Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Buenos Aires Electrónica Para Ingeniería Química I 2019 Relés y Contactores 1. Introducción Tanto los relés como los contactores son de aparición muy frecuente en sistemas eléctricos y electrónicos donde se requieran acciones de puesta en marcha-detención, apertura-cierre, pasaje o no de corriente entre otras. A menudo se confunden los términos de relé y contactor por lo que se aclarara la diferencia entre ambos en la presente nota dado que si bien cumplen funciones similares hay diferencias sustanciales entre los mismos. La motivación general para presentar a estos dispositivos esta en el hecho de que hay muchas situaciones donde se hace necesario conmutar sistemas con alto aislamiento y grandes valores de tensión o corriente eléctrica mediante señales de valores considerablemente menores, y es ahí donde se debe tomar la decisión correcta respecto a que utilizar. 2. Diferencias entre Relés y Contactores Si bien en los apartados subsiguientes se explicara el funcionamiento con mas detalles de cada uno se establecerán acá las diferencias principales entre relés y contactores como una primera presentación de los mismos aunque cabe aclarar que algunos puntos en los que la literatura vigente no se pone de acuerdo se pueden marcar dos diferencias establecidas. La primera diferencia tiene que ver con los niveles de potencia que se manejan en la carga, los Relés se utilizan para niveles bajos y medios de señales, mientras que los contactores se utilizan para valores altos. Otra diferencia es que mientras en los Relés siempre se utiliza un control de baja potencia y aislaci on para comandar los valores sobre la carga, en el caso de los contactores este control se puede realizar tanto en forma automática como manual. 3. Tipos de Carga A la hora de decidir que dispositivo de conmutación y control a utilizar, el tipo de carga juega un papel muy relevante ya que a partir de la misma se definen las consideraciones a tomar. A continuación se hace una síntesis de los tipos de cargas mas habituales y las recomendaciones para cada caso. Cargas Resistivas Lineales: Son aquellas donde no se produce un aumento de corriente en el momento de la conmutación.Un ejemplo de este tipo de carga es un calentador.Lo importante en estos casos es que la corriente en el arranque que el consumo especificado. Cargas Resistivas No Lineales: Son aquellas en las que al momento de realizarse la conmutación se produce un consumo muy elevado que dura poco tiempo pero es representativo a la hora de elegir el dispositivo de control. Un ejemplo de este caso se da en las lamparas de bombilla incandescentes ya que poseen un alto coeficiente de temperatura y por lo tanto su resistencia en frio es solo un 5 % de su resistencia en caliente consumiendo 20 veces mas corriente en frio.Pese a que este aumento dura aproximadamente 0.1 s debe tenerse en cuenta a la hora de elegir relé o contactor con el que se arrancara. Cargas Capacitivas: En este tipo de cargas se puede producir una sobre corriente inicial al efectuarse la conmutación ya que sobre un capacitor descargado una variación abrupta de tensión tendrá su máxima corriente en el transitorio inicial. En este caso habrá que prever la corriente de los contactos del dispositivo elegido ya que estos podrían soldarse. Ejemplo de este tipo de cargas pueden ser fuentes de alimentacion filtradas o salidas para sistemas CC. Cargas Inductivas: En este tipo de cargas el aumento de corriente es paulatino pero se produce una sobre tensión inductiva en el momento de la desconexion que se aplica directamente sobre contactos que de no tenerse en cuenta podría producir un arco y acortar la vida útil de los mismos. Ejemplos de este tipo de carga son actuadores de solenoide, válvulas magnéticas u otros relés. Cargas Combinadas: Este tipo cargas al poseer efectos inductivos y capacitivos hay que prever según el caso los efectos anteriores. Este tipo de cargas son las mas abundantes, un ejemplo son los motores sincrónicos monofasico que por ejemplo al arrancar con el rotor bloqueado tiene un consumo muy alto en el transitorio de arranque. Departamento de Ingeniería Química 1 Alejandro Hayes Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Buenos Aires Electrónica Para Ingeniería Química I 2019 4. Relés Se comenzara por explicar el principio de funcionamiento de los relés y luego al tratar el tema de contactores solo se mencionaran las principales diferencias. Los relés pueden clasificarse en dinámicos o electromecánicos y estáticos o de estado solido, en cualquiera de los casos el esquema general se muestra en la Figura 1. Figura 1: Diagrama en Bloques Se puede pensar un relé como un sistema de dos etapas,una de excitación E también llamada de control y otra de conmutación también llamada de potencia A. La etapa de excitación se encarga de recibir la señal de mando bajo la forma de una tensión o corriente y generar a partir de ella las acciones necesarias para la actuación de la etapa de conmutación que es la interacciona directamente con la carga. El inductor con núcleo simboliza el funcionamiento electromagnético. 4.1 Relés Dinámicos o Electromagnéticos En este tipo de relés la etapa de excitación esta constituida por un solenoide mientras que la etapa de conmutación esta formada por los contactos. Todo el conjunto constituye un sistema magnetico. El solenoide se encarga de producir un campo magnético lo suficientemente intenso como para que el sistema actue.La Figura 2 muestra un esquema básico del relé y la Figura 3 muestra el aspecto exterior de distintos tipos de reles. Constructivamente el solenoide consiste en un arrollamiento de hilo de cobre esmaltado, a partir Figura 2: Esquema General Figura 3: Esquema General de ahí se establecen parámetros de diseño tales como, resistencia, numero de espiras, diámetro Departamento de Ingeniería Química 2 Alejandro Hayes Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Buenos Aires Electrónica Para Ingeniería Química I 2019 del alambre entre otros. Para algunas aplicaciones se utilizan relés con mas de un arrollamiento en el solenoide. El sistema electromagnético se completa con el núcleo del solenoide, la armadura fija que obra como soporte del relé y la armadura móvil que es la pieza que se mueve como efecto del campo magnético del solenoide provocando la conmutación de los contactos.Estas tres ultimas piezas suelen estar hechas de hierro dulce con el fin de que acumulen cierto magnetismo remanente. El circuito de conmutación esta constituido por los contactos y la armadura movil. Los grupos de contactos pueden estar formados por dos laminas o tres laminas según la función de conmutador o inversor respectivamente. Las laminas contienen en sus extremos uno o mas puntos de contacto soldados o remachados a las mismas. La elección del material con el que se fabrican los contactos depende de la función de los mismos y de factores tales como el tipo de carga, los valores de potencia a manejar y las condiciones climáticas. Una clasificación que se hace de los contactos es la siguiente. Contactos para pequeñas corrientes: Sus dimensiones son pequeñas del orden de 1 milímetro y se utiliazn hastas corrientes del orden de 1 ampere. Se fabrican de plata,platapaladio y oro. Contactos para grandes corrientes: Sus dimensiones son pequeñas del orden de 6 milímetro y se utiliazan con corrientes mayores que 1 ampere. Se fabrican de plata dura y wolframio. 4.1.1 Especificaciones de los relés dinámicos Como es de esperar y a partir del diagrama en bloques, las especificaciones que establece el fabricante y que son necesarias para el diseño electrónico y para la correcta selección se dividen por etapas. Se presentan a continuación las especificaciones mas frecuentes. 4.1.1.1 Especificaciones sobre la etapa de excitación En este caso es importante el tipo de tensiones con las que funcionara el solenoide, si estas serán continuas o alternas,así como las tensiones y corrientes maximas y la resistencia minima. Tensión Nominal vn : Es la tensión para la que se ha dimensionado el inductor y a la cual debe someterse Corriente Nominal in : Es la corriente que circula al aplicarse la tensión nominal. Tensión Mínima de Actuación o de Respuesta vmin : Es la mínima tensión a aplicar sobre el inductor para que el relé conmute. Un criterio es vmin = 0.8 vn . Corriente Mínima de Actuación o de Respuesta imin : Es la corriente que circula por el inductor al aplicarse la Tensión Minima. Tensión de Caída vc : Es la tensión a la cual el relé recupera su posición de reposo, esta tensión suele ser considerablemente menor que la tensión mínima de actuación y esta asociada al fenómeno de histeresis que se desarrollara en otro apartado. Corriente de Caida ic : Es la corriente que circula por el inductor al aplicarse la Tensión de Caida. 4.1.1.2 Especificaciones sobre la etapa de conmutación Para el diseño o selección del dispositivo se hace necesario conocer la cantidad de contactos requerida en base al numero de circuitos a conectar, si van a actuar como interruptores o inversores y los niveles de corriente que se van a manejar. Tensión Nominal de los contactos vnc : Es la tensión que se aplica sobre los contactos antes de conmutar Máxima Tensión Nominal vncmax : Es la máxima tensión que es posible aplicar a los contactos. Depende del aislamiento. Máxima Corriente Admisible: Es la máxima corriente que puede circular por los contactos. Depende del material elegido. Presión de Contactos: Es la presión entre contactos cuando están cerrados. Cuanto mas intensa sea,mayor seguridad de trabajo se obtendrá. Resistencia de Contactos: Es la resistencia ohmica que aparece entre los contactos unidos por presion. Departamento de Ingeniería Química 3 Alejandro Hayes Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Buenos Aires Electrónica Para Ingeniería Química I 2019 Acompañamiento de contactos: Es el desplazamiento que realizan los puntos de contacto una vez que se han unido con el objetivo de facilitar la autolimpieza de los mismos. A continuación se han seleccionado partes de una hoja de especificaciones de un relé comercial de propósito general. Figura 4: Presentacion Rele Comercial Figura 5: Especificaciones del Inductor y de los Contactos Figura 6: Caracteristica Generales Existen muchas mas especificaciones que pueden buscarse en la pagina web de diferentes fabricantes pero se han exhibido las mas frecuentes y de uso relevante. 4.1.2 El fenómeno de histeresis en los relés dinámicos Una propiedad importante de los relés que surge a partir de las características constructivas de los mismos es que proporcionan un entrehierro diferencial para controles encendidoapagado que surge a partir del efecto de histeresis que es inherente a su funcionamiento y que se explicara en este apartado. Para que se produzca la conmutación de un relé, se necesita una mínima corriente de actuación en su etapa de excitación, de ese modo la armadura se mueve y los contactos se accionan. Sin embargo para que la armadura vuelva a su estado inicial o de reposo, es necesario que la corriente descienda a un valor considerablemente Departamento de Ingeniería Química 4 Alejandro Hayes Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Buenos Aires Electrónica Para Ingeniería Química I 2019 menor que la corriente mínima mencionada, a este fenómeno se lo llama histeresis. La Figura 7 muestra esta característica. En el gráfico de la izquierda se representan los estados abierto A y cerrado C en el eje vertical y las corrientes en el eje horizontal. Figura 7: Característica de Histeresis del Relé Desde el punto de vista físico se puede entender este fenómeno de la siguiente forma. Cuando el relé esta en reposo, hay un entrehierro entre el solenoide y la armadura móvil, por lo tanto se necesita una intensidad para mover la armadura que contemple la atenuación debida al entrehierro. Cuando el relé esta cerrado, no existe el entrehierro o es mucho mas pequeño y por lo tanto la intensidad de campo necesaria para mantenerlo en esa posición es mucho menor y por lo tanto para volver a su situación de equilibrio se necesitara una intensidad de corriente mucho menor lo que produce ese efecto de ventana o de histeresis. 4.1.3 Simbología En esta sección cabe aclarar que la notación varia levemente según el país, la literatura utilizada, el toque personal de cada autor y otros factores. La Figura 8 muestra algunas de las simbologías utilizadas. Figura 8: Simbolos mas utilizados 4.1.4 Tipos de relés dinámicos y algunas aplicaciones Existen diversos tipos de relés dinámicos y la clasificación de los mismos esta sujeta a los criterios y a los diferentes autores. En este apartado se presentaran los tipos mas utilizados. 4.1.4.1 Relés con enclavamiento o biestables En este tipo de relés están diseñados de modo tal de mantener la ultima posición alcanzada aun retirada la exitación. Un ejemplo típico de aplicación de estos relés es cuando se desea activar una sirena de una alarma de robo cuando se abre una ventana, interesa que la alarma siga sonando aun cuando la ventana vuelva a cerrarse aunque sea de golpe. El enclavamiento se suele hacer de dos formas, una mecánica y otra magnetica. Departamento de Ingeniería Química 5 Alejandro Hayes Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Buenos Aires Electrónica Para Ingeniería Química I 2019 En la forma mecánica se utiliza un sistema de engranajes y resortes para mantener los contactos en la posición necesaria, mientras que en el segundo caso se utiliza un iman que ejerce sobre los contactos la fuerza necesaria para mantenerlos abiertos o cerrados. Figura 9: Relés con enclavamiento la figura 9 muestra un esquema de relés con enclavamiento, en el caso del magnético su actuación se puede producir mediante una sola bobina que al recibir un impulso hace cambiar la posición de los contactos y necesita de un nuevo impulso de polaridad contraria para recuperar la posición original.En otros casos se utilizan dos arrollamientos en la bobina conectándose de modo que en ellos se produzcan campos magnéticos opuestos, así aplicando en forma alternada los impulsos del mismo signo a uno u otro devanado de desplazaran los contactos entre las posiciones posibles. 4.1.4.1 Relés Industriales Son de uso general en potencias medias, son robustos con contactos para corrientes elevadas y tienen larga vida. Están diseñados para 10.000.000 de actuaciones promedio. El solenoide puede alimentarse con tensiones continuas o alternas en un rango ente 6 y 380 volts.La frecuencia de conmutacion no excede las 20 actuaciones por segundo. Suelen fabricante en versiones soldables y enchufables sobre una base o zócalo mediante terminales faston.La figura 10 muestra un ejemplo de zócalo para relés y terminales faston macho y hembra. Figura 10: Zocalo para rele y terminales faston Departamento de Ingeniería Química 6 Alejandro Hayes Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Buenos Aires Electrónica Para Ingeniería Química I 2019 El numero de circuitos de conmutación que se utilizan no suele superar los tres inversores. Dentro de los usos de los relés industriales se encuentran los tableros y equipos de maniobras,los electrodomésticos, las maquinas y en aplicaciones de luminotecnia entre otras. 4.1.4.2 Relés Miniatura Son relés de tamaño reducido y con características mejoradas respecto de los industriales. Existen versiones para corrientes fuertes o débiles, la frecuencia de actuación esta en el orden de 50 conmutaciones por segundo. El inductor puede elegirse para ser excitado por una señal continua o variable en el tiempo y en muchos casos admiten mas de u arrollamiento, lo que hace posible su aplicación en varios circuitos de mando. Los terminales de conexión son de tres tipos, soldables, para zócalos y para circuitos impresos. Suelen admitir un numero máximo de contactos de hasta 6 interruptores y 4 inversores. Dentro de este tipo de relés se encuentran aquellos diseñados para montarse en circuitos impresos. Su forma externa es plana con el fin de adaptarse a circuitos de poca altura. Suelen accionarse con tensiones continuas y sus contactos soportan corrientes débiles. Admiten un elevado numero de actuaciones en algunos casos llegan a 100 millones. Se utilizan en equipos informáticos, de medida, tv y audio. Por lo general tienen un encapsulado tipo Dual-In-Line con un aspecto muy similar a los circuitos integrados. Permiten frecuencias elevadas de conmutación, cerca de 600 actuaciones por segundo. Normalmente se montan sobre zócalos utilizados para circuitos integrados tipo DualIn-Line. 4.1.4.3 Relés Telefónicos Tienen una forma alargada y se caracterizan por tener elementos mecánicos que permiten regular los tiempos de conexión y . Suelen admitir hasta tres devanados independientes para ser actuados desde otros tantos circuitos de mando existiendo también la posibilidad de dotarlos de varias capas de arrollamientos en corto circuito con lo que se consigue un desprendimiento lento de los contactos.Existen versiones para corrientes fuertes o débiles y admiten un máximo de 6 circuitos inversores. Se emplean en sistemas de telefonía, telex y tableros de maniobra. La Figura 11 muestra un tipo de rele telefónico. Figura 11: Relé Telefónico 4.1.4.3 Relés Reed Este tipo de relés obedece a un concepto ligeramente diferente al de los descriptos hasta ahora. La construcción del mismo se basa en dos elementos, un solenoide de actuación y un par de contactos reed. Aquí el solenoide tiene un orificio en su centro donde se Departamento de Ingeniería Química 7 Alejandro Hayes Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Buenos Aires Electrónica Para Ingeniería Química I 2019 encuentran los contactos, en los relés presentados gasta ahora ese lugar lo ocupaba el núcleo metálico. Puede tenes dos o mas arrollamientos independientes en la misma forma que en el resto de los relés. Los contactos reed, se realizan en base a un material magnético lo que facilita la apertura y cierre ante un campo magnético evitando el agregado de elementos mecánicos de actuación como armaduras, levas etc. Los contactos están encerrados en forma hermética de modo que queden aislados del polvo y otras perturbaciones atmosféricas. Se fabrican en forma de interruptores e inversores. El solenoide y los contactos pueden suministrarse por separado lo que lo hace mas versátil a las diferentes combinaciones. En algunos casos donde se necesitan mas de un juego de contactos, se recurre a bobinas que disponen de varios alojamientos en su centro sobre los que se instalan las capsulas reed necesarias. También se pueden obtener relés con enclavamiento o biestables si se introduce un iman cilindrico en el interior de la bobina junto con el resto de las capsulas reed actuando el relé de forma similar a los convencionales. Una precaucion que hay que tomar es evitar que algún campo externo haga conmutar el relé, para ello se una una caja externa metálica que realice el blindaje correspondiente. La figura 12 muestra un esquema del este tipo de relés y la 13 muestra modelos comerciales. Figura 12: Esquema de un Rele Reed Figura 13: Reles Reed Comerciales 4.1.4.4 Relés de Mercurio Dentro de los relés reed existe una variante que son los relés de mercurio. En este caso en el interior del solenoide hay mercurio,que mantiene a los contactos permanentemente humedecidos con ese metal. Esto permite obtener resistencias muy pequeñas de contactos del orden de 2 mohms, ausencias de rebotes durante la actuación y un numero mayos de actuaciones, alrededor de 1000 millones. Departamento de Ingeniería Química 8 Alejandro Hayes Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Buenos Aires Electrónica Para Ingeniería Química I 2019 Figura 14: Relés de Mercurio Comerciales 4.2 Relés Estáticos o de Estado Solido (SSR) Este tipo de relés desempeñan la misma función que los dinámicos pero se caracterizan por no tener ninguna pieza móvil y en su funcionamiento no intervienen fenómenos electromagnéticos. En su mayoría se construyen usando dispositivos electrónicos de estado solido, de ahí su otra denominación. Los mas utilizados son aquellos cuyo acoplamiento es óptico. La Figura 15 muestra el esquema general de este tipo de relés. Figura 15: Esquema General de un Relé Estático Como ventaja frente a los dinámicos es que se evita toda consecuencia de la interacción mecánica como salto de arco, ruido de conmutación, efecto rebote de los contactos entre otros. Los tiempos de conmutación son menores. Al no haber partes mecánicas, su vida útil es mucho mayor. Es posible diseñarlos de modo de que su resistencia de salida sea constante y no dependa de la carga. Por otro lado no produce campos magnéticos que puedan generar interferencias y en general son menos sensibles a las condiciones atmosféricas. Una desventaja es consecuencia de las alinealidades en los semiconductores que influyen según la carga, la alta velocidad de conmutación puede generar falsas activaciones y desactivaciones por transitorios en la carga. Al fallar tienden a quedar en circuito cerrado en lugar de circuito abierto como los dinámicos lo que en muchos casos es una desventaja importante. La figura 16 muestra un esquema de SSR con un foto transistor pero cabe aclarar que existen otros esquemas con fototriacs, fotodiodos etc. Incluso hay modelos que ya cuentan internamente con una estructura circuital un tanto mas compleja. Hay otros tipos de SSR cuya interaccion se produce mediante un campo magnético de muy baja intensidad que activa un contacto pero que el movimiento mecánico es minimo. Figura 16: Diferentes tipos de Relés Estáticos y Un Esquema básico Departamento de Ingeniería Química 9 Alejandro Hayes Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Buenos Aires Electrónica Para Ingeniería Química I 2019 5 Contactores Desde el punto de visto del funcionamiento no hay nada nuevo que decir de los contactores respecto de los relés pero si cabe destacar que tienen un mayor manejo de potencia en sus contactos, es decir pueden trabajar con cargas mas elevadas y de mayos corriente. La figura 17 muestra el aspecto de algunos contactores comerciales Figura 17: Diferentes tipos de Contactores Comerciales 6 Conclusiones En esta nota se intento exponer las principales tipos de relés y sus características. Obviamente existe mucha mas información y material complementario. Al ser la primera versión de la nota puede contener errores de tipeo o de expresión, la idea es completarla a futuro y corregir todo aquello que sea necesario. Se le agradece al lector notificar al autor sobre cualquier error encontrado o si desea puede hacer cualquier sugerencia que ayude a la mejora del material. 7 Referencias [1] Maloney, T., Electrónica Industrial Moderna. 5a ed. México: Pearson Educación, 2006 [2] Humphries, J. Sheets, L. , Electrónica Industrial 1a ed. Madrid: Paraninfo, 1993 [3] Gurevich,V. , Electric Relays. Principles and Aplications 1a ed. NW: Taylor & Francis Group, 2006 [4] Goñi.M (Editor) , Biblioteca Básica de Electrónica V4. Componentes Mas Usuales 1a ed. Chile: Nueva Lente S.A., 1986 Departamento de Ingeniería Química 10 Alejandro Hayes
