📘 Relé de Estado Sólido (SSR)

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1. Identificação Normativa e Símbolos

Os Relés de Estado Sólido (SSR - Solid-State Relays) são dispositivos puramente eletrônicos de comutação de potência sem partes móveis, que utilizam tiristores (SCRs em antiparalelo ou TRIACs) para manobrar correntes alternadas e isolação galvânica óptica por infravermelho entre o circuito de controle de baixa tensão (CLP/controlador PID) e o circuito de potência de alta tensão. São regidos internacionalmente pelas normas IEC / EN 60947-4-3 (Contatores e controladores estáticos em CA para cargas não-motoras) e IEC / EN 62314 (Relés de estado sólido para baixa tensão).

Parâmetro Normativo de Catálogo	Relé Monofásico Industrial Médio (ex: WEG SRW01 / Crydom CWD4840)	Relé Trifásico Industrial Pesado (ex: Celduc SO965060)
Norma Técnica de Fabricação	IEC 60947-4-3, IEC 62314, UL 508	IEC 60947-4-3, IEC 60950, UL 508
Tensão Nominal de Carga ($V_{\text{AC}}$)	$24.0\text{V}\text{ a }480.0{\text{V}}_{\text{RMS}}$ ($47\text{ a }63\text{Hz}$)	$48.0\text{V}\text{ a }660.0{\text{V}}_{\text{RMS}}$ ($47\text{ a }440\text{Hz}$)
Tensão de Pico Inverso Não Repetitiva ($V_{\text{DRM}}/V_{\text{RRM}}$)	$\ge 1200.0{\text{V}}_{\text{pico}}$ (alta imunidade a transientes industriais)	$\ge 1600.0{\text{V}}_{\text{pico}}$
Corrente Nominal Permanente @ $25{}^{\circ }\text{C}$ ($I_{\text{RMS}}$)	$40.0{\text{A}}_{\text{RMS}}$ (com dissipador térmico adequado)	$50.0{\text{A}}_{\text{RMS}}$ por polo (trifásico)
Faixa de Tensão de Controle de Entrada	$3.0\text{V}\text{ a }32.0\text{V CC}$ (compatível com níveis lógicos TTL, CMOS e CLP 24V)	$4.0\text{V}\text{ a }32.0\text{V CC}$ ou $90\text{ a }280\text{V CA}$
Corrente de Controle de Entrada ($I_{\text{in}}$)	$7.0\text{ a }15.0\text{mA}$ (circuito com fonte de corrente constante interna)	$10.0\text{ a }25.0\text{mA}$
Tensão de Isolação Dielétrica (Entrada-Saída)	$\ge 4000.0{\text{V}}_{\text{RMS}}$ durante $1.0\text{minuto}$ (optoisolador de alta rigidez)	$\ge 4000.0{\text{V}}_{\text{RMS}}$
Método de Disparo (Turn-on Mode)	Zero-Crossing (Cruzamento por Zero) ou Instantâneo (Random)	Zero-Crossing
Queda de Tensão Direta em Condução ($V_{\text{on}}$)	$1.15\text{ a }1.35{\text{V}}_{\text{RMS}}$ (gera calor contínuo de $\approx 1.2\text{W/A}$)	$1.20\text{ a }1.40{\text{V}}_{\text{RMS}}$ por fase
Corrente de Fuga no Estado Bloqueado ($I_{\text{leak}}$)	$1.0\text{ a }5.0{\text{mA}}_{\text{RMS}}$ (requer atenção em segurança de manutenção!)	$\le 5.0{\text{mA}}_{\text{RMS}}$
Capacidade de Sobretensão Transitória ($dv/dt$)	$\ge 500.0\text{V}/\mu \text{s}$ (com snubber interno $RC$)	$\ge 1000.0\text{V}/\mu \text{s}$
Vida Útil Mecânica / Elétrica	$\infty$ (Virtualmente infinita) — Sem arco elétrico, sem desgaste mecânico	$\infty$

graph LR
    subgraph "Simbologia e Circuito Equivalente do Relé de Estado Sólido (SSR)"
        direction TB
        subgraph "Entrada de Comando Isolada (Baixa Tensão)"
            InP["Pino 3 (+) 3-32V CC"] --> FonteCorrente["Fonte de Corrente Constante"]
            FonteCorrente --> LED["LED Emissor Infravermelho"]
            LED --> InN["Pino 4 (-) GND"]
        end
        subgraph "Barreira Óptica Dielétrica (4000V RMS)"
            LED -.->|Fótons de Luz Isolados| Fotodetector["Fototransistor / Zero-Crossing Detector"]
        end
        subgraph "Saída de Chaveamento de Potência (Rede CA)"
            Fotodetector --> GateDrive["Circuito de Disparo de Gate"]
            GateDrive --> SCRs["Dois SCRs Antiparalelo (Back-to-Back)"]
            SCRs --- L1["Pino 1 (Linha / Saída de Carga)"]
            SCRs --- L2["Pino 2 (Carga / Rede)"]
            Snubber["Snubber RC (47Ω + 47nF)"] -.->|Em Paralelo| SCRs
            MOV["Varistor MOV (Proteção de Surto)"] -.->|Em Paralelo| SCRs
        end
    end

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2. Prancha Visual de Engenharia: Aspecto e Anatomia em Corte

Tabela de Chamada Anatômica do Corte

N°	Elemento Construtivo	Material de Engenharia	Função Física e Justificativa de Projeto
①	Base Metálica de Dissipação (Baseplate)	Placa espessa de alumínio anodizado ou cobre maciço niquelado ($3.0\text{ a }4.5\text{mm}$)	Interface térmica de baixa resistência para transferência de calor: conduz o calor gerado pela queda de tensão das pastilhas semicondutoras ($P_{\text{diss}}\approx 1.2\text{ a }1.4\text{W/A}$) para o dissipador aletado externo. Planicidade rigorosa ($\le 50\mu \text{m}$) para minimizar a espessura da pasta térmica.
②	Substrato Cerâmico Isolante DBC (Direct Bonded Copper)	Cerâmica de Alumina (${\text{Al}}_2{\text{O}}_3$ a $96\%$) ou Nitreto de Alumínio ($\text{AlN}$) revestida com cobre	Isolação elétrica galvânica de alta rigidez com condução térmica: isola a base metálica aterrada dos circuitos de alta tensão da rede ($>4000{\text{V}}_{\text{RMS}}$), mantendo uma excelente condutividade térmica ($k\approx 24\text{ a }180\text{W}/(\text{m}\cdot \text{K})$). Apresenta coeficiente de dilatação térmica casado com o silício ($4.5\times 10^{-6}/\text{K}$), prevenindo fratura mecânica após milhares de ciclos térmicos.
③	Pastilhas Semicondutoras de Potência (Power Dice)	Dois tiristores SCR de silício monocristalino montados em antiparalelo (back-to-back)	Condução e bloqueio da corrente de carga alternada: em relés industriais de alta confiabilidade ($>25\text{A}$), empregam-se dois SCRs separados em vez de um único TRIAC. Isso duplica a área de dissipação térmica e eleva a imunidade de comutação contra altas taxas de bloqueio ($dv/d{t}_{\text{com}}$), permitindo manobra segura de cargas com ruído elétrico.
④	Optoacoplador com Detector de Passagem por Zero (Zero-Crossing)	Circuito integrado óptico monolítico com fotodiodo, detector de janela ($\pm 15\text{V}$) e driver de gate	Comutação sincronizada e silenciosa: permite que o relé só dispare quando a senoide da tensão da rede cruzar exatamente por zero volt ($\Delta V\approx 0$). Isso elimina completamente os transientes de radiofrequência (EMI), ruídos acústicos e picos de corrente (inrush) gerados ao fechar cargas resistivas ou capacitivas no pico da onda.
⑤	Rede Snubber $RC$ Interna e Varistor MOV Integrado	Capacitor cerâmico de polipropileno de alta tensão ($47\text{nF}/630\text{V}$) + resistor de filme de carvão ($47\Omega$)	Amortecimento de transientes e proteção contra disparo espúrio: limita a taxa de subida de tensão ($\frac{dv}{dt}<500\text{V}/\mu \text{s}$) induzida por manobras de chaves e cargas indutivas vizinhas na rede. O varistor grampeia sobretensões transitórias impulsivas provenientes de descargas atmosféricas.
⑥	Encapsulamento Epóxi de Alta Rigidez Dielétrica e Bornes	Resina epóxi termofixa autoextinguível (UL 94 V-0) e bornes tipo parafuso M4 / M5 com arruela de pressão	Protege todo o circuito de estado sólido interno contra umidade atmosférica, névoa salina, poeiras condutivas industriais e vibrações severas de máquinas operatrizes, garantindo vida útil infinita sem necessidade de relubrificação ou limpeza de contatos.

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3. Física e Princípios de Funcionamento

O Relé de Estado Sólido opera sob as leis da física dos semicondutores e termodinâmica de junções $PN$, dispensando o arco elétrico e a inércia mecânica dos contatores tradicionais.

3.1 A Física do Aquecimento Contínuo: Por que o SSR Esquenta Tanto?

Em um contator mecânico tradicional, a condução ocorre através de blocos maciços de liga de prata (${\text{AgSnO}}_2$), cuja resistência de contato é diminuta: $R_{\text{contato\_mecaˆnico}}\approx 1.5\text{m}\Omega ⟹P_{\text{dissipada}}=I^2\cdot R=(25\text{A}{)}^2\times 0.0015\Omega =0.9375\text{W}$

No entanto, no Relé de Estado Sólido (SSR), a corrente passa através de uma junção semicondutora $PN$ de silício. A física quântica do diodo/SCR impõe uma barreira de potencial eletrostático intrínseca ($V_0\approx 0.7\text{ a }0.9\text{V}$) somada à resistência ôhmica residual do volume de silício ($r_{\text{on}}$): $v_{\text{on}}(t)=V_0+r_{\text{on}}\cdot i(t)$

Sob condução de corrente alternada senoidal, a queda de tensão direta eficaz nos terminais do SSR situa-se invariavelmente entre: $V_{\text{on}}\approx 1.10\text{ a }1.40{\text{V}}_{\text{RMS}}$

A potência dissipada por efeito Joule no interior do SSR é: $P_{\text{dissipada}}\approx V_{\text{on}}\cdot I_{\text{RMS}}\approx 1.2\text{ a }1.4\times {\mathbf{I}}_{\text{RMS}}[\text{Watts}]$

Regra de Ouro da Engenharia de SSRs

Cada 1.0 Ampère de corrente conduzido por um SSR gera aproximadamente 1.2 a 1.4 Watts de calor contínuo!

• Para uma corrente moderada de $25.0\text{A}$, o SSR dissipa continuamente $32.5\text{W}$!
• Para $50.0\text{A}$, dissipa $65.0\text{W}$! Se um SSR for ligado sem dissipador térmico metálico aletado, a temperatura da junção de silício ($T_J$) ultrapassará seu limite físico de degradação ($125{}^{\circ }\text{C}$) em menos de 30 a 60 segundos, resultando em curto-circuito interno permanente (thermal runaway) e destruição irreversível do componente!

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3.2 O Circuito de Disparo por Passagem por Zero (Zero-Crossing)

O coração do chaveamento silencioso do SSR é o circuito detector de passagem por zero acoplado opticamente ao LED de comando:

flowchart TD
    SinalComando["Comando do CLP (24V CC) energiza o LED infravermelho de entrada"] --> EmissaoFoton["O LED emite fótons através da barreira dielétrica isolante"]
    EmissaoFoton --> CircuitoZero["O circuito detector monitora a tensão instantânea da rede v_AC(t)"]
    
    CircuitoZero --> Decisao{"|v_AC(t)| ≤ 15V ? (Cruzamento por Zero)"}
    Decisao -- "NÃO (|v_AC| > 15V)" --> Bloqueio["Transistor detector desvia a corrente: O SCR permanece BLOQUEADO"]
    Decisao -- "SIM (Zero Volts)" --> Disparo["Pulso de gate dispara o SCR: Condução inicia suavemente com corrente ZERO!"]
    
    Disparo --> Conducao["Condução suave: ZERO EMI, ZERO arco elétrico e ZERO ruído mecânico!"]

Comparativo Fundamental: Zero-Crossing vs. Random Turn-On (Instantâneo)

Tipo de SSR	Instante de Chaveamento	Comportamento com Carga Resistiva (Aquecedores / Lâmpadas)	Comportamento com Carga Indutiva (Motores / Transformadores)
Zero-Crossing (Cruzamento por Zero)	Aguarda a tensão da rede cruzar por $0\text{V}$ ($\Delta V<15\text{V}$) para disparar.	EXCELENTE (Mandatório): Elimina picos transitórios de corrente e interferência eletromagnética (EMI). Aumenta dramaticamente a vida útil dos aquecedores.	PERIGOSO: Ao ligar um transformador no zero de tensão, o fluxo magnético atinge $2\times {\Phi }_{\text{pico}}$ (efeito de defasagem de $90^{\circ }$), saturando o núcleo e gerando um inrush violento de até $40\times I_n$ que estoura o SSR!
Random Turn-On (Instantâneo / Aleatório)	Dispara imediatamente no momento em que o sinal de comando chega, em qualquer ponto da senoide.	Gera ruído de chaveamento transitório se disparado no pico da senoide.	IDEAL PARA CARGAS INDUTIVAS: Permite comandar o disparo no pico da tensão, onde o fluxo magnético inicial de uma indutância pura é zero, eliminando a saturação transitória do ferro!

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3.3 A Taxa Crítica de Subida de Tensão Bloqueada ($\frac{dv}{dt}$)

No estado bloqueado (desligado), a junção semicondutora do SCR atua como um capacitor dielétrico de capacitância interna de depleção $C_j$. Se a tensão nos terminais do SSR sofrer uma variação muito abrupta (induzida por descargas atmosféricas ou manobras de contatores vizinhos na mesma rede), uma corrente de deslocamento capacitiva flui diretamente para a região de gate: $i_{\text{deslocamento}}=C_j\cdot \frac{dv}{dt}$

Se essa corrente superar o limiar de disparo de porta ($I_{GT}$), o SSR dispara espuriamente (false triggering), ligando a carga sem qualquer comando do CLP! Para evitar esse comportamento anômalo:

1. Utiliza-se a Rede Snubber $RC$ interna em paralelo com os SCRs, que atua como filtro passa-baixas limitando $\frac{dv}{dt}$: ${\left(\frac{dv}{dt}\right)}_{\text{maˊx}}\approx \frac{V_{\text{pico}}}{R_{\text{snubber}}\cdot C_{\text{snubber}}}$
2. Utilizam-se SSRs com topologia de dois SCRs independentes em antiparalelo em vez de TRIACs, garantindo imunidade a $\frac{dv}{dt}\ge 1000\text{V}/\mu \text{s}$.

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4. Diagrama de Aplicação Prática

O diagrama abaixo apresenta uma das aplicações industriais mais nobres e difundidas do SSR: o Controle de Temperatura com Modulação em Trem de Ciclos (Burst Firing / Time-Proportioning) para fornos industriais e máquinas injetoras plásticas, operado por controlador PID de alta precisão:

graph TD
    subgraph "Sensoriamento e Lógica de Controle"
        Termopar["Termopar / PT100 (Leitura no Forno)"] --> PID["Controlador de Temperatura PID (Novus / Coel)"]
        PID --> SaidaPulso["Saída em Trem de Pulsos PWM (24V CC - 100ms a 2s)"]
    end
    
    subgraph "Painel de Comando e Força"
        SaidaPulso --> BornesComando["Entrada do SSR (Bornes 3 e 4)"]
        
        RedeForca["Rede 220V CA"] --> DisjuntorGeral["Disjuntor Termomagnético Q1"]
        DisjuntorGeral --> ContatorSeguranca["Contator de Segurança Eletromecânico K1 (Bobina desliga em emergência!)"]
        ContatorSeguranca --> FusivelUltra["Fusível Ultrarrápido Classe aR (F1)"]
        FusivelUltra --> SSR_Forca["Relé de Estado Sólido (Terminais 1 e 2)"]
        
        SSR_Forca --> ResistenciaForno["Resistências de Aquecimento do Forno (5.5 kW / 25A)"]
        ResistenciaForno --> Neutro["Retorno Neutro / Fase"]
    end
    
    subgraph "Circuito de Intertravamento Térmico de Segurança"
        TermostatoMecanico["Termostato Bimetálico de Sobretemperatura Independente (Klixon 250°C)"] -.->|Desliga Bobina| ContatorSeguranca
    end

Por que o Contator Eletromecânico K1 é Obrigatório em Série com o SSR?

Em caso de falha catastrófica por sobreaquecimento, o modo de falha natural do SSR é o curto-circuito permanente entre os terminais de potência 1 e 2. Se o SSR falhar em curto, a carga continuará recebendo $100\%$ de potência sem controle, mesmo que o controlador PID corte o sinal da entrada de comando! O contator de segurança K1 é acionado por um circuito de emergência e termostato bimetálico mecânico independente, desenergizando a linha caso o forno atinja sobretemperatura perigosa!

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5. Dimensionamento Passo a Passo e Projeto Numérico Resolvido

5.1 Especificações do Projeto de Engenharia

Projetar o chaveamento e o sistema de dissipação térmica de um Relé de Estado Sólido para controle de precisão de uma resistência de forno industrial:

• Potência da Carga Resistiva: $P=5500.0\text{W}=5.5\text{kW}$ (cargas resistivas puras de níquel-cromo, fator de potência $\cos \varphi =1.00$).
• Tensão da Rede: $V_{\text{AC}}=220.0{\text{V}}_{\text{RMS}}\pm 10\%$ @ $60\text{Hz}$ monofásico.
• Regime Operativo: Operação contínua ($24\text{h/dia}$, $7\text{dias/semana}$) com modulação proporcional por ciclos completos (Zero-Crossing).
• Temperatura Ambiente Máxima no Interior do Painel: $T_A=50.0{}^{\circ }\text{C}$ (considerando dias quentes de verão e aquecimento interno de transformadores e drives).
• Controlador: Saída digital a transistor do CLP em $24.0\text{V CC}$.
• Tipo de Resfriamento Adotado: Convecção natural de ar dentro do painel elétrico (sem ventilação forçada assistida por ventilador).

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5.2 Passo 1: Cálculo da Corrente de Carga Nominal ($I_{\text{RMS}}$)

Para carga puramente resistiva em regime permanente: $I_{\text{RMS}}=\frac{P}{V_{\text{AC}}}=\frac{5500.0\text{W}}{220.0\text{V}}=25.0{\text{A}}_{\text{RMS}}$

Considerando a tolerância superior da tensão de rede ($+10\%⟹242.0\text{V}$), a corrente máxima de pico da carga sob sobretensão permissível é: $I_{\text{RMS\_maˊx}}=\frac{5500.0\text{W}}{220.0\text{V}}\times 1.10=27.5{\text{A}}_{\text{RMS}}$

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5.3 Passo 2: Seleção da Corrente Nominal do SSR e Margem de Segurança

Para relés de estado sólido em aplicações industriais de alta confiabilidade operando sob temperatura ambiente elevada ($50{}^{\circ }\text{C}$), a literatura técnica de fabricantes líderes (Crydom, Celduc, Carlo Gavazzi) estabelece um fator de sobredimensionamento térmico mínimo: $K_{\text{derating}}=1.50\text{ a }1.60\text{(para regime contıˊnuo de cargas resistivas AC-51)}$

$I_{\text{SSR\_mıˊn}}=I_{\text{RMS}}\times K_{\text{derating}}=25.0\text{A}\times 1.60=40.0{\text{A}}_{\text{RMS}}$

Consultando a linha comercial padronizada de SSRs tipo “Hockey Puck”:

• Modelo 25A ($I_{\text{nom}}=25\text{A}$): ❌ Inadequado (operaria a $100\%$ da capacidade, derating térmico a $50{}^{\circ }\text{C}$ reduziria a corrente admissível para $<18\text{A}$).
• Modelo 40A ($I_{\text{nom}}=40\text{A}$): ✅ SELEÇÃO TÉCNICA EXATA (ex: Crydom D2440 ou WEG SRW01-40D48).
• Tensão de Bloqueio do SSR: Para rede de $220{\text{V}}_{\text{RMS}}$ ($V_{\text{pico}}=220\times \sqrt{2}=311\text{V}$), o modelo de $480{\text{V}}_{\text{AC}}$ com $V_{\text{DRM}}\ge 1200\text{V}$ oferece margem de segurança excepcional de $3.85\times$ contra transientes de linha.

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5.4 Passo 3: Cálculo da Potência Térmica Dissipada no SSR ($P_{\text{diss}}$)

Consultando o gráfico de tensão direta do tiristor no datasheet do SSR de $40\text{A}$, para $I_{\text{RMS}}=25.0\text{A}$, a queda de tensão eficaz em condução é: $V_{\text{on}}\approx 1.30{\text{V}}_{\text{RMS}}$

A potência dissipada por efeito Joule no semicondutor é: $P_{\text{diss}}=V_{\text{on}}\cdot I_{\text{RMS}}=1.30\text{V}\times 25.0\text{A}=32.50\text{W}$

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5.5 Passo 4: Cálculo da Resistência Térmica do Dissipador ($R_{\theta SA}$)

A transferência de calor da junção semicondutora para o ar ambiente obedece à equação análoga à Lei de Ohm para circuitos térmicos: $T_J-T_A=P_{\text{diss}}\cdot R_{\theta \_\text{total}}=P_{\text{diss}}\cdot \left(R_{\theta JC}+R_{\theta CS}+R_{\theta SA}\right)$

Onde:

• $T_J$: Temperatura de junção do silício. O limite destrutivo é $125.0{}^{\circ }\text{C}$. Adota-se como critério de projeto industrial conservador: $T_J\le 100.0{}^{\circ }\text{C}(\text{garantindo margem de seguranc¸a de }25{}^{\circ }\text{C})$
• $T_A$: Temperatura máxima do ar no painel: $T_A=50.0{}^{\circ }\text{C}$.
• $R_{\theta JC}$: Resistência térmica interna entre a junção e a base metálica (Junction-to-Case), extraída do datasheet do fabricante: $R_{\theta JC}=0.45{}^{\circ }\text{C}/\text{W}$
• $R_{\theta CS}$: Resistência térmica de contato entre a base do SSR e a superfície do dissipador (Case-to-Sink), utilizando camada fina de pasta térmica de silicone de alto rendimento ($0.05\text{mm}$ de espessura com condutividade $k\ge 1.5\text{W}/(\text{m}\cdot \text{K})$): $R_{\theta CS}=0.10{}^{\circ }\text{C}/\text{W}$
• $R_{\theta SA}$: Resistência térmica do dissipador para o ar ambiente (Sink-to-Ambient).

Isolando a resistência térmica total requerida: $R_{\theta \_\text{total}}=\frac{T_J-T_A}{P_{\text{diss}}}=\frac{100.0{}^{\circ }\text{C}-50.0{}^{\circ }\text{C}}{32.50\text{W}}=\frac{50.0}{32.50}=1.538{}^{\circ }\text{C}/\text{W}$

Subtraindo as resistências térmicas em série: $R_{\theta SA}=R_{\theta \_\text{total}}-R_{\theta JC}-R_{\theta CS}$ $R_{\theta SA}=1.538-0.45-0.10=0.988{}^{\circ }\text{C}/\text{W}$

Especificação do Dissipador Comercial: Deve-se selecionar um dissipador térmico aletado de alumínio extrudado para montagem em trilho DIN com resistência térmica nominal em convecção natural: $R_{\theta SA}\le 0.95{}^{\circ }\text{C}/\text{W}\text{(ex: Dissipador WEG tipo DSR-40 ou Crydom HS053)}$

Se a temperatura da junção for recalculada com o dissipador selecionado de $0.95{}^{\circ }\text{C}/\text{W}$: T_J = T_A + P_{\text{diss}} \cdot (0.45 + 0.10 + 0.95) = 50.0 + 32.50 \times 1.50 = 50.0 + 48.75 = \mathbf{98.75\,^\circ\text{C}} < 100\,^\circ\text{C} \quad \text{✅ 100% Aprovado!}

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5.6 Passo 5: Proteção Contra Curto-Circuito por Fusível Ultrarrápido ($I^{2}t$)

Os disjuntores termomagnéticos padrão levam entre $3\text{ a }5\text{ms}$ para abrir um curto-circuito. No entanto, as pastilhas microscópicas de silício do SSR atingem a fusão irreversível em menos de $1.0\text{ms}$! Portanto, a proteção contra curto-circuito exige obrigatoriamente um Fusível Ultrarrápido Classe aR ou gR conectado diretamente em série com o terminal de carga.

O critério normativo de proteção de semicondutores (IEC 60269-4) impõe que a integral de Joule total do fusível seja inferior à integral admissível pelo SSR: $(I^{2}t{)}_{\text{fusıˊvel\_total\_limpeza}}<(I^{2}t{)}_{\text{maˊx\_admissıˊvel\_SSR}}$

1. Integral de Joule do SSR (Datasheet Crydom 40A): $(I^{2}t{)}_{\text{SSR}}=800.0{\text{A}}^2\text{s}(\text{para pulso de meio ciclo de }10\text{ms})$
2. Seleção do Fusível Ultrarrápido: Adota-se um fusível cerâmico ultrarrápido tipo gR de corrente nominal $I_n=32.0\text{A}$ (ex: Bussmann / Ferraz Shawmut $10\times 38\text{mm}$ 32A 690V aR): $(I^{2}t{)}_{\text{fusıˊvel\_fusa˜o}}=85.0{\text{A}}^2\text{s}$ $(I^{2}t{)}_{\text{fusıˊvel\_total}}=380.0{\text{A}}^2\text{s}(@220\text{V CA})$

Como: undefined

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6. Modos de Falha, Diagnóstico e Regras de Manutenção

6.1 Modos Críticos de Falha em Relés de Estado Sólido

1. Falha Catastrófica em Curto-Circuito (Shorted SCR Failure):
   • É o modo de falha mais comum dos SSRs ($>90\%$ das ocorrências de queima). Quando a pastilha semicondutora sofre sobreaquecimento ($T_J>150{}^{\circ }\text{C}$) ou sobretensão impulsiva acima de $V_{\text{DRM}}$, a junção $PN$ colapsa termicamente, fundindo o silício em uma poça condutiva contínua. Os terminais 1 e 2 viram um condutor fechado permanente.
   • Risco Severo: O forno ou aquecedor continuará ligado indefinidamente mesmo que o CLP desligue o sinal de comando (LED apagado)!
2. Corrente de Fuga no Estado Desligado e Risco de Choque Elétrico:
   • Em estado bloqueado (LED de controle apagado), o circuito snubber $RC$ interno e as fugas do semicondutor drenam uma pequena corrente de fuga: $I_{\text{fuga}}\approx 2.0\text{ a }5.0{\text{mA}}_{\text{RMS}}$
   • Perigo Mortal: Essa corrente de $5\text{mA}$ em $220\text{V}$ é perfeitamente capaz de provocar fibrilação cardíaca e eletrocussão caso um técnico toque desatento nos bornes de carga do SSR acreditando que ele atua como seccionador! O SSR NÃO é um dispositivo de seccionamento galvânico seguro. Para manutenção física, o disjuntor de alimentação a montante deve ser obrigatoriamente aberto e bloqueado (LOTO).
3. Disparo Espúrio por Transientes Rápidos ($\frac{dv}{dt}$):
   • Acionamento de freios eletromagnéticos, solenoides pesados ou soldas de arco na mesma linha podem induzir variações ultrarrápidas de tensão ($\frac{dv}{dt}>1000\text{V}/\mu \text{s}$) que ligam temporariamente o SSR sem comando do CLP.

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6.2 Regras Mandatórias de Instalação e Montagem em Painel

1. Aplicação Rigorosa de Pasta Térmica:
   • O contato metal-metal seco entre a base do SSR e o dissipador contém microbolhas de ar com péssima condutividade térmica ($k_{\text{ar}}=0.026\text{W}/(\text{m}\cdot \text{K})$).
   • Aplicar uma camada extremamente fina e uniforme de pasta térmica de óxido de zinco/silicone ($50\mu \text{m}$ de espessura) em toda a superfície antes de aparafusar. Excesso de pasta térmica prejudica a troca de calor, atuando como isolante!
2. Torque de Aperto Controlado na Fixação Mecânica:
   • Para garantir planicidade sem envergar o substrato cerâmico DBC interno:
     • Apertar os parafusos de fixação M4 do dissipador alternadamente com chave dinamométrica: $\text{Torque de fixac¸a˜o da base}=1.5\text{ a }2.0\text{N}\cdot \text{m}$
     • Torque de aperto nos bornes de parafuso de potência (M5): $\text{Torque dos bornes eleˊtricos}=2.0\text{ a }2.5\text{N}\cdot \text{m}$
3. Orientação Física das Aletas do Dissipador no Trilho DIN:
   • As aletas do dissipador térmico devem ser instaladas obrigatoriamente no sentido VERTICAL para criar a chaminé convectiva natural de ar quente ascendente. Instalar o dissipador com as aletas deitadas na horizontal reduz sua capacidade de refrigeração em mais de $40\%$, provocando queima precoce por sobretemperatura!

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Engenhar.IA • Atlas de Componentes Elétricos e Eletrônicos • Área 4: Comandos Elétricos e Dispositivos Eletromecânicos