Guía Experta de Circuitos de Interruptores de Relé Electrónicos: Diseños NPN, PNP y Canal N/P

Diagrama del Circuito de Interruptor de Relé Electrónico y su Funcionamiento

Existen diversos dispositivos eléctricos y electrónicos clasificados como salidas, utilizados para controlar o accionar procesos físicos externos de una máquina o dispositivo. Estos dispositivos de salida se denominan comúnmente actuadores.

Los actuadores convierten la energía eléctrica en magnitudes físicas como fuerza, velocidad, etc. Un relé es básicamente un actuador binario con dos estados estables. En este artículo, analizaremos en detalle el circuito de interruptor de relé, sus diseños y características.

¿Qué son los Relés Eléctricos?

Son interruptores accionados eléctricamente que se presentan en diversas formas, tamaños y potencias nominales. Los relés eléctricos son adecuados para casi todo tipo de aplicaciones. Pueden tener contactos simples o múltiples dentro de un mismo encapsulado. Los relés de mayor potencia se emplean principalmente en aplicaciones de conmutación de tensión de red o corriente alta, denominados contactores. Veamos las clasificaciones de los relés.

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Los relés eléctricos se dividen básicamente en dos subcategorías:

Relés Electromecánicos:

Como su nombre indica, los relés electromecánicos son dispositivos electromagnéticos. Convierten el flujo magnético generado por una señal de control eléctrica en una fuerza mecánica de tracción que acciona los contactos eléctricos dentro del interruptor del relé. La forma más simple y común de relés electromecánicos consta de una bobina energizante enrollada alrededor de un núcleo de hierro permeable. Esta bobina también se denomina circuito primario.

Los relés electromecánicos se utilizan en control y conmutación eléctrica y electrónica general. Se montan directamente en placas PCB o como unidades independientes. En configuración independiente, las corrientes de carga suelen ser del orden de un amperio.

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Construcción del Relé Electromecánico

Los relés se configuran en dos modos: Normalmente Abierto (NA) o Normalmente Cerrado (NC). Un par de contactos se llama Normalmente Abierto (NA) o contactos de trabajo, y otro conjunto Normalmente Cerrado (NC) o contactos de reposo.

En posición normalmente abierta, los contactos se cierran solo cuando la corriente de campo está ON. En posición normalmente cerrada, los contactos del interruptor son atraídos hacia la bobina inductiva. Una de las partes más importantes de cualquier relé eléctrico es la bobina. Esta convierte la corriente eléctrica en flujo electromagnético. Estos flujos magnéticos se utilizan para accionar mecánicamente los contactos del relé. El mayor problema con las bobinas de relé es que son cargas altamente inductivas. La bobina del relé generalmente está hecha de alambre enrollado.

Al circular corriente por la bobina, se genera un campo magnético autoinducido a su alrededor. Cuando la corriente se apaga OFF en la bobina, se produce una gran tensión de contra-EMF. Esto se debe a la colisión del flujo magnético con la bobina. El valor de tensión inversa inducida es muy alto comparado con la tensión de conmutación. Esta tensión es capaz de dañar cualquier dispositivo semiconductor como transistores, FET o microcontroladores usados para accionar el relé.

Nota: Estos términos Normalmente Abierto y Normalmente Cerrado o Contactos de Trabajo y Reposo se refieren al estado de los contactos eléctricos cuando la bobina del relé está desenergizada, es decir, sin tensión de alimentación conectada a la bobina del relé.

Un punto importante al usar relés eléctricos: No es aconsejable conectar contactos de relé en paralelo para manejar corrientes de carga mayores. Ejemplo: Nunca intente alimentar una carga de 10A con dos contactos de relé en paralelo que tengan 5A de capacidad nominal cada uno.

Los contactos del relé se construyen con piezas conductoras que permiten el paso de corriente al contactar. Están diseñados como un interruptor. En cuanto los contactos se abren, la resistencia entre ellos se vuelve muy alta, resultando en condición de circuito abierto y no circula corriente a través del relé.

Con el tiempo, las partes móviles del relé electromecánico se desgastan y fallan, o el arco y erosión constantes pueden volver el relé inutilizable. Además, son eléctricamente ruidosos con contactos que sufren rebote, lo que puede afectar el circuito eléctrico al que están conectados. Para superar estas dificultades, se desarrolló otro tipo de relé llamado relé de estado sólido.

Relé de Estado Sólido (SSR):

El relé de estado sólido no tiene partes móviles. Es un dispositivo puramente electrónico donde los contactos mecánicos son reemplazados por transistores de potencia, tiristores o triacs.

La ausencia de partes móviles hace al relé altamente fiable, duradero y con interferencia electromagnética reducida. Esto hace que el SSR sea mucho más rápido y preciso comparado con el relé electromecánico convencional. Los requisitos de potencia de entrada para control del SSR son generalmente lo suficientemente bajos para ser compatibles con la mayoría de familias de IC.

Como el dispositivo de conmutación de salida de un SSR es un dispositivo semiconductor, la caída de tensión a través de los terminales de salida cuando está ON es mucho mayor comparada con la del relé electromecánico. Típicamente, está entre 1.5 – 2.0 voltios. Se requerirá un disipador de calor adicional para conmutar corrientes grandes durante períodos prolongados.

Pueden usarse sin necesidad de añadir drivers o amplificadores. Sin embargo, deben montarse sobre disipadores de calor adecuados para evitar el sobrecalentamiento del dispositivo semiconductor de conmutación de salida. El diseño y tipo de circuito de conmutación de relé es muy amplio. Un relé se dice que conmuta uno o más polos como un circuito de interruptor simple. Cada polo del relé tiene contactos que pueden lanzarse de tres formas diferentes:

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Diferentes formas en que el relé puede ser lanzado:

• Contacto Normalmente Abierto (NA): También llamado contacto de trabajo. Cierra el circuito cuando el relé se activa. Desconecta el circuito cuando el relé está inactivo.
• Contacto Normalmente Cerrado (NC): Conocido como contacto de reposo. Su función es opuesta a la del contacto NA. Cuando el relé se activa, el circuito se desconecta. Cuando el relé se desactiva, el circuito se conecta.
• Contactos de Conmutación (CO) / Doble Tiro (DT): Se usan para controlar un contacto NA y un contacto NC con un terminal común. Es decir, controlan dos tipos de circuito. Según su tipo se llaman contactos romper antes de hacer y hacer antes de romper.

Importante:

Los relés están diseñados para dos operaciones básicas: aplicaciones de baja tensión y alta tensión. Para baja tensión, el relé está diseñado para reducir el ruido del circuito completo. Para alta tensión, están diseñados principalmente para reducir el fenómeno del arco eléctrico.

Algunas formas comunes de conmutar relés:

Módulo de interfaz entrada-salida relé: Los Módulos I/O son otro tipo de relé de estado sólido, diseñados específicamente para interconectar dispositivos como computadoras, microcontroladores o PICs a cargas e interruptores. Básicamente hay cuatro tipos de módulos I/O disponibles en el mercado.

Estos son: Entrada CA o CC a salida nivel lógico TTL o CMOS, y entrada lógica TTL o CMOS a salida tensión CA o CC. Cada módulo contiene toda la circuitería necesaria para proporcionar una interfaz completa y aislamiento dentro de un solo dispositivo. Están disponibles como módulos de estado sólido individuales o integrados en dispositivos de 4, 8 o 16 canales.

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Circuito de Interruptor de Relé NPN:

Un típico circuito de interruptor de relé NPN tiene la bobina accionada por un interruptor de transistor NPN. Cuando la tensión de base del transistor es cero, el transistor estará en región de corte y actuará como interruptor abierto. En esta situación, no circula corriente de colector y la bobina del relé está desenergizada.

Si no hay corriente fluyendo hacia la base, tampoco fluirá corriente a través de la bobina del relé. Si ahora se inyecta una gran corriente positiva en la base para saturar el transistor NPN, la corriente comienza a fluir de base a emisor.

Circuito de Interruptor de Relé PNP:

El circuito de interruptor de relé PNP necesita diferente polaridad de tensión de operación. Es similar al circuito de conmutación NPN en cuanto a su capacidad para controlar la bobina del relé. Por ejemplo, la tensión colector-emisor debe ser negativa para el tipo PNP para hacer circular corriente del emisor al colector.

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Circuito de Interruptores de Relé Canal N:

La operación de conmutación de relé con MOSFET es bastante similar a la operación de interruptor con Transistor de Unión Bipolar (BJT). La principal diferencia es que los MOSFET son dispositivos controlados por tensión. Sin embargo, la compuerta (Gate) está eléctricamente aislada del canal Drenador-Fuente. Los MOSFET de mejora canal N son el tipo más usado. Una tensión positiva en el terminal de compuerta conmuta el MOSFET ON y una tensión negativa lo pone OFF. Esto lo hace ideal para interruptor de relé MOSFET.

Circuito de Interruptores de Relé Canal P:

A diferencia del MOSFET de mejora canal N, opera solo con tensiones negativas de compuerta. En esta configuración, el terminal de fuente del canal P se conecta a +Vdd y el terminal de drenaje a tierra. Ambos están conectados a través de la bobina del relé. Cuando se aplica un nivel de tensión ALTO al terminal de compuerta, el MOSFET canal P se apaga OFF consecuentemente.

Puntos a considerar al elegir un relé adecuado:

• Asegúrese de que tengan buena protección de bobina y protección de contactos
• Busque relés estándar con aprobaciones regulatorias
• Opte por relés de conmutación de alta velocidad
• Elija sabiamente el tipo de contactos
• Verifique que exista aislamiento entre el circuito de bobina y contactos en su relé

Entendamos el funcionamiento del circuito de relé con un ejemplo:

Supongamos que necesita encender una bombilla CFL usando un interruptor de relé. En este circuito, usamos un pulsador para activar un relé de 5V, que a su vez completa el segundo circuito y enciende la lámpara.

Reúna los siguientes componentes para diseñar el circuito:

• Relé 5V
• Portalámparas
• CFL
• Pulsador ON/OFF
• Placa de perforado (Perf-Board)
• Batería 9V
• Alimentación CA

Un interruptor ON/OFF típico se añade para la conmutación del dispositivo relé. En el circuito anterior, el relé de 5V se alimenta con una batería de 9V. Inicialmente, con el interruptor abierto, no circula corriente por la bobina. Como resultado, el Puerto Común del relé está conectado al contacto NA (Normalmente Abierto). Por tanto, la LÁMPARA permanece APAGADA.

Cuando el interruptor se cierra, comienza a circular corriente por la bobina. Se genera un campo magnético que atrae el armadura móvil por inducción electromagnética y el Puerto Común se conecta con el contacto NC (Normalmente Cerrado) del relé. Como resultado, la CFL se enciende ON.

Las principales desventajas de los relés de estado sólido comparados con un relé electromecánico de potencia equivalente son sus mayores costos. Solo están disponibles tipos unipolares unidireccionales (SPST), circulan corrientes de fuga en estado OFF a través del dispositivo de conmutación, y una alta caída de tensión y disipación de potencia en estado ON resulta en requisitos adicionales de disipación de calor. Además, los SSR típicos no pueden conmutar corrientes de carga muy pequeñas o señales de alta frecuencia como audio o video. Sin embargo, existen interruptores de estado sólido especiales para este tipo de aplicaciones.

Tanto el relé electromecánico como el de estado sólido son de gran importancia en la vida diaria. Puede elegir cualquiera según sus requisitos. Los relés de estado sólido tienen un precio inicial más elevado e intimidante comparados con los electromecánicos.

Sin embargo, el movimiento de este contacto de relé de estado sólido se genera usando fuerzas electromagnéticas desde la señal de entrada de baja potencia. Esto permite completar el circuito que contiene la señal de alta potencia. Por tanto, los relés de estado sólido son superiores a los electromecánicos. Los relés electromecánicos son tecnología relativamente antigua que usa un enfoque de diseño mecánico simple.

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Aplicaciones:

Existe una amplia gama de aplicaciones de relés. Algunas de las más comunes son:

• Los circuitos de relé pueden usarse para realizar funciones lógicas
• También proporcionan lógica crítica de seguridad
• Los relés pueden usarse para proporcionar funciones de retardo temporal
• Se usan para controlar circuitos de alta corriente con la ayuda de señales de baja corriente

En este artículo, hemos discutido los diferentes tipos de relés, su funcionamiento y aplicaciones. Ahora tiene un buen conocimiento de los relés y sus funciones. Tras leer este artículo, podrá diseñar un relé por su cuenta sin inconvenientes.

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