Los componentes semiconductores capaces de manejar corrientes elevadas a partir de pequeñas señales; los componentes de alta potencia sensibles a la luz pueden resultar en excelentes opciones de relés que sustituyen a las versiones tradicionales mecánicas. Los relés de estado sólido o Solid State Relays (SSR), por sus ventajas, son cada vez más utilizados apareciendo en configuraciones más diversas. En este caso son los relés de estado sólido y donde se utilizan.
Los Relés de Estado Sólido, o si adoptamos el nombre en inglés Solid-State Relay con la sigla SSR son dispositivos semiconductores que tienen las mismas funciones de los relés mecánicos convencionales: conmutar circuitos de potencias elevadas a partir de señales de pequeñas intensidades, como muestra la figura 1.
Los relés de estado sólido se derivan de los conocidos acopladores ópticos o "opto-couplers" que consisten en un emisor de luz (normalmente un LED infrarrojo) y una foto sensor que puede ser un foto-transistor, foto-diac, foto-diodo, o cualquier otro dispositivo sensible a la luz. Originalmente utilizados para transferir señales, los opto-acopladores pueden también ser usados ??para conmutar cargas y de ahí tenemos lo que se denomina relé de estado sólido.
En el tipo común de relé de estado sólido la bobina se sustituye por un foto emisor, normalmente un LED infrarrojo y los contactos se sustituyen por un dispositivo semiconductor sensible a la luz como un foto-transistor, foto-diodo, foto-diac, etc. El elemento sensible se puede utilizar para conmutar un dispositivo de mayor potencia como, por ejemplo, un TRIAC, un SCR o incluso MOSFET de potencia, como se muestra en la figura 2.
Los relés de estado sólido poseen características eléctricas importantes dada tanto a la velocidad de conmutación y también al aislamiento pero también poseen desventajas. Así, si comparamos los relés de estado sólido con los relés mecánicos tradicionales veremos que los primeros tienen las siguientes ventajas:
• No tienen partes móviles
• No hay contactos que pueden provocar arcos
• No existen materiales que se desgastan con el uso
• No existe el problema del repique de los contactos (bouncing)
• No hay ruido acústico
• No hay producción de EMI en la conmutación
• La velocidad de conmutación es mayor
• La vida útil es mayor
• Poseen un rango de tensiones y corrientes de operación mayor
Sin embargo, también existen las desventajas a ser consideradas como:
• El circuito de salida es sensible y puede ser dañado por sobretensiones
• La salida precisa de una tensión y corriente mínima para operar
• En algunos casos pueden ser más caros que los relés convencionales
• Normalmente está restringido a la operación con un solo polo
• La resistencia ON es mayor que la de los relés convencionales
• La capacidad de salida es mayor
• Es más sensible a los transitorios
• Hay calefacción cuando se controlan altas corrientes
• La corriente de fuga en el estado OFF es mayor
En el uso de los relés de estado sólido, debido a sus características es necesario tener cuidado cuando ciertos tipos de carga se conmutan. Esto es válido para cargas inductivas, cuando existe el peligro de que las corrientes y tensiones de brote se produzcan en el circuito conmutado o aún cuando se controlan cargas dinámicas tales como motores y solenoides.
También es necesario tener cuidado cuando lámparas incandescentes y elementos de calentamiento son controlados debido a la menor corriente inicial, cuando todavía están fríos. El uso con lámparas de mercurio, fluorescentes y otros circuitos conmutados con altas inductancias debe ser evitado.
Tipos de Relés de Estado Sólido
Existen básicamente dos tipos de relés de estado sólido que se especifican de acuerdo con la aplicación.
a) Relés pequeños para DC
Los relés de pequeña corriente para DC normalmente se suministran en envoltorios DIP de 6 pines, como se muestra en la figura 3.
En estos relés tenemos como emisor un LED infrarrojo y la salida es típicamente acoplada a un transistor de potencia u otro dispositivo semiconductor, conforme muestra la figura 4.
Hay casos en que el elemento de potencia ya está embutido en el propio relé, no habiendo así la necesidad de elementos externos de control. En los circuitos en los que la salida contiene un MOSFET la resistencia en el estado ON puede ser del orden de 10 ohms o menor. Las tensiones de salida pueden llegar a 200 o 300 V y las corrientes entre 100 y 200 mA DC.
Como el emisor y el receptor se acoplan ópticamente la resistencia de aislamiento es extremadamente elevada llegando a más de 500 M ohms con tensiones del orden de 2 000 Volts o más.
b) Relés AC para el control de potencia desde la red
Los relés de estado sólido para aplicaciones en AC normalmente poseen opto-diacs para ser conectados a un TRIAC externo. En la figura 5 tenemos un dispositivo de ese tipo. En algunos casos, el TRIAC ya puede estar incrustado en el propio dispositivo.
El paso de salida cuando tiene un TRIAC incrustado normalmente puede manejar tensiones de 24 a 250 V con corrientes del orden de 1 a 4 ampères. En los tipos en que existe el TRIAC embutido debe tenerse en cuenta que existe una caída de tensión de 1 a 1,5 V en ese componente cuando en conducción.
Este hecho es importante para determinar el calor generado en el dispositivo al controlar una carga. A efectos de cálculo se puede considerar una potencia de 1,2 W para cada amperio de corriente conducida. La tensión de control para estos relés varía típicamente entre 3 y 30 V dependiendo de esa tensión la elección del resistor limitador de corriente, conforme muestra la figura 6.
La corriente de accionamiento está entre 8 y 16 mA, típicamente. De la misma forma que en los relés DC, como el acoplamiento entre el emisor y el receptor es hecho por luz, tenemos una tensión de aislamiento extremadamente alta que puede ser del orden de 2 000 volts o más.
Detector de paso por cero
Cuando se trabaja con controles de potencia conectados a la red de energía (AC), un factor importante en el proyecto es el instante en que la tensión pasa por cero. Se trata del punto de "cero crossing" o cruce por cero, mostrado en la figura 7.
La detección de este instante es importante porque sirve de referencia para la medida del ángulo de retardo o ángulo de fase para el disparo para el TRIAC u otro elemento de control. Los relés mecánicos no pueden hacer esta detección, pero para un relé de estado sólido esto es perfectamente posible, como muestra el simple circuito de la figura 8.
SCR y TRIAC como relés
Los SCR y TRIAC se pueden utilizar como relés controlando corrientes alternas más intensas a partir de acopladores que posean los elementos apropiados internamente o directamente a partir de señales aplicadas a sus compuertas (gates). Para el caso de los SCR como ellos conducen la corriente en un solo sentido tenemos que usar un artificio para el control de los dos semi-ciclos. Así, en la figura 9 tenemos un circuito de relé semiconductor usando un SCR en la configuración de media onda y otro de onda completa.
Para el caso del TRIAC tenemos un circuito de aplicación típico mostrado en la figura 10.
El tiempo de conmutación del circuito con triac es extremadamente rápido, menor de los microsegundos para cargas AC comunes. El valor de R1 debe calcularse de tal forma que se obtenga la corriente de disparo del TRIAC al inicio del semiciclo. El TRIAC utilizado en este circuito debe tener una tensión de pico de al menos 200 V si la red es de 110 V y al menos 350 V si la red es de 220 V.
Circuitos Prácticos con Opto-Acopladores
En el circuito anterior no existe un aislamiento del componente controlado del circuito de control, como ocurre con un relé común.
Para obtener este aislamiento es importante el uso del opto-acoplador.
Así, un primer cuidado para proyectar un relé de estado sólido es saber cómo el opto-acoplador debe ser excitado. La configuración más simple para esta excitación es la que se muestra en la figura 11.
Teniendo en cuenta que la caída de tensión en el LED emisor interno es del orden de 1,5 V, la resistencia R1 se calcula mediante la siguiente fórmula:
R1 = (V - 1,5) / I
Donde:
R1 es el valor de R1 en ohmios
V es la tensión de entrada
I es la corriente necesaria para la excitación del foto-sensor del opto-acoplador
En este caso, es necesario que la señal de control (V) sea fijo, ya que una variación muy grande puede implicar en la no excitación del relé o en una sobrecarga del LED emisor. El ideal, para permitir que el emisor trabaje con una banda más amplia de tensiones de entrada consiste en tener un circuito conductor que proporcione una corriente constante. Para ello existen varias posibilidades.
La primera posibilidad es la mostrada en la figura 12 y hace uso de un transistor NPN de uso general como el BC548.
En este circuito el resistor R2 determina la intensidad de la corriente, lo que significa que su valor debe determinarse a partir de las características del emisor del optoacoplador. R2 se calcula mediante la siguiente fórmula:
R2 = 0,7 / I
Donde:
R2 es la resistencia en ohmios de este componente
I es la intensidad de la corriente en el LED emisor
Una otra configuración de fuente de corriente constante usando un transistor bipolar se muestra en la figura 13.
La resistencia R2, que determina la intensidad de la corriente en el emisor se calcula de la misma forma que en el caso anterior. Una ventaja de este circuito es que puede ser usado con tensiones de entrada que varían entre 3 y 30 V. Otra forma de obtener una corriente constante para el LED emisor es usando un regulador fijo de tensión como el 7805 o 7806, como muestra la figura 14.
En este circuito el resistor R1 se calcula para suministrar, con la tensión de salida del regulador, la corriente que el LED emisor necesita para excitar el receptor. La tensión de entrada estará entre 2 V a más que la tensión de salida del regulador y típicamente 30 V. Observamos que en ese cálculo debe considerarse la caída de tensión de 1,3 a 1,5 V que ocurre en el LED emisor. Así la fórmula para el cálculo de R será:
R = (Vs - 1,5) / I
Donde:
R es el valor del resistor limitador en ohms
Vs es la tensión de salida del regulador de tensión en volts
I es la corriente de excitación del LED en ampères
Sin embargo, con un regulador ajustable de tensión, podemos elaborar una fuente de corriente constante para el LED conductor con más facilidad y precisión, como muestra la figura 15.
En este circuito, el valor de R es dado por:
R = 1,2 / I
Donde:
R es el resistor limitador en ohms
I es la corriente deseada en el LED emisor en ampères
Se pueden utilizar versiones de LM317 o LM350 de menor disipación (200 mA) en las envolturas TO-54.
Protección de Entrada
Un factor importante para garantizar la integridad de los opto-acopladores cuando se utilizan como relés de estado sólido es evitar la inversión de la polaridad de la señal de entrada. Si el LED de un opto-acoplador se somete a una tensión inversa de más de 3 V, puede quemarse. Para ello, es siempre interesante utilizar un circuito de protección que puede ser un diodo invertido, en paralelo, como muestra la figura 16.
Los diodos de uso general como el 1N4148, 1N914 o incluso los diodos rectificadores como el 1N4002, 1N4004 sirven para este propósito.
MOC3010 / MOC3020
Dos opto-acopladores especialmente indicados para aplicaciones como relés de estado sólido conmutando directamente Tiacs de alta potencia son los MOC3010 y MOC3020. El MOC3010 está indicado para aplicaciones en la red de 110 V mientras que el MOC3020 para la red de 220 V.
Estos componentes, cuyo pináculo y circuito equivalentes se muestran en la figura 17, tienen algunas variaciones (3009, 3011, 3012, 3021, 3022, 3023 ) que se diferencian sólo por la corriente en el LED para la excitación.
Como podemos ver, estos componentes poseen opto-diacs que son disparados directamente por la luz emitida por el LED infrarrojo. El MOC3010 necesita una corriente de 8 mA para producir el disparo (los de números más altos son los graves sensibles, llegando a 3 mA para el MOC3012). Para el MOC3020 la corriente es 15 mA (el 3021 tiene una corriente de 8 mA). Para el MOC3010 y para el MOC3020 tenemos el circuito típico para cargas no inductivas que se muestran en la figura 18.
Los valores entre paréntesis son para el caso del MOC3020. Si la carga es inductiva se debe utilizar el circuito de la figura 19.
Los lectores interesados pueden obtener más información sobre estos componentes en el sitio web de Motorola.
Configuraciones con semiconductores comunes
Opto-aisladores como el 4N27 que utilizan en su interior como elemento receptor un transistor común también se pueden utilizar en relés de estado sólido. En la figura 20 tenemos un circuito típico en el que un BC547 se utiliza para amplificar la señal del foto-transistor y disparar un TRIAC conectado a la red de 220 V.
Vea que este circuito necesita una alimentación auxiliar de 9 V para alimentar el circuito conductor. El circuito necesita una corriente del orden de 60 mA para disparar el TRIAC.
Conclusión
Los relés de estado sólido están en uso cada vez más frecuente en los equipos industriales y de todo tipo. Conociendo sus configuraciones básicas el profesional no sólo puede saber cómo hacer el diagnóstico de su circuito como también proyectar un relé para una aplicación más específica.
Más que eso, el profesional será capaz de sustituir un relé convencional por un relé de estado sólido con ventajas cuando esto sea posible. Lo que hemos visto en este artículo es sólo un poco de los ajustes posibles con los que se pueden encontrar estos útiles relés. El lector debe estar atento a los nuevos artículos que abordan configuraciones de relés de estado sólido.