes de partida pico ; Tensões e correntes nominais que a interface irá comutar; Tempos de atuação, desoperação e frequência de comutação; Isolações dos relés (Entre Bobina e Contatos, entre contatos abertos e adjacentes); Tensão de alimentação e campo de funcionamento das Interfaces; Temperatura ambiente de aplicação. Em caso de dúvidas é sempre importante contatar o suporte técnico do fabricante.
Aplicação x Mercados A evolução das interfaces proporciona diversos tipos de aplicação em diferentes mercados, como: Máquinas e equipamentos Células robotizadas Sistemas de climatização Linhas de montagem Sistemas de manufatura Indústria de processo Painéis de controle e comando Painéis de serviços auxiliares CCM (Controle e Comando de Motor) Automação industrial Automação predial
Interfaces Finder linha de interfaces Finder é uma solução completa para aplicações de interfaceamento entre equipamentos, A comando, sinalização e manobra, sendo amplamente utilizadas nos mais diversos setores do mercado industrial. Produtos totalmente plug-in que permitem a troca fácil do relé, pois é possível substituí-lo, sem que ocorra a desconexão dos cabos da base ou a sua retirada do trilho. Possuem dimensões reduzidas o que proporciona economia de espaço em painel, gastos com materiais e tempo de montagem. Terminais da bobina e dos contatos Modelos com base temporizada e proteção extra para o circuito de saída devido ao prático e inovador módulo de para relé + base + módulo. Características Gerais das Interfaces Bases com conexão a mola ou parafuso push-in Compatíveis com relés eletromecânicos ou de estado sólido Versões de 1 a 4 contatos reversíveis ou 1 saída SSR Com diferentes capacidades de comutação Diversos valores de tensão de alimentação tanto AC quanto DC Versões com botão de teste bloqueável e indicador mecânico Módulo de proteção e sinalização que indica o status da bobina e protege o circuito de acionamento
Diferenciais das Interfaces Finder Relé + Base + Módulo Todos os dados informados na parte frontal do relé: código completo, esquema de ligação e tensão de alimentação da bobina Etiqueta de relé (Tipo 060.72) Botão de teste bloqueável com de alimentação da bobina pelas cores: Laranja a = AC, Azul = DC Etiqueta de para a base Retenção segura e extração fácil através de um clip plástico Módulo de proteção da bobina com: LED + diodo (único no mercado com proteção segura contra inversão de polaridade), LED + varistor (Tipo 99.02) Base com conexão a parafuso Base em termoplástico para melhor desempenho a mola Primeira base do mercado com separação física entre bobina e contatos Pente para ligação comum da bobina, disponível nas cores azul ou preto Suporte com mola para DIN 35mm (EN 60715) MasterINTERFACE MasterINTERFACE MasterADAPTER Adaptador para ligação de 8 interfaces via cabo Separador plástico (Tipo 093.60) Relé eletromecânico (6A) ou de estado sólido (01. e 2A) da interface (Tipo 060.72) Retenção segura e extração fácil através de um clip plástico Pentes de ligação para 16 polos, disponíveis nas cores azul, preto e vermelho Interface com conexão: a parafuso push-in Suporte com mola para DIN (EN 60715) Elimina o uso do fusível em caso de necessidade Módulo a fusível 5x20mm para proteção da saída (Tipo 093.63)
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