Relé
Un relé es un interruptor operado eléctricamente. Consta de un conjunto de terminales de entrada para señales de control únicas o múltiples, y un conjunto de terminales de contacto de funcionamiento. El conmutador puede tener cualquier número de contactos en múltiples formas de contacto, como contactos de apertura, contactos de apertura o combinaciones de los mismos.
Los relés se utilizan cuando es necesario controlar un circuito mediante una señal independiente de baja potencia, o cuando varios circuitos deben controlarse mediante una señal. Los relés se utilizaron por primera vez en circuitos telegráficos de larga distancia como repetidores de señales: refrescan la señal que llega de un circuito al transmitirla en otro circuito. Los relés se utilizaron ampliamente en las centrales telefónicas y en las primeras computadoras para realizar operaciones lógicas.
La forma tradicional de un relé usa un electroimán para cerrar o abrir los contactos, pero también se han inventado relés que usan otros principios operativos, como los relés de estado sólido que usan propiedades de semiconductores para el control sin depender de partes móviles. Los relés con características operativas calibradas y, a veces, múltiples bobinas operativas se utilizan para proteger los circuitos eléctricos de sobrecargas o fallas; en los sistemas de energía eléctrica modernos estas funciones son realizadas por instrumentos digitales todavía llamados relés de protección.
Los relés de enclavamiento requieren solo un pulso de potencia de control para operar el interruptor de manera persistente. Otro pulso aplicado a un segundo conjunto de terminales de control, o un pulso con polaridad opuesta, restablece el interruptor, mientras que los pulsos repetidos del mismo tipo no tienen efectos. Los relés de enganche magnético son útiles en aplicaciones en las que la energía interrumpida no debería afectar los circuitos que controla el relé.
Historia
En 1809, Samuel Thomas von Sömmerring diseñó un relé electrolítico como parte de su telégrafo electroquímico.
Los relés únicamente eléctricos comenzaron como una mejora adicional de los telégrafos, con el científico estadounidense Joseph Henry, a quien se cita a menudo por haber inventado un relé en 1835 para mejorar su versión del telégrafo eléctrico, desarrollado a principios de 1831.
Sin embargo, no se emitió una patente oficial hasta 1840 a Samuel Morse para su telégrafo, que ahora se llama relé. El mecanismo descrito actuó como un amplificador digital, repitiendo la señal del telégrafo y permitiendo así que las señales se propagaran hasta donde se deseara.
La palabra relé aparece en el contexto de las operaciones electromagnéticas desde 1860 en adelante.
Diseño básico y funcionamiento
Un relé electromagnético simple consta de una bobina de alambre envuelta alrededor de un núcleo de hierro dulce (un solenoide), un yugo de hierro que proporciona una ruta de baja reluctancia para el flujo magnético, una armadura de hierro móvil y uno o más conjuntos de contactos (hay dos contactos en el relé que se muestra en la imagen). La armadura está articulada al yugo y conectada mecánicamente a uno o más conjuntos de contactos móviles. La armadura se mantiene en su lugar mediante un resorte, de modo que cuando el relé se desactiva, hay un espacio de aire en el circuito magnético. En esta condición, uno de los dos conjuntos de contactos en el relé que se muestra en la imagen está cerrado y el otro conjunto está abierto. Otros relés pueden tener más o menos conjuntos de contactos según su función. El relé de la imagen también tiene un cable que conecta la armadura al yugo. Esto asegura la continuidad del circuito entre los contactos móviles de la armadura y la pista del circuito en la placa de circuito impreso (PCB) a través del yugo, que está soldado a la PCB.
Cuando una corriente eléctrica pasa a través de la bobina, genera un campo magnético que activa la armadura y el movimiento consiguiente de los contactos móviles establece o interrumpe (dependiendo de la construcción) una conexión con un contacto fijo. Si el conjunto de contactos estaba cerrado cuando el relé estaba desenergizado, entonces el movimiento abre los contactos y rompe la conexión, y viceversa si los contactos estaban abiertos. Cuando se corta la corriente a la bobina, la armadura regresa a su posición relajada por una fuerza, aproximadamente la mitad de fuerte que la fuerza magnética. Por lo general, esta fuerza la proporciona un resorte, pero la gravedad también se usa comúnmente en los arrancadores de motores industriales. La mayoría de los relés están fabricados para operar rápidamente. En una aplicación de bajo voltaje, esto reduce el ruido; en una aplicación de alto voltaje o corriente, reduce la formación de arcos.
Cuando la bobina se energiza con corriente continua, a menudo se coloca un diodo de retorno o una resistencia amortiguadora a lo largo de la bobina para disipar la energía del campo magnético que colapsa (EMF posterior) en la desactivación, lo que de otro modo generaría un pico de voltaje peligroso para el semiconductor. componentes del circuito Dichos diodos no se usaban mucho antes de la aplicación de los transistores como controladores de relés, pero pronto se volvieron omnipresentes ya que los primeros transistores de germanio eran fácilmente destruidos por esta oleada. Algunos relés automotrices incluyen un diodo dentro de la caja del relé. Las resistencias, si bien son más duraderas que los diodos, son menos eficientes para eliminar los picos de voltaje generados por los relés y, por lo tanto, no se usan con tanta frecuencia.
Si el relé está impulsando una carga grande, o especialmente reactiva, puede haber un problema similar de sobrecorriente alrededor de los contactos de salida del relé. En este caso, un circuito amortiguador (un condensador y una resistencia en serie) entre los contactos puede absorber la sobretensión. Los capacitores de capacidad nominal adecuada y la resistencia asociada se venden como un solo componente empaquetado para este uso común.
Si la bobina está diseñada para ser energizada con corriente alterna (CA), se utiliza algún método para dividir el flujo en dos componentes desfasados que se suman, aumentando la tensión mínima en la armadura durante el ciclo de CA. Por lo general, esto se hace con un pequeño "anillo de sombreado" engarzado alrededor de una parte del núcleo que crea el componente desfasado retrasado, que mantiene los contactos durante los cruces por cero del voltaje de control.
Los materiales de contacto para relés varían según la aplicación. Los materiales con baja resistencia de contacto pueden oxidarse con el aire o tienden a "pegarse" en lugar de separarse limpiamente al abrir. El material de contacto puede optimizarse para una baja resistencia eléctrica, alta resistencia para soportar operaciones repetidas o alta capacidad para soportar el calor de un arco. Cuando se requiere una resistencia muy baja o se desean voltajes inducidos térmicamente bajos, se pueden usar contactos chapados en oro, junto con paladio y otros metales semipreciosos no oxidantes. Los contactos plateados o plateados se utilizan para la conmutación de señales. Los relés humedecidos con mercurio abren y cierran los circuitos usando una película delgada de mercurio líquido que se renueva automáticamente. Para relés de mayor potencia que conmutan muchos amperios, como los contactores de circuitos de motores, los contactos se hacen con una mezcla de plata y óxido de cadmio, lo que proporciona una baja resistencia de contacto y una alta resistencia al calor del arco. Los contactos utilizados en circuitos que transportan decenas o cientos de amperios pueden incluir estructuras adicionales para la disipación de calor y la gestión del arco producido al interrumpir el circuito. Algunos relés tienen contactos reemplazables en campo, como ciertos relés de máquinas herramienta; estos pueden reemplazarse cuando se desgastan, o cambiarse entre un estado normalmente abierto y normalmente cerrado, para permitir cambios en el circuito controlado.
Terminología
Dado que los relés son interruptores, la terminología aplicada a los interruptores también se aplica a los relés; un relé conmuta uno o más polos, cada uno de cuyos contactos puede ser expulsado al energizar la bobina. Los contactos normalmente abiertos (NA) conectan el circuito cuando se activa el relé; el circuito se desconecta cuando el relé está inactivo. Los contactos normalmente cerrados (NC) desconectan el circuito cuando se activa el relé; el circuito está conectado cuando el relé está inactivo. Todas las formas de contacto involucran combinaciones de conexiones NO y NC.
La Asociación Nacional de Fabricantes de Relés y su sucesora, la Asociación de la Industria de Relés e Interruptores, definen 23 formas distintas de contacto eléctrico que se encuentran en relés e interruptores. De estos, los siguientes son comúnmente encontrados:
- SPST-NO (Single-Pole Single-Throw, Normalmente-Open) relés tienen un solo formulario Un contacto o hacer contacto. Estos tienen dos terminales que pueden conectarse o desconectarse. Incluyendo dos para la bobina, tal relé tiene cuatro terminales en total.
- SPST-NC (Single-Pole Single-Throw, Normalmente-Closed) relés tienen un solo formulario B o descanso contacto. Como con un relé SPST-NO, tal relé tiene cuatro terminales en total.
- SPDT Los relés tienen un único conjunto de formulario C, romper antes de hacer o transferencia contactos. Es decir, un terminal común se conecta a cualquiera de dos otros, nunca conectando a ambos al mismo tiempo. Incluyendo dos para la bobina, tal relé tiene un total de cinco terminales.
- DPST – Los relés de una sola punta de doble polo son equivalentes a un par de interruptores de SPST o relés accionados por una sola bobina. Incluyendo dos para la bobina, tal relé tiene un total de seis terminales. Los polos pueden ser el formulario A o el formulario B (o uno de cada uno; las designaciones NO y NC debe utilizarse para resolver la ambigüedad).
- DPDT – Los relés de doble punta tienen dos conjuntos de contactos de formulario C. Estos son equivalentes a dos interruptores SPDT o relés accionados por una sola bobina. Tal relé tiene ocho terminales, incluyendo la bobina
- Formulario D – hacer antes del descanso
- Forma E – combinación de D y B
El designador S (único) o D (doble) para el conteo de polos se puede reemplazar con un número, que indica múltiples contactos conectados a un solo actuador. Por ejemplo, 4PDT indica un relé de dos vías de cuatro polos que tiene 12 terminales de conmutación.
EN 50005 se encuentran entre los estándares aplicables para la numeración de terminales de relé; Los terminales típicos de un relé SPDT compatible con EN 50005 estarían numerados 11, 12, 14, A1 y A2 para las conexiones C, NC, NA y de bobina, respectivamente.
DIN 72552 define números de contacto en relés para uso automotriz:
- 85 = bobina de relé -
- 86 = bobina de relé +
- 87 = contacto común
- 87a = contacto normalmente cerrado
- 87b = contacto normalmente abierto
Tipos
Relé coaxial
Cuando los transmisores y receptores de radio comparten una antena, a menudo se usa un relé coaxial como relé TR (transmisión-recepción), que cambia la antena del receptor al transmisor. Esto protege al receptor de la alta potencia del transmisor. Dichos relés se utilizan a menudo en transceptores que combinan transmisor y receptor en una sola unidad. Los contactos del relé están diseñados para no reflejar ninguna potencia de radiofrecuencia hacia la fuente y para proporcionar un aislamiento muy alto entre los terminales del receptor y el transmisor. La impedancia característica del relé se adapta a la impedancia de la línea de transmisión del sistema, por ejemplo, 50 ohmios.
Contactor
Un contactor es un relé de servicio pesado con valores nominales de corriente más altos, que se utiliza para conmutar motores eléctricos y cargas de iluminación. Las clasificaciones de corriente continua para contactores comunes van desde 10 amperios hasta varios cientos de amperios. Los contactos de alta corriente están hechos con aleaciones que contienen plata. El arco eléctrico inevitable hace que los contactos se oxiden; sin embargo, el óxido de plata sigue siendo un buen conductor. Los contactores con dispositivos de protección contra sobrecarga se utilizan a menudo para arrancar motores.
Relé de contactos forzados
Un relé de contactos guiados por fuerza tiene contactos de relé que están unidos mecánicamente, de modo que cuando la bobina del relé se activa o desactiva, todos los contactos enlazados se mueven juntos. Si un conjunto de contactos en el relé se inmoviliza, ningún otro contacto del mismo relé podrá moverse. La función de los contactos de guía forzada es permitir que el circuito de seguridad verifique el estado del relé. Los contactos guiados por fuerza también se conocen como "contactos guiados positivamente", "contactos cautivos", "contactos bloqueados", "contactos vinculados mecánicamente", o "relés de seguridad".
Estos relés de seguridad deben seguir las reglas de diseño y las reglas de fabricación que se definen en un estándar de maquinaria principal EN 50205: Relés con contactos guiados a la fuerza (vinculados mecánicamente). Estas reglas para el diseño de seguridad son las definidas en normas de tipo B como la EN 13849-2 como Principios básicos de seguridad y Principios de seguridad bien probados para maquinaria que se aplican a todas las máquinas.
Los contactos de guía forzada por sí solos no pueden garantizar que todos los contactos estén en el mismo estado; sin embargo, sí garantizan, sujeto a fallas mecánicas graves, que ningún contacto esté en estados opuestos. De lo contrario, un relé con varios contactos normalmente abiertos (NA) puede atascarse cuando se activa, con algunos contactos cerrados y otros ligeramente abiertos, debido a las tolerancias mecánicas. De manera similar, un relé con varios contactos normalmente cerrados (NC) puede adherirse a la posición no energizada, de modo que cuando se energiza, el circuito a través de un conjunto de contactos se abre, con un espacio marginal, mientras que el otro permanece cerrado. Al introducir contactos NO y NC, o más comúnmente, contactos de cambio, en el mismo relé, entonces es posible garantizar que si algún contacto NC está cerrado, todos los contactos NO están abiertos y, a la inversa, si algún contacto NO está cerrado, todos los contactos NC están abiertos. No es posible garantizar de manera confiable que un contacto en particular esté cerrado, excepto mediante la detección potencialmente intrusiva y que degrada la seguridad de las condiciones de su circuito; sin embargo, en los sistemas de seguridad, generalmente el estado NO es el más importante y, como se explicó anteriormente, esto es verificable de forma fiable al detectar el cierre de un contacto de sentido contrario.
Los relés de contacto de guía forzada se fabrican con diferentes conjuntos de contactos principales, ya sea NA, NC o de cambio, y uno o más conjuntos de contactos auxiliares, a menudo de clasificación de corriente o voltaje reducidos, que se utilizan para el sistema de monitoreo. Los contactos pueden ser todos NA, todos NC, de cambio o una combinación de estos, para los contactos de monitoreo, de modo que el diseñador del sistema de seguridad pueda seleccionar la configuración correcta para la aplicación en particular. Los relés de seguridad se utilizan como parte de un sistema de seguridad diseñado.
Relé de enclavamiento
Un relé de enganche, también llamado relé de impulso, biestable, mantenimiento o permanente, o simplemente latch, mantiene cualquier posición de contacto indefinidamente sin que se aplique energía a la bobina. La ventaja es que una bobina consume energía solo por un instante mientras se conmuta el relé, y los contactos del relé conservan esta configuración durante un corte de energía. Un relé de enganche permite el control remoto de la iluminación del edificio sin el zumbido que se puede producir desde una bobina energizada continuamente (CA).
En un mecanismo, dos bobinas opuestas con un resorte sobre el centro o un imán permanente mantienen los contactos en posición después de que se desactiva la bobina. Un pulso a una bobina enciende el relé y un pulso a la bobina opuesta apaga el relé. Este tipo se usa ampliamente cuando el control se realiza desde interruptores simples o salidas de un solo extremo de un sistema de control, y dichos relés se encuentran en aviónica y numerosas aplicaciones industriales.
Otro tipo de enganche tiene un núcleo remanente que retiene los contactos en la posición operada por el magnetismo remanente en el núcleo. Este tipo requiere un pulso de corriente de polaridad opuesta para liberar los contactos. Una variación usa un imán permanente que produce parte de la fuerza requerida para cerrar el contacto; la bobina proporciona fuerza suficiente para abrir o cerrar el contacto ayudando u oponiéndose al campo del imán permanente. Un relé controlado por polaridad necesita interruptores de cambio o un circuito impulsor de puente H para controlarlo. El relé puede ser menos costoso que otros tipos, pero esto se compensa en parte por los mayores costos en el circuito externo.
En otro tipo, un relé de trinquete tiene un mecanismo de trinquete que mantiene los contactos cerrados después de que la bobina se activa momentáneamente. Un segundo impulso, en la misma bobina o en una separada, libera los contactos. Este tipo se puede encontrar en ciertos automóviles, para la reducción de los faros delanteros y otras funciones en las que se necesita una operación alterna en cada accionamiento del interruptor.
Un relé paso a paso es un tipo especializado de relé de enganche multidireccional diseñado para las primeras centrales telefónicas automáticas.
Un disyuntor de fuga a tierra incluye un relé de enclavamiento especializado.
Las primeras computadoras a menudo almacenaban bits en un relé de enganche magnético, como ferreed o el último remreed en el interruptor 1ESS.
Algunas de las primeras computadoras usaban relés ordinarios como una especie de pestillo: almacenaban bits en relés de resorte de alambre ordinarios o relés de lengüeta alimentando un cable de salida como entrada, lo que resultaba en un bucle de retroalimentación o circuito secuencial. Dicho relé de enganche eléctrico requiere energía continua para mantener el estado, a diferencia de los relés de enganche magnético o los relés de trinquete mecánico.
En las memorias de computadora, los relés de enganche y otros relés fueron reemplazados por memoria de línea de retardo, que a su vez fue reemplazada por una serie de tecnologías de memoria cada vez más rápidas y cada vez más pequeñas.
Relé de máquina herramienta
Un relé de máquina herramienta es un tipo estandarizado para el control industrial de máquinas herramienta, máquinas de transferencia y otro control secuencial. Se caracterizan por una gran cantidad de contactos (a veces extensibles en el campo) que se convierten fácilmente del estado normalmente abierto al estado normalmente cerrado, bobinas fácilmente reemplazables y un factor de forma que permite instalar de forma compacta muchos relés en un panel de control. Aunque estos relés alguna vez fueron la columna vertebral de la automatización en industrias como el ensamblaje de automóviles, el controlador lógico programable (PLC) desplazó principalmente al relé de la máquina herramienta de las aplicaciones de control secuencial.
Un relé permite que los circuitos sean conmutados por equipos eléctricos: por ejemplo, un circuito temporizador con un relé podría cambiar la alimentación en un momento preestablecido. Durante muchos años, los relés fueron el método estándar para controlar los sistemas electrónicos industriales. Se pueden usar varios relés juntos para realizar funciones complejas (lógica de relé). El principio de la lógica de relés se basa en relés que activan y desactivan los contactos asociados. La lógica de relé es la predecesora de la lógica de escalera, que se usa comúnmente en los controladores lógicos programables.
Relé de mercurio
Un relé de mercurio es un relé que utiliza mercurio como elemento de conmutación. Se utilizan donde la erosión de los contactos sería un problema para los contactos de relé convencionales. Debido a las consideraciones ambientales sobre la cantidad significativa de mercurio utilizado y las alternativas modernas, ahora son comparativamente poco comunes.
Relé bañado en mercurio
Un relé de lengüeta humedecido con mercurio es una forma de relé de lengüeta que emplea un interruptor de mercurio, en el que los contactos están humedecidos con mercurio. El mercurio reduce la resistencia de contacto y mitiga la caída de voltaje asociada. La contaminación de la superficie puede resultar en una mala conductividad para las señales de baja corriente. Para aplicaciones de alta velocidad, el mercurio elimina el rebote de contacto y proporciona un cierre de circuito prácticamente instantáneo. Los relés bañados en mercurio son sensibles a la posición y deben montarse de acuerdo con las especificaciones del fabricante. Debido a la toxicidad y el costo del mercurio líquido, estos relés han caído cada vez más en desuso.
La alta velocidad de acción de conmutación del relé humedecido con mercurio es una ventaja notable. Los glóbulos de mercurio en cada contacto se unen, y el tiempo de subida de corriente a través de los contactos generalmente se considera de unos pocos picosegundos. Sin embargo, en un circuito práctico puede estar limitado por la inductancia de los contactos y el cableado. Era bastante común, antes de las restricciones en el uso de mercurio, usar un relé mojado con mercurio en el laboratorio como un medio conveniente para generar pulsos de tiempo de subida rápidos, sin embargo, aunque el tiempo de subida puede ser de picosegundos, el tiempo exacto del evento es, como todos los demás tipos de relés, está sujeto a una fluctuación considerable, posiblemente de milisegundos, debido a imperfecciones mecánicas.
El mismo proceso de coalescencia provoca otro efecto, que es una molestia en algunas aplicaciones. La resistencia de contacto no es estable inmediatamente después del cierre del contacto y se desplaza, principalmente hacia abajo, durante varios segundos después del cierre, siendo quizás el cambio de 0,5 ohmios.
Relés multivoltaje
Los relés multivoltaje son dispositivos diseñados para funcionar en amplios rangos de voltaje, como de 24 a 240 V CA y V CC, y amplios rangos de frecuencia, como de 0 a 300 Hz. Están indicados para su uso en instalaciones que no dispongan de tensiones de alimentación estables.
Relé de protección contra sobrecarga
Los motores eléctricos necesitan protección contra sobrecorriente para evitar daños por sobrecarga del motor, o para proteger contra cortocircuitos en los cables de conexión o fallas internas en los devanados del motor. Los dispositivos de detección de sobrecarga son una forma de relé operado por calor donde una bobina calienta una tira bimetálica, o donde se derrite un crisol de soldadura, para operar contactos auxiliares. Estos contactos auxiliares están en serie con la bobina del contactor del motor, por lo que apagan el motor cuando se sobrecalienta.
Esta protección térmica funciona con relativa lentitud, lo que permite que el motor consuma corrientes de arranque más altas antes de que se dispare el relé de protección. Cuando el relé de sobrecarga está expuesto a la misma temperatura ambiente que el motor, se proporciona una compensación útil, aunque tosca, para la temperatura ambiente del motor.
El otro sistema común de protección contra sobrecarga utiliza una bobina de electroimán en serie con el circuito del motor que opera directamente los contactos. Esto es similar a un relé de control pero requiere una corriente de falla bastante alta para operar los contactos. Para evitar que los picos cortos de sobrecorriente causen molestias, el movimiento de la armadura se amortigua con un amortiguador. Las detecciones de sobrecarga térmica y magnética generalmente se usan juntas en un relé de protección de motor.
Los relés electrónicos de protección contra sobrecargas miden la corriente del motor y pueden estimar la temperatura del devanado del motor utilizando un "modelo térmico" del sistema de armadura del motor que se puede configurar para proporcionar una protección del motor más precisa. Algunos relés de protección de motores incluyen entradas de detector de temperatura para la medición directa desde un termopar o un sensor de termómetro de resistencia integrado en el devanado.
Relé polarizado
Un relé polarizado coloca la armadura entre los polos de un imán permanente para aumentar la sensibilidad. Los relés polarizados se utilizaron en las centrales telefónicas de mediados del siglo XX para detectar pulsos débiles y corregir la distorsión telegráfica.
Relevo de caña
Un relé de láminas es un interruptor de láminas encerrado en un solenoide. El interruptor tiene un conjunto de contactos dentro de un tubo de vidrio al vacío o lleno de gas inerte que protege los contactos contra la corrosión atmosférica; los contactos están hechos de material magnético que los hace moverse bajo la influencia del campo del solenoide que los encierra o de un imán externo.
Los relés Reed pueden conmutar más rápido que los relés más grandes y requieren muy poca energía del circuito de control. Sin embargo, tienen clasificaciones de voltaje y corriente de conmutación relativamente bajas. Aunque es raro, las cañas pueden magnetizarse con el tiempo, lo que hace que se peguen, incluso cuando no hay corriente; cambiar la orientación de las lengüetas o desmagnetizar el interruptor con respecto al campo magnético del solenoide puede resolver este problema.
Los contactos sellados con contactos humedecidos con mercurio tienen una vida útil más larga y menos vibración de contacto que cualquier otro tipo de relé.
Relés de seguridad
Los relés de seguridad son dispositivos que generalmente implementan funciones de protección. En caso de peligro, la tarea de dicha función de seguridad es utilizar las medidas apropiadas para reducir el riesgo existente a un nivel aceptable.
Contactor de estado sólido
Un contactor de estado sólido es un relé de estado sólido de servicio pesado, incluido el disipador de calor necesario, que se usa cuando se requieren ciclos frecuentes de encendido y apagado, como calentadores eléctricos, motores eléctricos pequeños y cargas de iluminación. No hay partes móviles que se desgasten y no hay rebote de contacto debido a la vibración. Se activan mediante señales de control de CA o señales de control de CC de controladores lógicos programables (PLC), PC, fuentes de lógica transistor-transistor (TTL) u otros controles de microprocesador y microcontrolador.
Relé de estado sólido
Un relé de estado sólido (SSR) es un componente electrónico de estado sólido que proporciona una función similar a la de un relé electromecánico, pero no tiene componentes móviles, lo que aumenta la confiabilidad a largo plazo. Un relé de estado sólido utiliza un tiristor, un TRIAC u otro dispositivo de conmutación de estado sólido, activado por la señal de control, para conmutar la carga controlada, en lugar de un solenoide. Se puede usar un optoacoplador (un diodo emisor de luz (LED) acoplado con un fototransistor) para aislar los circuitos controlados y de control.
Relé estático
Un relé estático consiste en un circuito electrónico para emular todas aquellas características que se logran mediante partes móviles en un relé electromagnético.
Relé de retardo de tiempo
Los relés de temporización están dispuestos para un retraso intencional en la operación de sus contactos. Un retraso muy corto (una fracción de segundo) usaría un disco de cobre entre la armadura y el conjunto de cuchillas móviles. La corriente que fluye en el disco mantiene un campo magnético por un corto tiempo, alargando el tiempo de liberación. Para un retraso un poco más largo (hasta un minuto), se usa un dashpot. Un amortiguador es un pistón lleno de líquido al que se le permite escapar lentamente; Se utilizan amortiguadores llenos de aire y llenos de aceite. El período de tiempo se puede variar aumentando o disminuyendo el caudal. Para períodos de tiempo más largos, se instala un temporizador mecánico de relojería. Los relés pueden configurarse para un período de tiempo fijo, o pueden ajustarse en el campo o configurarse de forma remota desde un panel de control. Los modernos relés de temporización basados en microprocesadores proporcionan una temporización de precisión en un amplio rango.
Algunos relés están construidos con una especie de "amortiguador" mecanismo adjunto a la armadura, que evita el movimiento completo e inmediato cuando la bobina está energizada o desenergizada. Esta adición le da al relé la propiedad de actuar con retardo de tiempo. Los relés de retardo de tiempo se pueden construir para retardar el movimiento de la armadura en la activación o desactivación de la bobina, o en ambos.
Los contactos del relé de retardo de tiempo deben especificarse no solo como normalmente abiertos o normalmente cerrados, sino también si el retardo opera en la dirección de cierre o en la dirección de apertura. La siguiente es una descripción de los cuatro tipos básicos de contactos de relé de retardo de tiempo.
Primero, tenemos el contacto normalmente abierto, cerrado por tiempo (NOTC). Este tipo de contacto normalmente está abierto cuando la bobina no está alimentada (desenergizada). El contacto se cierra mediante la aplicación de energía a la bobina del relé, pero solo después de que la bobina haya sido alimentada continuamente durante la cantidad de tiempo especificada. En otras palabras, la dirección del movimiento del contacto (ya sea para cerrar o para abrir) es idéntica a la de un contacto NA normal, pero hay un retraso en la dirección de cierre. Debido a que el retardo se produce en la dirección de la activación de la bobina, este tipo de contacto se conoce alternativamente como un retardo de activación normalmente abierto.
Relés de vacío
Un relé de vacío es un relé sensible que tiene sus contactos montados en una carcasa de vidrio al vacío, para permitir el manejo de voltajes de radiofrecuencia de hasta 20 000 voltios sin descargas disruptivas entre los contactos, incluso si el espacio entre contactos es tan bajo como unas pocas centésimas de pulgada. cuando está abierto.
Aplicaciones
Los relés se utilizan donde sea necesario controlar un circuito de alta potencia o alto voltaje con un circuito de baja potencia, especialmente cuando se desea un aislamiento galvánico. La primera aplicación de los relés fue en largas líneas telegráficas, donde la débil señal recibida en una estación intermedia podía controlar un contacto, regenerando la señal para su posterior transmisión. Los dispositivos de alto voltaje o alta corriente se pueden controlar con pequeños cables de bajo voltaje e interruptores piloto. Los operadores se pueden aislar del circuito de alto voltaje. Los dispositivos de baja potencia, como los microprocesadores, pueden accionar relés para controlar cargas eléctricas más allá de su capacidad de accionamiento directo. En un automóvil, un relé de arranque permite controlar la alta corriente del motor de arranque con pequeños cables y contactos en la llave de encendido.
Los sistemas de conmutación electromecánicos, incluidas las centrales telefónicas Strowger y Crossbar, hicieron un uso extensivo de los relés en los circuitos de control auxiliares. La Relay Automatic Telephone Company también fabricó centrales telefónicas basadas únicamente en técnicas de conmutación de relés diseñadas por Gotthilf Ansgarius Betulander. La primera central telefónica pública basada en retransmisión del Reino Unido se instaló en Fleetwood el 15 de julio de 1922 y permaneció en servicio hasta 1959.
Claude Shannon estudió el uso de relés para el control lógico de sistemas de conmutación complejos, como centrales telefónicas, y formalizó la aplicación del álgebra booleana al diseño de circuitos de relés en A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits. Los relés pueden realizar las operaciones básicas de la lógica combinatoria booleana. Por ejemplo, la función AND booleana se realiza conectando contactos de relé normalmente abiertos en serie, la función OR conectando contactos normalmente abiertos en paralelo. La inversión de una entrada lógica se puede realizar con un contacto normalmente cerrado. Los relés se utilizaron para el control de sistemas automatizados para máquinas herramienta y líneas de producción. El lenguaje de programación Ladder se utiliza a menudo para diseñar redes lógicas de relés.
Las primeras computadoras electromecánicas como ARRA, Harvard Mark II, Zuse Z2 y Zuse Z3 usaban relés para la lógica y los registros de trabajo. Sin embargo, los dispositivos electrónicos demostraron ser más rápidos y fáciles de usar.
Debido a que los relés son mucho más resistentes que los semiconductores a la radiación nuclear, se usan ampliamente en la lógica crítica para la seguridad, como los paneles de control de la maquinaria de manejo de desechos radiactivos. Los relés de protección electromecánicos se utilizan para detectar sobrecargas y otras fallas en las líneas eléctricas abriendo y cerrando los interruptores automáticos.
Relés de protección
Para la protección de aparatos eléctricos y líneas de transmisión, se utilizaron relés electromecánicos con características de operación precisas para detectar sobrecargas, cortocircuitos y otras fallas. Si bien muchos de estos relés siguen en uso, los relés de protección digitales ahora brindan funciones de protección equivalentes y más complejas.
Señalización ferroviaria
Los relés de señalización ferroviaria son grandes si se tienen en cuenta los voltajes (menos de 120 V) y las corrientes (quizás 100 mA) que conmutan, en su mayoría pequeños. Los contactos están ampliamente espaciados para evitar descargas disruptivas y cortocircuitos durante una vida útil que puede exceder los cincuenta años.
Dado que los circuitos de señales ferroviarias deben ser altamente confiables, se utilizan técnicas especiales para detectar y prevenir fallas en el sistema de retransmisión. Para protegerse contra alimentaciones falsas, los contactos de relé de doble conmutación se utilizan a menudo tanto en el lado positivo como en el negativo de un circuito, por lo que se necesitan dos alimentaciones falsas para generar una señal falsa. No todos los circuitos de relé pueden probarse, por lo que se depende de características de construcción como contactos de carbono a plata para resistir la soldadura de contacto inducida por rayos y para proporcionar inmunidad de CA.
Los optoaisladores también se utilizan en algunos casos con señalización ferroviaria, especialmente cuando solo se debe cambiar un contacto.
Consideraciones de selección
La selección de un relé apropiado para una aplicación en particular requiere la evaluación de muchos factores diferentes:
- Número y tipo de contactos — normalmente abiertos, normalmente cerrados, (doble cuervo)
- Secuencia de contacto: "Hacer antes del descanso" o "Rompe antes de hacer". Por ejemplo, las antiguas centrales telefónicas de estilo requerían un cambio previo para que la conexión no se dejara sin marcar el número.
- Nota de contacto actual: pequeños relés cambian unos pocos amperios, los contactores grandes se clasifican para hasta 3000 amperios, corriente alterna o directa
- Nota de tensión de contacto — relés de control típicos valorados 300 VAC o 600 VAC, tipos de automoción a 50 VDC, relés especiales de alta tensión a aproximadamente 15,000 V
- La vida útil, la vida útil, el número de veces que se puede esperar que el relé funcione de forma fiable. Hay una vida mecánica y una vida de contacto. La vida de contacto se ve afectada por el tipo de carga conmutada. La corriente de carga de ruptura provoca un arcing no deseado entre los contactos, con el tiempo que conduce a contactos que se cierran o que fallan debido a la erosión por el arco.
- Tensión de la bobina — relés de la máquina generalmente 24 VDC, 120 o 250 VAC, relés para conmutador puede tener 125 V o 250 VDC bobinas,
- Corriente de la bobina — Corriente mínima necesaria para una operación fiable y una corriente mínima de retención, así como efectos de la disipación de energía sobre la temperatura de la bobina en diversos ciclos de servicio. Los relés "ensitivos" operan en unos pocos milimperes.
- Paquete/enclosure - abierto, seguro de tacto, doble voltaje para aislamiento entre circuitos, prueba de explosión, exterior, aceite y salpicadura resistente, lavable para montaje de tableros impresos
- Medio ambiente operativo: temperatura mínima y máxima de funcionamiento y otras consideraciones ambientales, como efectos de humedad y sal
- Montaje — Algunos relés cuentan con una pegatina que mantiene el recinto sellado para permitir la limpieza de post soldadura PCB, que se elimina una vez que el montaje está completo.
- Montaje: tomas, tablero de enchufes, montura de barandilla, montaje en panel, montaje a través de paneles, recinto para montaje en paredes o equipos
- Tiempo de conmutación - donde se requiere alta velocidad
- Contactos "Dry" — al cambiar señales de muy bajo nivel, se pueden necesitar materiales de contacto especiales como contactos dorados
- Protección de contacto: suprimir el arcing en circuitos muy inductivos
- Protección de la bobina — suprime el voltaje producido al cambiar la corriente de la bobina
- Solución entre contactos de bobina
- Pruebas aeroespaciales o resistentes a la radiación, garantía especial de calidad
- Cargas mecánicas esperadas debido a la aceleración: algunos relés utilizados en aplicaciones aeroespaciales están diseñados para funcionar en cargas de choque de 50 g, o más.
- Tamaño — relés más pequeños a menudo resisten la vibración mecánica y el choque mejor que los relés más grandes, debido a la menor inercia de las partes móviles y las frecuencias naturales más altas de partes más pequeñas. Los relés más grandes a menudo manejan mayor tensión y corriente que los relés más pequeños.
- Accesorios como temporizadores, contactos auxiliares, lámparas piloto y botones de prueba.
- Aprobaciones regulatorias.
- Enlace magnético estrecho entre bobinas de relés adyacentes en una placa de circuito impreso.
Hay muchas consideraciones involucradas en la selección correcta de un relé de control para una aplicación en particular, incluidos factores como la velocidad de operación, la sensibilidad y la histéresis. Aunque los relés de control típicos funcionan en el rango de 5 ms a 20 ms, hay disponibles relés con velocidades de conmutación tan rápidas como 100 μs. Los relés de láminas que se activan con corrientes bajas y conmutan rápidamente son adecuados para controlar corrientes pequeñas.
Al igual que con cualquier interruptor, la corriente de contacto (sin relación con la corriente de la bobina) no debe exceder un valor determinado para evitar daños. En los circuitos de alta inductancia, como los motores, se deben abordar otros problemas. Cuando se conecta una inductancia a una fuente de alimentación, existe una sobrecorriente de entrada o una corriente de arranque del electromotor mayor que la corriente de estado estable. Cuando el circuito se rompe, la corriente no puede cambiar instantáneamente, lo que crea un arco potencialmente dañino a través de los contactos de separación.
En consecuencia, para los relés que se utilizan para controlar cargas inductivas, debemos especificar la corriente máxima que puede fluir a través de los contactos del relé cuando actúa, el marque nominal; la calificación continua; y la puntuación de ruptura. La clasificación de marca puede ser varias veces mayor que la clasificación continua, que es mayor que la clasificación de interrupción.
Seguridad y fiabilidad
Cambio mientras está "húmedo" (bajo carga) provoca arcos no deseados entre los contactos, lo que eventualmente conduce a contactos que se sueldan cerrados o contactos que fallan debido a la acumulación de daños en la superficie causados por la energía destructiva del arco.
Dentro del interruptor de barra cruzada del sistema de conmutación electrónica número uno (1ESS) y algunos otros diseños de alta confiabilidad, los interruptores de lengüeta siempre se conectan "secos" (sin carga) para evitar ese problema, lo que lleva a una vida útil mucho más larga de los contactos.
Sin la protección adecuada de los contactos, la aparición de arcos eléctricos provoca una degradación significativa de los contactos, que sufren daños significativos y visibles. Cada vez que los contactos del relé se abren o cierran bajo carga, puede ocurrir un arco eléctrico entre los contactos del relé, ya sea un arco de rotura (al abrir), o un haz / Arco de rebote (al cerrar). En muchas situaciones, el arco de rotura es más enérgico y, por lo tanto, más destructivo, en particular con cargas inductivas, pero esto se puede mitigar puenteando los contactos con un circuito amortiguador. La corriente de irrupción de las lámparas incandescentes de filamento de tungsteno suele ser diez veces la corriente de funcionamiento normal. Por lo tanto, los relés destinados a cargas de tungsteno pueden usar una composición de contacto especial, o el relé puede tener clasificaciones de contacto más bajas para cargas de tungsteno que para cargas puramente resistivas.
Un arco eléctrico a través de los contactos del relé puede estar muy caliente (miles de grados Fahrenheit) y hacer que el metal de las superficies de contacto se derrita, se acumule y migre con la corriente. La temperatura extremadamente alta del arco divide las moléculas de gas circundantes, creando ozono, monóxido de carbono y otros compuestos. Con el tiempo, la energía del arco destruye lentamente el metal de contacto, lo que hace que parte del material escape al aire en forma de partículas finas. Esta acción hace que el material de los contactos se degrade y la coordinación, lo que resulta en una falla del dispositivo. Esta degradación del contacto limita drásticamente la vida útil general de un relé a un rango de alrededor de 10 000 a 100 000 operaciones, un nivel muy por debajo de la vida mecánica del dispositivo, que puede superar los 20 millones de operaciones.
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