INTRODUCCIÓNLos relés actualmente juegan un pa-

pel fundamental en el mundo que nosrodea. Los podemos encontrar en distin-tos formatos, colores, tamaños, con dis-tintas capacidades y de distintos tipos.

Básicamente, cuando nos referimos alos “tipos” estamos hablando de los elec-tromecánicos y de los de estado sólido.

En esta oportunidad, hablaremos en-tonces un poco acerca de los relés (tantode estado sólido como los electromecá-nicos, siendo los primeros, de especialimportancia y enfoque en el articulo), demodo que conozcamos algo mas acercade estos dispositivos tan imprescindibleshoy en día y para que hagamos una me-jor elección la próxima vez que nos vea-mos obligados a usar uno, ya que hare-mos a lo largo del articulo, breves com-paraciones entre los dos.

RELES ELECTROMECÁNICOSUn relé es un dispositivo que actúa

bajo el mismo principio fundamental queel solenoide. La diferencia entre una reléy un solenoide es que una relé no tieneun centro movible (el embolo) mientrasel solenoide si. Donde se usan múltiplesrelés pueden controlarse varios circuitosa la vez.

Los relés son interruptores controla-dos eléctricamente, y se clasifican segúnsu uso como relés de potencia o relés decontrol. A los relés de potencia se les lla-ma contactores; mientras que a los de

control simplemente se les conoce comorelés.

La función de un contactor es usar unacantidad relativamente pequeña de co-rriente eléctrica para controlar una canti-dad de corriente grande. El contactorpermite controlar a distancia cargas gran-des de corriente, siendo solo necesaria lautilización de cables de alta potencia através de los terminales de potencia delelemento. Así pues, para manipular labobina que maneja los contactos del con-tactor, no hace falta mas que pequeños yligeros cables de control.

La seguridad también es una razónimportante por usar los relés de poten-cia, ya que los circuitos de potencia pue-den encenderse y apagarse remotamentesin peligro para el operador.

Los relés de Control, como su nom-bre lo indica, frecuentemente se usan enel mando de circuitos de baja potencia opara manejar otros relés, aunque ellostambién tienen muchos otros usos. En loscircuitos de relé automáticos, una peque-ña cantidad de corriente eléctrica puedeponer en marcha una cadena consecutivade relés suplentes que entonces realizanvarias funciones.

En general, un relé consiste en un cen-tro magnético y su bobina asociada, con-tactos, muelles, armadura, y la montura.La Figura 1 ilustra la construcción de unarelé. Cuando la bobina es energizada, elflujo de corriente crea un campo magné-tico fuerte que obliga a la armadura ahacer contacto con C1, completando elcircuito desde el terminal común hastaC1. Al mismo tiempo, el circuito de con-tacto C2, se abre.

Un relé puede tener muchos diferen-tes tipos de contractos. El relé e la figura1, tiene unos contactos conocidos como“Brake-Make” por que al energizar labobina un circuito se rompe mientras unonuevo se hace.

En la figura 2 podemos observar cin-co diferentes clases de contactos de relésy los nombres que reciben.

La figura 3 ilustra un el arreglo decontactos de un relé, en la cual podemosver cuatro configuraciones diferentes (lasletras a los lados de los contactos indicanlas “formas ilustradas en la figura 2)

Un tipo de relé con múltiples contac-tos es el relé clapper (palmoteador) mos-trado en la figura 4. Cuando el circuitose energiza, el clapper es jalado hacia labobina. Este movimiento físico de la ar-madura del palmoteador fuerza a los vás-tagos de empuje y a los contactos movi-bles hacia arriba. Cualquier número dejuegos de contactos puede construirse enel relé; así, es posible controlar muchoscircuitos diferentes al mismo tiempo. Estetipo de relé puede ser una fuente de pro-blema porque el movimiento de la arma-dura del palmoteador necesariamente noasegura el movimiento de todos los con-tactos movibles. Refiriéndose a la figura4, si los vástagos de empuje estuvieranrotos, la armadura del palmoteador po-

Figura 1 Figura 3 Figura 4

Figura 2

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dría empujar el contacto movible masbajo ascendente pero no el movible su-perior.

Algunos equipos requieren un perío-do de «precalentamiento» entre la apli-cación de poder y alguna otra acción. Porejemplo, los tubos del vacío requieren unretardo entre la aplicación de poder delfilamento y el voltaje alto. Un relé detiempo retrasado proporcionará este re-querimiento de retardo.

Una relé de tiempo-retrasado térmico(figura 5) se construye para producir unaacción tardía cuando es energizado. Sufuncionamiento depende de la acción tér-mica de un elemento bimetálico similara los usados en los circuitos de protec-ción térmica

Un calentador está montado alrede-dor o cerca del elemento. El contactomovible está montado en el propio ele-mento. El calor causa que el elemento sedoble (debido a la diferente expansióntérmica de los metales distintos), cerran-do los contactos.

Los relés pueden ser descritos por elmétodo de empaquetarlos; abiertos, se-misellados, y sellados.El movimientomecánico de los contactos puede obser-varse y los relés están fácilmente dispo-nibles para el mantenimiento en los relésabiertos. Las tapas proporcionan protec-ción al polvo, humedad, y cualquier otromaterial extraño pero puede quitarse parael mantenimiento. El plástico claro o ta-pas de vidrio proporcionan medios de ob-servar el funcionamiento del relé sin ellevantamiento de la tapa en los relés se-misellados. Los relés selados hermética-mente están protegidos de la temperatu-ra o del cambio de humedad así como elpolvo y otros materiales externos.

MANTENIMIENTO DE LOS RELÉSLos relés son uno de los dispositivos

electromecánicos en uso más confiable,pero como cualquier otro elemento eléc-

trico o mecánico, los relés ocasionalmen-te pueden fallar o quedar completamenteinoperativos.

Los relés son valorados según sus ca-racterísticas de voltaje, corriente, nume-ro de contactos y características simila-res. Los relés usualmente constan de unasola bobina. Si un relé falla en el momen-to de la operación, la bobina deberá serprobada para determinar si esta se en-cuentra en circuito abierto, corto circuitoo corto a tierra. Una bobina abierta es unode las causas más comunes en los fallosde los relés.

Durante un mantenimiento preventi-vo debemos siempre chequear si el aisla-miento se encuentra quemado, así comosi existe algún tipo de aislamiento entrelos terminales de contacto. En ambos ca-sos, la situación indica sobrecalentamien-to con la probabilidad de la ruptura delelemento. Una posible causa de sobreca-lentamiento podría ser causada por unmal contacto de los terminales de poder.

El acumulamiento de película en lassuperficies de contacto del relé es otracausa común en el fallo de estos disposi-tivos.

Además de los problemas anterior-mente mencionados, cuando la corrientefluye en una dirección, un problema lla-mado “como y cráter”, se puede dar enlos contactos. El cráter se forma por latransferencia de metal desde un contactoal otro, quedando este deposito en formade cono. Esta condición se ilustra en lafigura 6A.

Algunos relés están equipados concontactos redondeados, los cuales sonconsiderados superiores a los contactosplanos en algunas aplicaciones (Figura6B). El polvo y otros sustancias no se

depositan tan fácilmente en los contac-tos redondeados.

Cuando se haga un mantenimiento deun relé cuyos contactos sean del tipo re-dondeado, debe tenerse especial cuidadode no aplanar las superficies, puesto queesto implicaría alterar las superficies decontacto. También debe evitarse usar lijao esmeril para limpiarlos, solo una he-rramienta de pulir debe ser la empleadapara esta tarea.

LOS RELES DE ESTADO SÓLIDO(SSR)

Los relés de estado sólido o SSR (so-lid-state relays), como su nombre lo in-dica, son dispositivos que utilizan inte-rruptores de estado sólido como transis-tores y tiristores, en lugar de contactosmecánicos, para conmutar cargas de po-tencia a partir de señales de control debajo nivel. Estas últimas pueden prove-nir, por ejemplo, de circuitos lógicos yestar dirigidas a motores, lámparas, so-lenoides, calefactores, etc. El aislamien-to entre la circuitería de control y la eta-pa de potencia lo proporciona general-mente un opto acoplador. La conmuta-ción propiamente dicha puede ser reali-zada por transistores bipolares (BJTs),MOSFETs de potencia, TRIACS, SCRS,IGBTS, etc.

Los SSRs ofrecen varias ventajas no-tables con respecto a los tradicionalesrelés y contactores electromecánicos: sonmás rápidos, silenciosos, livianos y con-fiables, no se desgastan, son inmunes alos choques y a las vibraciones, puedenconmutar altas corrientes y altos voltajessin producir arcos ni ionizar el aire cir-cundante, generan muy poca interferen-cia, proporcionan varios kilovoltios deaislamiento entre la entrada y la salida,etc. Sin embargo, tienden a ser muy cos-tosos y son generalmente dispositivosSPST (un polo, una posición). Esto im-plica que un solo SSR no puede conmu-tar al mismo tiempo varios circuitos in-dependientes.

De otro lado, los SSRs comercialmen-te disponibles son unidades completa-mente herméticas, imposibles de repararen caso de avería o de optimizar paranecesidades de conmutación específicas.Por tanto, si un SSR de este tipo falla oes inadecuado para su aplicación, usteddebe adquirir uno nuevo, así el compo-nente a reemplazar sea un transistor o untriac cuyo precio real es apenas una pe-queña fracción del costo total. EL SSRsque desarrollaremos como aplicación eneste artículo, supera esta dificultad, man-teniendo las características superiores de

Figura 5

Figura 6

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funcionamiento de los módulos profesio-nales.

El SSR propuesto emplea un transis-tor bipolar (BJT) de potencia como ele-mento de conmutación y se destina paraaplicaciones DC. Se especifica para 24V/5A, pero puede utilizarse para conmutarcorrientes hasta de 15A y voltajes hastade 60V manteniendo el dispositivo acti-vo de salida (2N3055) dentro de su áreade operación segura (SOA). La máximafrecuencia de conmutación admisible esdel orden de 1 Khz., limitada principal-mente por las capacitancias parásitas delopto acoplador utilizado (4N33). Empleaun varistor como elemento activo de su-presión de picos.

A continuación, se realiza una brevedescripción del funcionamiento de cadauno de estos circuitos, se presentan losdiagramas esquemáticos correspondien-tes y se explica el proceso de construc-ción de los mismos. Todo el circuito pre-sentados es reparable en caso de falla ypuede ser fácilmente acondicionado acualquier necesidad particular de mane-jo de potencia.

FUNCIONAMIENTODescripción del circuito de entrada.

En la figura 8 se muestra un diagramageneral de bloques del SSRs descrito enesta aplicación. Este módulo consta deun circuito de entrada, un opto acopla-dor, un circuito de manejo (driver), undispositivo activo de salida y una red deprotección. Todo el conjunto se compor-ta como un interruptor de potencia quese cierra cuando se aplica a la entradauna señal de control adecuada y se abrecuando esta se suspende (figura 9). Enel primer caso (estado ON), la caída devoltaje sobre el interruptor es muy baja,del orden de 1.2V, y la corriente a travésdel mismo es igual a la corriente decarga, unos 8A. En el estado OFF, sólocircula una débil corriente de fuga, p.e.2mA, y el voltaje en los bornes delinterruptor es igual al voltaje de la fuentede potencia.

El circuito de entrada recibe la señalde control y produce la corriente de exci-tación del opto acoplador, protegiéndolo

en caso de sobrevoltaje o voltaje de en-trada invertido. El opto acoplador, cons-tituido por un IRED (LED infrarrojo) yun foto detector integrados en la mismacápsula, aísla el circuito de entrada de laetapa de potencia, transfiriendo las seña-les entre ambos bloques por vía óptica ysin ningún tipo de conexión eléctrica en-tre ellos. El foto detector puede ser unfototransistor, un fotodarlington, un fo-toFET, un fototriac, etc., y está separadodel IRED por una barrera transparenteaislante con una capacidad dieléctrica devarios kilovoltios.

En la figura 10 se presentan el diagra-ma esquemático completo del SSR pro-puesto. Al aplicar un voltaje de controlVIN, de magnitud y polaridad adecuadas,circula una corriente de polarización IFa través del LED del opto acoplador Ul yéste emite de luz infrarroja en el interiorde la cápsula. Dicha radiación es capta-da por el foto detector y convertida encorriente que se utiliza para impulsar di-recta o indirectamente el dispositivo ac-tivo encargado de conmutar la potenciade la carga.

Las resistencias R1 y R3 limitan lacorriente a través de D3 y el LED de Ul aun valor seguro. Los demás elementoscumplen funciones auxiliares. Por ejem-plo, D2 y D4 protegen los LEDs en casode una inversión de la polaridad del vol-taje de control y Q1 bloquea el paso decorriente hacia el opto acoplador cuandoéste es superior a l5V. Este umbral lodetermina el diodo zener D1.

En condiciones normales, con volta-jes de entrada positivos inferiores a 15V,Di, D2, D4 y Q1 permanecen esencial-mente OFF y solamente circula corrientea través de los LEDS. Cuando el voltajede control supera la barrera de los 15V,D1 se dispara y permite la circulación decorriente de base a través de R2. Comoresultado, Ql conduce y bloquea el pasode corriente hacia el opto acoplador. Algosimilar sucede cuando se aplica un vol-taje de entrada invertido. En este caso,conducen D2 y D4, evitando que la ten-sión inversa de entrada quede aplicada alos LEDS. La máxima tensión inversa(VR) que puede ser aplicada a un LED

antes de destruirse es del orden de 3 a 6voltios.

La magnitud de la corriente que cir-cula a través del LED del opto acoplador(IF) debe ser siempre inferior a la máxi-ma admisible por el dispositivo, pero su-ficiente para garantizar el disparo segurodel detector dentro de las condicionesnormales de operación. Para efectos prác-ticos, esta corriente puede evaluarse comosigue:

IF=(Vin-Vf/R1)Siendo Vin el voltaje de entrada, R1

la resistencia de limitación y Vf la caídadirecta de voltaje sobre el LED de U1.Se asume que las corrientes de fuga a tra-vés de Q1 y D2 son despreciables. Estamisma formula puede aplicarse para elcalculo de la corriente a través de D3 sus-tituyendo R1 por R3. Para LEDs de pro-pósito general, puede considerarseIfmax=20mA y Vf=2.0V para LEDs ro-jos, 2.1V para los amarillos y 2.2V paralos verdes. Por tanto, con R3=2.2K yVin=9V, entonces If=3.2mA.

Para proporcionar márgenes de ope-ración más amplios, por ejemplo desde 2hasta 40 voltios, la red formada por R1,D1 R2 y Q1 puede ser sustituida por undiodo regulador de corriente (un JFETcon la compuerta conectada al surtidor).Este componente aumenta o disminuyeel voltaje de entrada. El resultado neto esuna corriente prácticamente constante,por ejemplo 20mA, a través del led delopto acoplador.

DESCRIPCIÓN DEL CIRCUITO DESALIDA

Como puede observarse en el diagra-ma esquemático de la figura 10, el SSRsdescrito posee protección contra corrien-tes excesivas, fatiga térmica y picos deconmutación inductiva. Además está pro-visto de un disipador de calor eléctrica-mente aislado de la cápsula y se utilizaun fusible estándar (F1) para protegerlode corrientes de carga superiores a la es-pecificada. La alimentación del circuitode control puede provenir del circuito decarga o de una fuente independiente.

Figura 8

Figura 9

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RELÉ DE ESTADO SÓLIDO DC CONTRANSISTOR DE POTENCIA.

El circuito de salida del SSR utilizaun transistor bipolar de potencia 2N3055(Q2) manejado por un opto acopladordarlington (U1). Una vez disparado Ul,circula una corriente de base a través deQ2 y este transistor conduce, permitien-do la circulación de corriente a través dela carga corriente a través de la carga. El2N3055 tiene una ganancia de corriente(hFE) mínima de 40 y exige una corrientede base del orden de 60mA para conmu-tar una corriente de colector de 5A a24VDC. Bajo estas condiciones, la caí-da de voltaje sobre Q2 en el estado deON puede estar entre 1V y 2V, y la co-rriente de fuga en el estado de OFF fluc-tuar desde 10uA hasta 1mA.

El 4N33, por su parte, puede propor-cionar hasta 100mA de corriente de co-lector, una capacidad suficiente para dis-parar una amplia gama de transistores depotencia. El varistor (MOVI) actúa comosupresor de transientes, protegiendo eltransistor de salida de picos de alto vol-taje originados durante la conmutaciónde cargas inductivas. Si se prefiere, pue-de ser sustituido por un diodo zener o undiodo de fijación de 50V. La resistenciaR4 evita que las corrientes de fuga de Ulpolaricen directamente el transistor desalida y mejora los tiempos de conmuta-ción del sistema. Su valor debe elegirsede modo que la caída de voltaje debida ala corriente de fuga sea inferior a 0.7V yla corriente drenada en el estado de ONsea una fracción muy pequeña de la co-rriente de base de Q2.

CONSTRUCCIÓN Y PRUEBAEn la figura 11 se presenta la guía de

montaje del relé de estado sólido descri-to en este artículo. La lista completa demateriales se proporciona en el recuadroadjunto. La tarjeta ensamblada puede serinstalada en el interior de un chasis ade-cuado, preferiblemente plástico, o utili-zadas como circuitos de interfase abier-tos en circuitos existentes. Por seguri-dad, todos los dispositivos activos debenestar eléctricamente aislados de sus res-pectivos disipadores de calor.

Realice el ensamble de la tarjeta si-guiendo los procedimientos usuales. Ins-tale primero los componentes de bajoperfil como puentes, terminales, diodos,resistencias y bases de circuitos integra-dos. Continué con los LEDS, los tran-sistores de baja señal (2N3904), los con-densadores, el varistor, los soportes de losfusibles y los conectores de entrada y sa-lida. Por último, instale los semiconduc-

LISTA DE COMPONENTESSSR DC con transistor

Resistencias (1/2W, 0,5%)R1: lkR2: 270WR3: 2.2k 0.25WR4: 3.9K

SemiconductoresD1 Diodo Zener: 15V/O.5W (1N5244B)D2, D4: Diodos rectificadores lN4004D3: LED de propósito general, rojoQl: Transistor NPN 2N3904 o equivalenteQ2: Transistor de potencia NPN 2N3055MOV1: Varistor de 50V/14J

Circuitos integradosU l: opto acoplador 4N33

Otros1 Disipador de calor para cápsula TO-3 (Q2)Conectores de tormilloFusible corte de: 10A (Fl)Soportes para fusible (Fl)

tores de potencia en sus respectivos disi-padores y asegúrelos a las tarjetas en laforma usual. No olvide aplicar grasa desilicona en las superficies de contacto dela arandela aislante con la cápsula y eldisipador. Esta precaución no es necesa-ria si se emplean arandelas aislantes blan-das de silicona.

Para probar el módulo puede utilizarel montaje indicado en la figura 12 . Laseñal de control puede provenir, porejemplo, de una simple batería de 9V, lasalida de un circuito lógico TTL o CMOSo, en general, cualquier fuente de señalentre 3V y 15V. Como carga puede utili-zarse una lámpara, un motor, un calefac-tor, etc., dentro de las especificacionesde corriente y voltaje del sistema. La car-ga debe energizarse cuando la señal decontrol sea de nivel alto y desenergizar-se cuando la misma sea inferior al um-bral de disparo del SSR (2 o 3V), negati-va o superior a 15V.

Figura 10

Figura 11

Figura 12

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