miniatura|Um relé miniatura|Princípio de funcionamento de um relé eletromecânico miniatura|Esquema de um relé eletromecânico com uma bobina de controle, quatro pares de contatos normalmente abertos e um par de contatos normalmente fechados miniatura|Relé miniatura de uso automotivo com a tampa removida
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.
Relés são usados para controlar um circuito elétrico por meio de um sinal independente de baixa potência e para controlar mais de um circuito com um único sinal. Seus primeiros usos ocorreram em circuitos de telégrafo elétrico de longa distância, nos quais atuavam como repetidores de sinal, transmitindo para outro circuito uma cópia regenerada do sinal recebido. Foram empregados em grande escala em centrais telefônicas e nos primeiros computadores para executar operações de álgebra booliana.
O relé eletromecânico tradicional usa um eletroímã para fechar ou abrir os contatos, mas também existem relés baseados em outros princípios de funcionamento, como os relés de estado sólido, que usam dispositivos semicondutores para realizar a comutação sem peças móveis. Relés com características de operação calibradas e, em alguns casos, mais de uma bobina de operação são usados para proteger circuitos elétricos contra sobrecargas ou falhas. Nos sistemas elétricos de potência, essas funções são executadas também por dispositivos digitais chamados relés de proteção. Em máquinas e sistemas de automação, relés de segurança podem ser empregados em funções como parada de emergência e monitoração de proteções.
Relés biestáveis mantêm uma das posições dos contatos sem alimentação contínua da bobina. Nos modelos de duas bobinas, um pulso aplicado à bobina de ajuste coloca o relé em um estado e um pulso aplicado à bobina de retorno o coloca no outro. Nos modelos de uma bobina, a mudança entre os estados pode ser feita pela inversão da polaridade do pulso. Outros mecanismos biestáveis, como os relés de catraca, podem alternar de estado a cada impulso.
História miniatura|Relé telegráfico da Hasler AG usado na rede telegráfica da Ferrovia do Gotardo por volta de 1900
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.
Nos Estados Unidos, Samuel Morse recebeu em 20 de junho de 1840 a patente nº 1.647 de seu sistema de telégrafo eletromagnético. O arranjo permitia que um sinal recebido comandasse outro circuito e fosse regenerado ao longo da linha, uma das aplicações que deram origem ao relé eletromagnético.
A palavra inglesa relay passou a ser usada para um instrumento eletromagnético em 1860, inicialmente no contexto da telegrafia.
Projeto básico e funcionamento miniatura|esquerda|Relé eletromecânico simples miniatura|Funcionamento sem diodo de roda livre. O arco elétrico provoca a degradação dos contatos do interruptor miniatura|Funcionamento com diodo de roda livre. A sobretensão no circuito de controle é reduzida
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.
Quando uma corrente elétrica passa pela bobina, ela gera um campo magnético que aciona a armadura. O movimento resultante do contato ou dos contatos móveis estabelece ou interrompe, conforme a construção, a ligação com um contato fixo. Se o conjunto de contatos estava fechado com o relé desenergizado, o movimento abre os contatos e interrompe a conexão. Se estava aberto, ocorre o inverso. Quando a corrente da bobina é desligada, uma força de retorno leva a armadura à posição de repouso. Essa força costuma ser fornecida por uma mola, embora a gravidade também seja usada em alguns dispositivos. A maioria dos relés é fabricada para operar rapidamente. Em aplicações de baixa tensão, isso reduz o ruído. Em aplicações de alta tensão ou corrente, uma separação rápida dos contatos pode reduzir o tempo de formação do arco.
miniatura|esquerda|Funcionamento de um relé de 12 A
Quando uma bobina alimentada por corrente contínua é desenergizada, o colapso do campo magnético pode produzir uma sobretensão transitória capaz de danificar semicondutores e outros componentes do circuito de acionamento. Um diodo de roda livre em paralelo com a bobina é uma forma simples de limitar essa sobretensão. O diodo, porém, faz a corrente da bobina decair mais lentamente e pode aumentar o tempo de liberação da armadura. Dependendo da aplicação, podem ser usados um diodo em série com um diodo Zener, um supressor de tensão transitória, um varistor, um resistor ou outras redes de supressão para obter um compromisso diferente entre a tensão máxima permitida e a velocidade de liberação. Alguns relés automotivos incorporam um diodo ou resistor no próprio invólucro.
miniatura|Pequeno relé do tipo cradle, comum em eletrônica. O termo inglês refere-se à forma da armadura do relé
Se o relé aciona uma carga grande ou especialmente reativa, pode ocorrer uma sobretensão semelhante nos contatos de saída. Um circuito snubber, formado por um capacitor e um resistor em série, pode ser ligado em paralelo com os contatos ou com a carga para limitar o transitório. O circuito de proteção precisa ser dimensionado para a carga e para a forma de corrente e tensão presentes na aplicação.
Se a bobina foi projetada para ser energizada com corrente alternada (CA), emprega-se algum método para dividir o fluxo em dois componentes defasados que se somam, aumentando a força mínima de atração sobre a armadura durante o ciclo de CA. Isso costuma ser feito com um pequeno "anel de sombra" de cobre instalado em torno de parte do núcleo, que cria um componente de fluxo atrasado e defasado, ajudando a manter a atração da armadura durante as passagens por zero da tensão de controle.
Os materiais dos contatos variam conforme a aplicação. Para sinais de nível muito baixo, são comuns contatos com revestimento de ouro, pois o ouro reduz os problemas causados por oxidação e sulfetação da superfície. A prata fina e suas ligas têm boa condutividade, mas formam filmes de sulfeto e, por isso, a prata fina não costuma ser usada para comutação de sinais de nível muito baixo. Em correntes mais elevadas, a pressão dos contatos e pequenos arcos podem romper ou remover esses filmes. Ligas como prata-níquel e prata-óxido de estanho são escolhidas de acordo com a carga e com a resistência desejada à transferência de material, ao arco e à soldagem. Contatos de prata-óxido de cádmio foram usados por muito tempo na comutação de cargas que produzem arcos de alta energia. Relés com contatos umedecidos por mercúrio fazem e interrompem circuitos por meio de uma superfície de mercúrio líquido que se renova a cada operação. Contatos usados em circuitos com dezenas ou centenas de ampères podem conter estruturas adicionais para dissipar calor e controlar o arco gerado na interrupção do circuito.Ian Sinclair, Passive Components for Circuit Design, Elsevier, 2000, ISBN 9780080513591, pp. 161–164. Alguns relés possuem contatos substituíveis em campo, como certos relés de máquinas-ferramenta. Eles podem ser trocados quando se desgastam ou convertidos entre os estados normalmente aberto e normalmente fechado quando o circuito controlado é alterado.
Terminologia miniatura|Símbolos de circuito de relés. C é o terminal comum nos tipos SPDT e DPDT
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.Seção 1.6, Engineers' Relay Handbook, 5.ª ed., Relay and Switch Industry Association, Arlington, Virgínia. A 3.ª ed. foi publicada pela National Association of Relay Manufacturers, Elkhart, Indiana, em 1980, e a 2.ª ed. pela Hayden, Nova Iorque, em 1966. Uma cópia arquivada de partes da 5.ª edição está disponível em Internet Archive. Entre elas, são comuns:
Relés SPST-NO (Single-Pole Single-Throw, Normally-Open, um polo, uma posição, normalmente aberto) têm um único contato de Forma A, ou contato de fechamento. Há dois terminais que podem ser conectados ou desconectados. Somando os dois terminais da bobina, o relé tem quatro terminais. Relés SPST-NC (Single-Pole Single-Throw, Normally-Closed, um polo, uma posição, normalmente fechado) têm um único contato de Forma B, ou contato de abertura. O total, como no SPST-NO, é de quatro terminais. Relés SPDT (Single-Pole Double-Throw, um polo, duas posições) têm um conjunto de contatos de Forma C, do tipo "abre antes de fechar", ou de transferência. Um terminal comum se conecta a um entre dois outros, sem se conectar aos dois simultaneamente. Com os dois terminais da bobina, são cinco terminais ao todo. Relés DPST (Double-Pole Single-Throw, dois polos, uma posição) equivalem a um par de interruptores ou relés SPST acionados por uma única bobina. Com os dois terminais da bobina, têm seis terminais. Os polos podem ser de Forma A ou Forma B, ou um de cada. Nesse último caso, as designações NA e NF devem ser usadas para eliminar a ambiguidade. Relés DPDT (Double-Pole Double-Throw, dois polos, duas posições) têm dois conjuntos de contatos de Forma C. Equivalem a dois interruptores ou relés SPDT acionados pela mesma bobina. Têm oito terminais, incluindo os da bobina. Forma D, fecha antes de abrir. Forma E, combinação das formas D e B.