Introducción

Los relés juegan un papel importante en los sistemas de control eléctrico. Hay muchos tipos de relés como relés electromagnéticos, relés de tiempo y relés térmicos. Los relés de estado sólido (SSR) son uno de ellos. Pueden suministrar/cortar la energía a los aparatos eléctricos usando una señal de control de bajo voltaje. En este artículo, analizaremos los SSR, cómo funcionan y sus aplicaciones.

Introducción a los tipos de relés

Hay momentos en los que necesitamos controlar un equipo eléctrico de alto voltaje/alta corriente usando una pequeña señal. Por ejemplo, imagine un escenario en el que necesitamos controlar un motor monofásico de 220 V y 1 HP mediante un pequeño interruptor/botón o mediante un PLC. En una aplicación como esta, el motor no se puede conectar directamente al PLC o al interruptor. Esto no solo excede la clasificación del interruptor, sino que también representa un riesgo eléctrico debido a los altos voltajes y la corriente que se maneja.

Los relés son útiles en tales casos. Un relé nos permite controlar un aparato grande que consume más corriente (como una carga de 220V 20A) utilizando una pequeña señal de voltaje (24V, 100mA). Un relé también proporciona aislamiento eléctrico entre el lado de alto voltaje y el lado de bajo voltaje. Los relés son dispositivos de tipo encendido/apagado que tienen solo esos dos modos distintos de operación.

Antes de pasar a los relés de estado sólido, repasemos algunos de los tipos de relés más populares disponibles en el mercado para comprender cómo funciona un relé normal.

Hay muchos tipos de relés disponibles en el mercado. En general, son interruptores de encendido/apagado controlados eléctricamente que tienen una configuración monopolar/multipolar y de tiro. 

Estos son algunos de los tipos de relés populares y su funcionalidad en resumen:

• Relés electromagnéticos/electromecánicos
  • Estos son los tipos de relés más populares y genéricos. Consisten en un brazo mecánico que hace/rompe el contacto con los terminales conductores de contacto del relé, y se acciona aplicando un voltaje a la bobina incorporada. Los relés electromagnéticos pueden controlar aparatos de CA y CC. Los relés electromagnéticos están disponibles en varios voltajes de bobina y clasificaciones de contacto.
• Pequeños relés de señal
  • Los relés de señal pequeña se encuentran principalmente en aplicaciones de automatización industrial y automotriz. Estas son versiones en miniatura de relés electromecánicos que conmutan señales de bajo voltaje y baja corriente, como las señales de salida digital de PLC.
• Relés de retardo de tiempo
  • Los relés de retardo de tiempo consisten en un temporizador incorporado y un relé electromecánico para retrasar el encendido después de aplicar una señal de encendido. Estos se encuentran en circuitos de control de motores para arrancar motores de alta potencia.
• Relés polarizados
  • Los relés polarizados son un tipo especial de relé que son sensibles a la dirección de la corriente aplicada. Cuando se aplica una corriente continua a la bobina en una determinada polaridad, el relé cambia a una determinada posición, activando un determinado conjunto de contactos. Cuando se intercambia la polaridad, se activa otro conjunto de contactos. Cuando se quita la alimentación, algunos relés polarizados vuelven a una 'posición neutral' para romper todos los contactos.

El otro tipo de relé más popular es el relé de estado sólido. Con la comprensión sobre los relés que tenemos hasta ahora, analicemos los relés de estado sólido.

¿Qué es un relé de estado sólido?

Un relé de estado sólido (también conocido como SSR) es otro tipo de relé que funciona con una pequeña señal de entrada de CA/CC. Los SSR funcionan de manera muy similar a los EMR (Relés electromecánicos). Sin embargo, no tienen los componentes móviles. En cambio, los SSR utilizan componentes eléctricos y ópticos (lo que les da el nombre de estado sólido) para realizar la tarea de conmutación y mantener la señal de entrada aislada del lado de conmutación.

Al igual que un relé electromecánico, los relés de estado sólido también proporcionan una resistencia/impedancia de contacto casi infinita cuando están abiertos y una resistencia/impedancia casi nula durante el funcionamiento. Dependiendo de la construcción interna del circuito de control, los SSR pueden controlar CA, CC o ambos tipos. Esto es posible debido a la variedad de opciones de semiconductores disponibles como electrónica de potencia. Los relés de estado sólido se pueden diseñar utilizando SCR, TRIAC o incluso transistores/MOSFET.

Una de las cosas clave que diferencia a un SSR de su contraparte electromecánica es la vida operativa. Los relés electromecánicos tienen un ciclo de vida de contacto muy limitado porque conectan/desconectan físicamente los contactos. Esto hace que se generen arcos eléctricos entre los contactos de apertura, lo que degrada la superficie de contacto. Si bien los relés de servicio pesado están diseñados para contrarrestar esto, no son permanentemente inmunes al desgaste.

Los SSR, por otro lado, son completamente de estado sólido y no tienen partes móviles. Esto les permite durar miles de ciclos de conmutación bajo carga nominal sin tener que preocuparse por la estabilidad operativa. Esto también mejora la velocidad de conmutación del SSR. 

Circuito de relé de estado sólido

Los relés de estado sólido son dispositivos simples desde el punto de vista de la usabilidad. Poseen entrada de señal de control, y salida conmutada que controla cargas eléctricas de alta potencia. Su construcción interna es mucho más complicada de lo que parece. Analicemos el circuito SSR y cómo funciona.

Como se mencionó anteriormente, los relés de estado sólido ofrecen aislamiento eléctrico entre el lado de la señal de control y el lado de la carga. Similar a los relés electromecánicos donde el aislamiento ocurre a través de contactos físicamente separados, los SSR logran esto aislando ópticamente la señal de entrada.

Esto se hace usando un dispositivo semiconductor especial llamado 'optoacoplador' (también conocido como 'optoaislador'). Los optoacopladores contienen uno o más diodos emisores de infrarrojos o LED junto con un dispositivo fotosensible para proporcionar aislamiento de señal óptica. 

Cuando se proporciona la señal de control (voltaje de CC muy bajo en el rango de 2-3 V), enciende el LED IR integrado en el SSR. El haz emitido es recibido por el dispositivo fotosensible para activar la salida. El dispositivo fotosensible se coloca más lejos del emisor y para proporcionar el aislamiento eléctrico. Con esta implementación, un SSR puede conmutar fácilmente una carga de 220 V CA con una señal de control tan baja como 5 V CC.

La señal de control puede originarse de múltiples maneras. Puede ser cualquiera,

• Señal de CC de estado sólido
  • Las señales de CC de estado sólido pueden originarse a partir de interruptores simples o fuentes de alimentación directa, como celdas de batería.
• Señal de salida digital
  • Controladores como microcontroladores o microprocesadores, los PLC también pueden generar señales que se pueden alimentar a SSR para controlar cargas.
• Señales de puerta lógica
  • Para aplicaciones que no requieren la potencia de procesamiento de un microcontrolador, la salida de un circuito de puerta lógica combinacional se puede conectar a un SSR para encender/apagar una carga de acuerdo con un conjunto de entradas condicionales.

Tipos de SSR

Hay muchos tipos de relés de estado sólido. Se diferencian entre sí por la funcionalidad. El principio de funcionamiento es muy similar, aunque se utilizan en diferentes aplicaciones.

SSR de conmutación instantánea

Los relés de estado sólido de conmutación instantánea encienden la salida inmediatamente cuando se aplica un voltaje de control. Estos SSR tienen un tiempo de respuesta atípico de menos de 1 milisegundo, lo que los convierte en un componente ideal para aplicaciones que requieren una respuesta rápida y/o control de ángulo de fase. Estos también encuentran aplicaciones en la conmutación de carga inductiva.

Los SSR de conmutación instantánea generalmente están hechos de triacs para permitir el control de señales de CA independientemente del ángulo de fase en el momento de la conmutación. Esto funciona de manera idéntica a un interruptor regular donde el punto de encendido es aleatorio.

SSR de conmutación cero

La conmutación por cero, también conocida como SSR de cruce por cero, se enciende en el primer punto de cruce por cero del voltaje de línea, independientemente de la señal de control de tiempo que se aplique. Para un voltaje de línea sinusoidal de 50 Hz, el tiempo de respuesta puede estar entre casi cero y 10 ms (menos de la mitad del período).

Estos SSR tienen un circuito integrado especial llamado 'detector de cruce por cero'. Cuando se aplica la señal de control, este circuito genera un pulso tan pronto como la forma de onda sinusoidal de CA alcanza el punto 0V. Esto enciende el triac que controla la carga y el triac permanece conductor hasta que el voltaje de la línea llega a cero nuevamente. El ciclo se repite mientras se aplica el voltaje de control.

Los SSR de cruce por cero encuentran sus aplicaciones en sistemas de control de carga resistivos, capacitivos e inductivos. La activación en el punto de cruce por cero garantiza que fluya una mínima corriente transitoria hacia la carga durante el arranque. 

SSR de conmutación máxima

Como complemento del tipo de cruce por cero, los SSR de conmutación de pico activan la salida en el primer pico de la tensión de línea al aplicar la tensión de control. Después de este medio ciclo, el SSR continúa funcionando como un SSR de cruce por cero. 

En los SSR de conmutación de picos, se acopla un detector de cruce por cero con una etapa inicial de detección de picos para generar el primer pulso de encendido. El SSR no se enciende hasta que el voltaje de la línea alcanza su voltaje máximo. Tan pronto como se detecta el pico, la carga recibe energía a través del triac. Cuando se conectan en un pico de la tensión de alimentación, las cargas inductivas consumen la menor cantidad de corriente de irrupción. El uso de SSR de conmutación de picos es beneficioso en tales aplicaciones para garantizar que la carga esté protegida de las corrientes de irrupción.

Los SSR de conmutación de picos se utilizan con cargas muy inductivas, como transformadores y motores de alta potencia. 

SSR de conmutación analógica

Los SSR de conmutación analógica son un tipo especial de SSR. Operan con una señal de corriente de 4-20mA DC. La fase de la salida está proporcionalmente influenciada por la señal de entrada. Cuando se elimina la señal de voltaje/corriente de control, el SSR se apaga. Los relés analógicos de estado sólido tienen circuitos incorporados que funcionan como un sistema de retroalimentación de bucle cerrado para controlar el voltaje de salida en función del voltaje de entrada.

SSR de conmutación de CC

Para cargas resistivas e inductivas, los SSR de conmutación de CC se utilizan ampliamente. Los SSR de CC controlan la carga mediante MOSFET de BJT, por lo que se utilizan mejor con cargas de CC, como elementos calefactores de CC, válvulas de solenoide y motores con escobillas de CC. Dado que estos no tienen una protección de contragolpe inductivo incorporada, se requiere conectar un diodo de rueda libre externo a los terminales de salida en una configuración de polarización inversa.

Métodos de control

Los diferentes tipos de SSR tienen diferentes métodos de conducción. Como se mencionó anteriormente, los SSR requieren solo una pequeña señal de control para cambiar una carga de mayor voltaje y mayor corriente. Estos son algunos de los métodos utilizados para controlar la entrada de un SSR.

Conmutación CC directa

El método más simple para controlar un SSR es aplicar el voltaje de control directamente al SSR. Por ejemplo, si el voltaje de control de un SSR es de 12 V CC, el suministro directo de la señal de voltaje a las entradas de control enciende el SSR. Este tipo de implementación simple se puede encontrar en circuitos de control de motores directos en línea.

Control de transistores

En algunos casos, el voltaje de la señal de control puede no ser lo suficientemente alto para controlar directamente las entradas del SSR. Por ejemplo, es posible que un microcontrolador que funcione a 5 V o 3.3 V no pueda proporcionar suficiente voltaje y corriente para impulsar el circuito interno del SSR. En tales casos, los voltajes lógicos deben traducirse a una señal de control a la entrada del SSR. Al implementar un circuito similar a la imagen de arriba, una pequeña señal de entrada puede controlar fácilmente el SSR. El circuito de transistor NPN que se muestra arriba puede encender el SSR cuando se aplica un voltaje positivo a la terminal base.

Control lógico combinacional

En aplicaciones donde se necesita lógica condicional, pero el sistema es demasiado simple para ser controlado por un sistema de control basado en un microcontrolador como un PLC, se pueden usar puertas lógicas. Con un circuito similar al que se muestra a continuación, la salida invertida de un circuito lógico combinacional positivo puede impulsar directamente un SSR para controlar una carga eléctrica.

Señal de control de CA

Algunos sistemas usan solo alimentación de CA tanto en la electrónica de control como en la de potencia. La incorporación de un SSR en un sistema de este tipo puede ser un desafío porque los SSR se activan principalmente mediante señales de CC. Sin embargo, con el principio de rectificación de puente completo, una señal de CA con un nivel de voltaje compatible se puede convertir en una señal de voltaje de CC rectificada para impulsar las entradas del SSR. La siguiente figura muestra una implementación de este tipo.

Sin embargo, la mayoría de los fabricantes de SSR ofrecen relés de estado sólido de entrada de CA en su serie SSR para superar esta sobrecarga adicional.

Ventajas de los relés de estado sólido

Los SSR tienen muchas ventajas, entre ellas,

• Larga vida y alta confiabilidad
• Tiempos de respuesta rápidos
• Bajo EMI
• Sin arcos de contacto debido a la falta de componentes mecánicos
• Alta resistencia a vibraciones, golpes y polvo.
• Operación silenciosa
• Compatibilidad lógica

Sin embargo, los SSR también tienen algunas desventajas:

• Caída de tensión de contacto
  • Dado que los SSR se fabrican con dispositivos semiconductores, presentan una resistencia en serie inherente incluso cuando están completamente encendidos. Por ejemplo, los tiristores pueden tener una caída de tensión de 1 a 1.6 V en los terminales. Esto genera calor, que requiere refrigeración pasiva o activa.
• Problemas de voltaje transitorio y limitaciones dV/dt
  • Si no se implementan correctamente, los SSR presentan el riesgo de un encendido aleatorio causado por la acción regenerativa debido a la capacitancia inherente presente en las etapas del semiconductor.

Cómo elegir el relé de estado sólido correcto

Al elegir un SSR para una aplicación en particular, tenga en cuenta los siguientes puntos clave:

Información general

Seleccione un SSR que pueda manejar la corriente de carga nominal, el voltaje y la temperatura de funcionamiento. El SSR generalmente debe tener una calificación más alta que la aplicación prevista.

Funciones de protección

El SSR debe tener protección adecuada contra sobrecarga térmica, sobrecorriente y protección contra voltaje transitorio. En muchos casos, dichos circuitos deben conectarse externamente.

Además, asegúrese de que el SSR cumpla con los estándares de aislamiento para la aplicación. Por ejemplo, los SSR de gama alta tienen una resistencia de aislamiento de entrada a salida de >= 4000 Vrms CA y una resistencia de aislamiento de salida a caja de >= 2500 Vrms CA

Cumplimiento de los estándares de la industria

Seleccionar un SSR que haya sido fabricado para cumplir con IEC, UL y estándares industriales similares garantizará la integridad y confiabilidad del sistema.

Conclusión

Los relés de estado sólido son excelentes dispositivos de conmutación que pueden reemplazar a los relés electromecánicos convencionales en muchos casos. El costo inicial de implementar un sistema basado en SSR es relativamente alto, las ventajas superan fácilmente las desventajas y justifican el costo.