Relé electromecánico

La tecnología de los relés incluye:
Conceptos básicos del relé Reed Especificaciones del relé Reed Circuitos del relé Relé de estado sólido

Un relé eléctrico es un interruptor eléctrico operado electromagnéticamente – un interruptor electromecánico. Una corriente relativamente pequeña se utiliza para crear un campo magnético en una bobina dentro de un núcleo magnético y esto se utiliza para operar un interruptor que puede controlar una corriente mucho más grande.

De esta manera, un relé electromecánico o relé eléctrico puede utilizar una pequeña corriente para conmutar una corriente mucho más grande y permitir que ambos circuitos estén eléctricamente aislados el uno del otro.

Los relés eléctricos vienen en una variedad de diferentes tamaños y pueden ser de una variedad de diferentes tipos que utilizan tecnologías ligeramente diferentes, aunque todos utilizan el mismo concepto básico.

Aunque se puede considerar que los relés electromecánicos utilizan en algunos aspectos una tecnología antigua, y que los relés de estado sólido/interruptores de estado sólido son un medio más eficaz para conmutar la corriente eléctrica.

No obstante, los relés electromecánicos tienen algunas propiedades únicas que los hacen ideales para muchas aplicaciones, donde otros tipos pueden no ser tan eficaces. Dicho esto, los interruptores de estado sólido, los relés de estado sólido o los interruptores electrónicos son ampliamente utilizados y han tomado el relevo en muchas áreas en las que anteriormente se utilizaban los relés electromecánicos como interruptores eléctricos.

Símbolo del circuito del relé

Los símbolos del circuito para los relés electromecánicos pueden variar un poco – como la mayoría de los símbolos del circuito. El formato más utilizado muestra la bobina del relé como una caja, y los contactos se colocan cerca como se muestra a continuación.

Otros circuitos, especialmente los nuevos que pueden ser un poco más antiguos pueden mostrar la bobina del relé como una bobina real. Aunque esto no se ajusta a las últimas normas de símbolos de circuitos de relés, sin embargo puede verse en algunos casos y describe bien el interior del relé.

Es posible que haya más conjuntos de contactos de interruptor eléctrico. De la misma manera que es posible tener varios polos en un interruptor, se puede hacer lo mismo con los relés. Es posible tener varios conjuntos de contactos de interruptor para cambiar sobre múltiples circuitos.

Básicos del interruptor de relé

Un relé es una forma de interruptor eléctrico que es operado por electroimán que cambia sobre la conmutación cuando la corriente se aplica a la bobina.

Estos relés pueden ser operados por circuitos de conmutación donde el interruptor no puede tomar la alta corriente del relé eléctrico, o pueden ser operados por circuitos electrónicos, etc. En cualquiera de las circunstancias proporcionan una propuesta muy simple y atractiva para la conmutación eléctrica.

Los relés tienen una serie de partes básicas que forman el relé.

• Armazón: Se requiere un marco mecánico para mantener los componentes en su lugar. Este marco es normalmente bastante robusto para que pueda soportar firmemente los elementos adicionales del relé electromecánico sin movimiento relativo.
• Bobina: Se necesita una bobina enrollada alrededor de un núcleo de hierro para aumentar la atracción magnética. La bobina de alambre hace que se cree un campo electromagnético cuando se conecta la corriente y provoca la atracción de la armadura.
• Armadura: Es la parte móvil del relé. Este elemento del relé abre y cierra los contactos y tiene un metal ferromagnético para ser atraído por el electroimán. El conjunto tiene un muelle acoplado que devuelve la armadura a su posición original.
• Contactos: Los contactos son accionados por la acción del movimiento de la armadura. Algunos de los contactos de conmutación eléctrica pueden cerrar el circuito cuando se activa el relé, mientras que otros pueden abrir un circuito. Estos se conocen como normalmente abiertos y normalmente cerrados.

El diseño del relé implica una serie de aspectos. Es un elemento clave del diseño obtener el flujo magnético necesario para atraer la armadura con suficiente rapidez, sin consumir una corriente excesiva. También es necesario garantizar que el relé pueda abrirse rápidamente una vez retirada la corriente de activación. La retención magnética en los materiales debe ser baja.

Cuando una corriente fluye a través de la bobina se crea un campo electromagnético. El campo atrae una armadura de hierro, cuyo otro extremo empuja los contactos, completando el circuito. Cuando la corriente se desconecta, los contactos se abren de nuevo, apagando el circuito.

Al especificar los relés electromecánicos, se verá que los contactos del interruptor eléctrico vienen en una variedad de formatos. Al igual que los interruptores eléctricos ordinarios, los relés electromecánicos se definen en términos de rupturas, polos y tiros que tiene el dispositivo.

• Ruptura: Mientras que muchos de los términos aplicados a los relés electromecánicos se aplican también a los interruptores eléctricos de baja potencia, éste es más aplicable a la conmutación de mayor potencia. Es el número de lugares o contactos separados en los que se utiliza un interruptor para abrir o cerrar un único circuito eléctrico.
  Todos los relés son de simple ruptura o de doble ruptura. Una ruptura simple, el contacto SB rompe un circuito eléctrico en un solo lugar. Entonces, como su nombre indica, un contacto de doble ruptura, DB, rompe el circuito en dos lugares.
  Los contactos de simple ruptura se utilizan normalmente cuando se conmutan dispositivos de baja potencia, posiblemente circuitos electrónicos o aplicaciones de conmutación eléctrica de baja potencia. Los contactos de doble ruptura se utilizan para la conmutación eléctrica de dispositivos de alta potencia. Si uno de los contactos se atasca, es probable que el otro siga conmutando y rompiendo el circuito.
• Polo: El número de polos que posee un interruptor eléctrico es el número de conjuntos diferentes de contactos de conmutación que tiene. Un interruptor unipolar sólo puede conmutar un circuito, mientras que un interruptor bipolar puede conmutar dos circuitos diferentes y aislados al mismo tiempo. Un interruptor unipolar se suele denotar con las letras SP, y un bipolar con DP. Los relés pueden tener uno, dos o más polos.
• Tiro: El número de tiros de un interruptor eléctrico es el número de posiciones que están disponibles. En el caso de un relé electromecánico, normalmente sólo hay uno o dos lanzamientos. Un relé de un solo tiro hará y romperá un circuito, mientras que un relé de doble tiro actuará como un cambio de ruta de una conexión de un punto final a otro diferente. Los relés de simple y doble efecto se designan a menudo con las letras ST y DT.

Por ejemplo, una especificación de relé eléctrico puede citar un polo único, un solo tiro: SPST o uno puede ser descrito como doble polo de un solo tiro: DPST, etc. Estos términos permiten conocer el número de juegos de contactos del interruptor y si son de apertura/cierre o si proporcionan una función de conmutación.

Contactos electromecánicos del relé

Para proporcionar un servicio fiable y maximizar la vida útil del relé. Se utilizan diferentes materiales en los contactos para garantizar que funcionen bien para su uso previsto.

Uno de los problemas que ocurren con los contactos es que se producen picaduras – normalmente el material tiende a acumularse en el centro de un contacto, mientras que hay una pérdida de material del otro donde se produce una «picadura». Esta es una de las principales causas de fallo de los contactos y ocurre especialmente cuando se generan chispas.

Diferentes relés tienen diferentes tipos de materiales utilizados para los contactos del interruptor dependiendo de las aplicaciones y el rendimiento requerido. Hay muchos acabados que se pueden utilizar, algunos de los más utilizados se enumeran a continuación con sus atributos.

• Plata: En muchos aspectos, la plata es uno de los mejores materiales de uso general para los contactos de relé que tienen un alto nivel de conductividad. Sin embargo, está sujeta a un proceso de sulfuración que depende obviamente de la atmósfera en la que opera el relé – es mucho mayor en las zonas urbanas. Este proceso provoca una fina película en la superficie con una conductividad reducida, aunque un mayor impacto en el cierre del contacto del relé puede romperla. La película también puede dar lugar a una tensión de interfaz de unas pocas décimas de voltio que puede afectar al rendimiento para algunas aplicaciones
• Níquel plateado: Este tipo de contacto se desarrolló para reducir los efectos de las picaduras. El contacto de plata se alea con níquel para darle una estructura de grano fino y, como resultado, la transferencia de material se produce de manera más uniforme en toda la superficie del contacto, lo que resulta en una mayor vida útil.
• Óxido de plata y cadmio: Los contactos fabricados con óxido de cadmio de plata no pueden igualar la altísima conductividad de los contactos de plata fina, pero ofrecen una mayor resistencia a la transferencia de material y a la pérdida de contacto como resultado de la formación de arcos. Esto significa que estos contactos suelen durar más que los de plata en las mismas condiciones.
• Oro: La alta conductividad y el hecho de que no se oxida significa que el oro es ideal para muchas aplicaciones de conmutación. Sólo se utiliza para la conmutación de baja corriente, ya que no es particularmente robusto… Normalmente, el oro se utiliza para reducir el coste y, como resultado de los bajos niveles de sulfuración, los contactos permanecen en buenas condiciones durante largos períodos. Uno de los problemas de los relés es que, si no se utilizan durante un tiempo, la resistencia de los contactos puede aumentar, algo que no ocurre con el oro.
• Tungsteno: El tungsteno se utiliza en los relés destinados a aplicaciones de alta tensión. Al tener un alto punto de fusión de más de 3380°C, tiene una excelente resistencia a la erosión del arco que se requiere para este tipo de conmutación.
• Mercurio: El mercurio se utiliza en un tipo especial de relé reed llamado relé reed humedecido con mercurio. Tiene una buena conductividad eléctrica y, como es un líquido, no hay picaduras causadas por la transferencia de material entre los contactos. Después de que se abran los contactos del interruptor, el mercurio vuelve a la reserva de mercurio necesaria para este tipo de relé y se utiliza mercurio nuevo para la siguiente acción de conmutación. Esta acción anula el efecto de cualquier transferencia de material durante la conmutación.

Aunque se utilizan muchos tipos diferentes de material y aleación, estos son la mayoría de los materiales y acabados de contacto comúnmente utilizados.

Limitación de la corriente de irrupción para mejorar la fiabilidad

Uno de los problemas clave que experimentan los sistemas de conmutación eléctrica: tanto los relés electromecánicos como los interruptores de estado sólido, es el de la corriente de irrupción.

Hay muchos ejemplos de lo grandes que pueden ser los niveles de corriente de irrupción. Una simple bombilla eléctrica incandescente doméstica ilustra bien este punto. Cuando está fría, el filamento tiene una baja resistencia, y sólo cuando la lámpara se calienta su resistencia disminuye. Normalmente, la corriente de entrada al encender puede ser de diez a quince veces la corriente de estado estable. Aunque las lámparas de estado sólido se utilizan ahora normalmente, este ejemplo sirve para ilustrar bien el punto.

Las cargas inductivas tradicionales, como los motores y los transformadores, que a menudo se conmutan mediante relés electromecánicos, tienen una corriente de irrupción muy alta. A menudo la corriente de irrupción puede ser fácilmente diez veces la corriente de estado estacionario, por lo que los contactos deben tener una capacidad nominal acorde.

En muchas áreas se hace una asignación para acomodar la corriente de irrupción. Se utiliza un factor por el que se multiplica la corriente de estado estacionario para obtener el valor nominal de los contactos. A continuación se ofrece una tabla de factores de multiplicación típicos.

Multiplicadores comunes utilizados para acomodar la corriente de arranque en los relés
Carga a conmutar	Multiplicador
Luces fluorescentes (CA)	10
Bombillas incandescentes	6
Motores	6
Calentadores resistivos	1
Transformadores	20

Por lo tanto, utilizando la tabla siguiente, si las luces fluorescentes van a ser conmutadas y normalmente consumen 1 A, entonces los contactos del relé deben ser de 20 A.

Otro problema se produce cuando se interrumpe el circuito. La FEM de retorno generada por la carga inductiva puede provocar fácilmente chispas que pueden destruir rápidamente los contactos del relé.

Métodos como la instalación de limitadores de irrupción en la carga, que suelen ser resistencias de coeficiente de temperatura negativo, pueden ayudar a limitar la corriente de irrupción, y los supresores de transitorios pueden ayudar a limitar la FEM de retorno.

Vida operativa del relé

Una de las cuestiones clave asociadas a los relés electromecánicos es la de la vida útil de los contactos. A diferencia de los relés de estado sólido y los interruptores electrónicos, los contactos mecánicos se desgastan con las conmutaciones y tienen una vida útil limitada.

Hay dos cifras disponibles para la vida útil de los relés electromecánicos:

• Esperanza de vida eléctrica: La esperanza de vida eléctrica es el número de acciones de conmutación que se realizan mientras la conmutación, es decir, los contactos, proporcionan el nivel requerido de conductividad. Depende en gran medida de la aplicación, como la corriente de irrupción y el arco eléctrico creado por la FEM de retorno, etc. Muchos relés de potencia tienen una esperanza de vida eléctrica de posiblemente 100 000 operaciones, aunque, como se ha mencionado, esto es muy dependiente de la carga que está conmutando.
• Esperanza de vida mecánica: La esperanza de vida mecánica se refiere a los aspectos mecánicos del relé. Es el número de conmutaciones mecánicas que pueden realizarse independientemente del rendimiento eléctrico. A menudo, la esperanza de vida mecánica de un relé es de unos 10.000.000 de operaciones o incluso mucho más.

El fin de la vida útil de los contactos se produce generalmente cuando los contactos se pegan o se sueldan, o cuando el arco eléctrico, etc., ha provocado una quemadura de los contactos y una transferencia de material tal que no se puede conseguir una resistencia de contacto suficiente. Las condiciones para ello dependerán del relé y de su aplicación. Normalmente, las especificaciones estarán definidas en la hoja de datos del relé.

Ventajas y desventajas de los relés

Como con cualquier tecnología, hay ventajas y desventajas en el uso de relés electromecánicos. Cuando se diseña un circuito, es necesario ponderar los aspectos positivos y negativos para seleccionar la tecnología adecuada para el circuito en cuestión.

A veces otra opción que se puede considerar cuando se requiere el aislamiento eléctrico entre dos circuitos puede ser un opto-aislador. Estos optoaisladores suelen estar incorporados en interruptores de estado sólido, a menudo también llamados relés de estado sólido, lo que permite alcanzar altos niveles de aislamiento. El uso de optoaisladores en interruptores de estado sólido/relés de estado sólido proporciona un aislamiento completo entre el circuito de entrada y el de salida.

Los relés electromecánicos se han utilizado durante muchos años como interruptores eléctricos y la tecnología está bien establecida. Estos relés electromecánicos o eléctricos pueden tolerar algunos abusos y normalmente son relativamente tolerantes a las sobretensiones o picos transitorios. En este sentido son mejores que los interruptores de estado sólido / relés de estado sólido y aunque se desgastan más rápidamente, especialmente cuando están conmutando cargas inductivas de que tienen que tolerar sobretensiones de conmutación en sus cargas.

Como los relés e interruptores de estado sólido están ahora presentes en el mercado y ofrecen altos niveles de fiabilidad, las opciones de los relés electromecánicos frente a los relés de estado sólido deben considerarse cuidadosamente. En algunos casos, los relés más antiguos están siendo sustituidos por relés de estado sólido, pero en otros casos, los relés electromecánicos pueden ofrecer la mejor opción..

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