Relé

Cuando los transmisores y receptores de radio comparten una antena, a menudo se utiliza un relé coaxial como relé TR (transmisión-recepción), que conmuta la antena del receptor al transmisor. Esto protege al receptor de la alta potencia del transmisor. Dichos relés se utilizan frecuentemente 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 del transmisor. La impedancia característica del relé se ajusta a la impedancia de la línea de transmisión del sistema, por ejemplo, 50 ohmios. ^{[ 20 ]}

Un contactor es un relé de alta resistencia con capacidades de corriente elevadas, ^{[ 21 ]} utilizado para conmutar motores eléctricos y cargas de iluminación. Las capacidades de corriente continua para contactores comunes varían de 10 amperios a varios cientos de amperios. Los contactos de alta corriente se fabrican con aleaciones que contienen plata . El arco eléctrico inevitable provoca la oxidación de los contactos; sin embargo, el óxido de plata sigue siendo un buen conductor. ^{[ 22 ]} Los contactores con dispositivos de protección contra sobrecarga se utilizan a menudo para arrancar motores. ^{[ 23 ]}

Un relé con contactos guiados por fuerza tiene contactos mecánicamente unidos entre sí, de modo que cuando la bobina del relé se energiza o desenergiza, todos los contactos unidos se mueven simultáneamente. Si un conjunto de contactos del relé se bloquea, ningún otro contacto del mismo relé podrá moverse. La función de los contactos guiados por fuerza es permitir que el circuito de seguridad verifique el estado del relé. Los contactos guiados por fuerza también se conocen como «contactos de guía positiva», «contactos cautivos», «contactos bloqueados», «contactos unidos mecánicamente» o «relés de seguridad».

Estos relés de seguridad deben cumplir con las normas de diseño y fabricación definidas en la norma principal de maquinaria EN 50205  : Relés con contactos de guía forzada (enlazados mecánicamente). Estas normas de diseño de seguridad son las mismas que se definen en normas de tipo B, como la EN 13849-2, que establece los principios básicos de seguridad y los principios de seguridad probados para maquinaria, aplicables a todas las máquinas.

Los contactos guiados por fuerza, por sí solos, no garantizan que todos los contactos estén en el mismo estado; sin embargo, sí garantizan, salvo fallos mecánicos graves, que ningún contacto se encuentre en estados opuestos. De lo contrario, un relé con varios contactos normalmente abiertos (NA) podría quedarse atascado al energizarse, con algunos contactos cerrados y otros ligeramente abiertos, debido a tolerancias mecánicas. Del mismo modo, un relé con varios contactos normalmente cerrados (NC) podría quedarse atascado en la posición de reposo, de modo que al energizarse, el circuito a través de un conjunto de contactos se interrumpe, con una pequeña separación, mientras que el otro permanece cerrado. Al introducir contactos NA y NC, o más comúnmente, contactos conmutadores, en el mismo relé, es posible garantizar que si algún contacto NC está cerrado, todos los contactos NA están abiertos, y viceversa, si algún contacto NA está cerrado, todos los contactos NC están abiertos. No es posible garantizar de forma fiable que un contacto en particular esté cerrado, salvo mediante la detección, potencialmente intrusiva y perjudicial para la seguridad, de las condiciones de su circuito; sin embargo, en los sistemas de seguridad, el estado normalmente abierto (NO) suele ser el más importante y, como se explicó anteriormente, esto se puede verificar de forma fiable detectando el cierre de un contacto de sentido opuesto.

Los relés de contacto guiados por fuerza se fabrican con diferentes conjuntos de contactos principales (normalmente abiertos, normalmente cerrados o conmutados) y uno o más conjuntos de contactos auxiliares, a menudo con una capacidad de corriente o tensión reducida, utilizados para el sistema de monitorización. Los contactos de monitorización pueden ser todos normalmente abiertos, todos normalmente cerrados, conmutados o una combinación de estos, de modo que el diseñador del sistema de seguridad pueda seleccionar la configuración adecuada para cada aplicación. Los relés de seguridad se utilizan como parte de un sistema de seguridad diseñado.

Un relé de enclavamiento, también llamado relé de impulso , biestable , de retención o simplemente de enclavamiento , mantiene cualquiera de las posiciones 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 activa el relé, y los contactos del relé conservan esta configuración incluso en caso de un corte de energía. Un relé de enclavamiento permite el control remoto de la iluminación de un edificio sin el zumbido que puede producir una bobina energizada continuamente (con corriente alterna).

En un mecanismo, dos bobinas opuestas con un resorte de sobrecentro o un imán permanente mantienen los contactos en posición después de que la bobina se desenergiza. Un pulso en una bobina activa el relé, y un pulso en la bobina opuesta lo desactiva. Este tipo se usa ampliamente en sistemas de control donde el control proviene de interruptores simples o salidas de un solo extremo, y estos relés se encuentran en aviónica y numerosas aplicaciones industriales.

Otro tipo de enclavamiento tiene un núcleo remanente que mantiene los contactos en la posición de operación mediante el magnetismo remanente en el núcleo. Este tipo requiere un pulso de corriente de polaridad opuesta para liberar los contactos. Una variante utiliza un imán permanente que produce parte de la fuerza necesaria para cerrar el contacto; la bobina proporciona la fuerza suficiente para mover el contacto, ya sea abriéndolo o cerrándolo, al favorecer u oponerse al campo del imán permanente. ^{[ 24 ]} Un relé controlado por polaridad necesita interruptores de conmutación o un circuito de accionamiento en puente H para su control. El relé puede ser menos costoso que otros tipos, pero esto se compensa parcialmente con el aumento de los costos en el circuito externo.

En otro tipo, un relé de trinquete posee un mecanismo que mantiene los contactos cerrados tras la activación momentánea de la bobina. Un segundo impulso, en la misma bobina o en una diferente, libera los contactos. ^{[ 24 ]} Este tipo se puede encontrar en ciertos automóviles, para el control de luces bajas y otras funciones que requieren un funcionamiento alterno con cada activación del interruptor.

Un relé de pasos es un tipo especializado de relé de enclavamiento multidireccional diseñado para las primeras centrales telefónicas automáticas .

Un interruptor diferencial incluye un relé de enclavamiento especializado.

Los primeros ordenadores solían almacenar bits en un relé de enclavamiento magnético, como el ferreed o el posterior remreed del conmutador 1ESS .

Algunas computadoras antiguas utilizaban relés comunes como una especie de pestillo : almacenaban bits en relés de resorte de alambre o relés de láminas mediante la realimentación de un cable de salida como entrada, lo que resultaba en un bucle de retroalimentación o circuito secuencial . Este tipo de relé de enclavamiento eléctrico requiere alimentación continua para mantener su estado, a diferencia de los relés de enclavamiento magnético o los relés de trinquete mecánico. Si bien los circuitos de auto-retención suelen implementarse con relés, también pueden implementarse por otros medios.

En las memorias de las computadoras, los relés de enclavamiento y otros relés fueron reemplazados por memorias de línea de retardo , que a su vez fueron reemplazadas por una serie de tecnologías de memoria cada vez más rápidas y cada vez más pequeñas.

Un relé para máquinas herramienta es un tipo estandarizado para el control industrial de máquinas herramienta , máquinas de transferencia y otros sistemas de control secuencial. Se caracteriza por un gran número de contactos (a veces ampliables en campo) que se pueden convertir fácilmente de normalmente abiertos a normalmente cerrados, bobinas fácilmente reemplazables y un formato que permite instalar varios relés de forma compacta en un panel de control. Si bien estos relés fueron en su momento la base de la automatización en industrias como la automotriz, el controlador lógico programable (PLC) los ha desplazado en gran medida de las aplicaciones de control secuencial.

Un relé permite conmutar circuitos mediante equipos eléctricos; por ejemplo, un circuito temporizador con un relé podría interrumpir la alimentación a una hora preestablecida. Durante muchos años, los relés fueron el método estándar para controlar sistemas electrónicos industriales. Varios relés podían utilizarse conjuntamente para realizar funciones complejas ( lógica de relés ). El principio de la lógica de relés se basa en relés que energizan y desenergizan los contactos asociados. La lógica de relés es la precursora de la lógica de escalera , que se utiliza habitualmente en controladores lógicos programables .

Un relé de mercurio es un relé que utiliza mercurio como elemento de conmutación. Se emplean en aplicaciones donde la erosión de los contactos sería un problema para los relés convencionales. Debido a las consideraciones medioambientales sobre la gran cantidad de mercurio que se utiliza y a las alternativas modernas, actualmente son relativamente poco comunes.

Un relé de láminas humedecido con mercurio es un tipo de relé de láminas que emplea un interruptor de mercurio , cuyos contactos están humedecidos con mercurio . El mercurio reduce la resistencia de contacto y mitiga la caída de tensión asociada. La contaminación superficial puede provocar una conductividad deficiente para señales de baja corriente. Para aplicaciones de alta velocidad, el mercurio elimina el rebote de los contactos y proporciona un cierre de circuito prácticamente instantáneo. Los relés humedecidos con mercurio son sensibles a la posición y deben montarse según las especificaciones del fabricante. Debido a la toxicidad y el coste del mercurio líquido, estos relés han caído cada vez más en desuso.

La alta velocidad de conmutación del relé humedecido en mercurio es una ventaja notable. Los glóbulos de mercurio en cada contacto se fusionan , y el tiempo de subida de la corriente a través de los contactos se considera generalmente de unos pocos picosegundos. Sin embargo, en un circuito práctico, este tiempo puede verse limitado por la inductancia de los contactos y el cableado. Antes de las restricciones al uso del mercurio, era bastante común utilizar un relé humedecido en mercurio en el laboratorio como un medio conveniente para generar pulsos de rápido tiempo de subida; sin embargo, aunque el tiempo de subida puede ser de picosegundos, la sincronización exacta del evento, como en todos los demás tipos de relés, está sujeta a una considerable fluctuación, posiblemente de milisegundos, debido a variaciones mecánicas.

El mismo proceso de coalescencia provoca otro efecto que resulta problemático en algunas aplicaciones. La resistencia de contacto no es estable inmediatamente después del cierre del contacto y tiende a disminuir, principalmente a la baja, durante varios segundos después del cierre, con una variación que puede ser de hasta 0,5  ohmios.

Los relés multivoltaje son dispositivos diseñados para funcionar con amplios rangos de voltaje, como de 24 a 240 VCA y VCC, y amplios rangos de frecuencia, como de 0 a 300  Hz. Están indicados para su uso en instalaciones que no cuentan con voltajes de alimentación estables.

Los motores eléctricos necesitan protección contra sobrecorriente para evitar daños por sobrecarga o para protegerlos contra cortocircuitos en los cables de conexión o fallas internas en los devanados del motor. ^{[ 25 ]} Los dispositivos de detección de sobrecarga son un tipo de relé accionado por calor donde una bobina calienta una tira bimetálica , o donde se funde un crisol de soldadura, para accionar contactos auxiliares. Estos contactos auxiliares están en serie con la bobina del contactor del motor, por lo que apagan el motor cuando se sobrecalienta. ^{[ 26 ]}

Esta protección térmica funciona con relativa lentitud, lo que permite que el motor consuma corrientes de arranque más elevadas antes de que se active 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 rudimentaria, de la temperatura ambiente del motor. ^{[ 27 ]}

El otro sistema común de protección contra sobrecargas utiliza una bobina electromagnética en serie con el circuito del motor que acciona directamente los contactos. Es similar a un relé de control, pero requiere una corriente de falla bastante alta para accionar los contactos. Para evitar que los picos de sobrecorriente breves provoquen activaciones intempestivas, el movimiento de la armadura se amortigua con un amortiguador . Las detecciones de sobrecarga térmica y magnética se suelen utilizar conjuntamente en un relé de protección de motor .

Los relés electrónicos de protección contra sobrecarga miden la corriente del motor y pueden estimar la temperatura del bobinado mediante un "modelo térmico" del sistema de armadura del motor, que se puede configurar para proporcionar una protección más precisa. Algunos relés de protección de motor incluyen entradas para detectores de temperatura que permiten la medición directa mediante un termopar o un sensor de resistencia integrado en el bobinado. ^{[ 28 ]}

Un relé polarizado coloca la armadura entre los polos de un imán permanente para aumentar la sensibilidad. Los relés polarizados se utilizaban en las centrales telefónicas de mediados del siglo XX para detectar pulsos débiles y corregir la distorsión telegráfica .

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 lo contiene o de un imán externo.

Los relés de láminas pueden conmutar más rápido que los relés de mayor tamaño y requieren muy poca potencia del circuito de control. Sin embargo, tienen valores nominales de corriente y voltaje de conmutación relativamente bajos. Aunque es poco común, las láminas pueden magnetizarse con el tiempo, lo que provoca que permanezcan activadas incluso cuando no hay corriente; cambiar la orientación de las láminas o desmagnetizar el interruptor con respecto al campo magnético del solenoide puede solucionar este problema.

Los contactos sellados con contactos humedecidos con mercurio tienen una vida útil más larga y menos vibraciones de contacto que cualquier otro tipo de relé. ^{[ 29 ]}

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 adecuadas para reducir el riesgo existente a un nivel aceptable. ^{[ 30 ]}

Un contactor de estado sólido es un relé de estado sólido de alta resistencia, que incluye el disipador de calor necesario, utilizado en aplicaciones que requieren ciclos frecuentes de encendido y apagado, como en calentadores eléctricos, pequeños motores eléctricos y sistemas de iluminación. No tiene piezas móviles que se desgasten ni presenta rebotes de contacto debido a vibraciones. Se activa mediante señales de control de CA o CC provenientes de controladores lógicos programables (PLC), PC, fuentes de lógica TTL (transistor-transistor ) u otros sistemas de control de microprocesadores y microcontroladores.

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 sin componentes móviles, lo que aumenta su fiabilidad 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 utilizar un optoacoplador (un diodo emisor de luz (LED) acoplado a un fototransistor ) para aislar los circuitos de control y los circuitos controlados. ^{[ 31 ]}

Un relé estático consta de circuitos electrónicos que emulan todas las características que se consiguen mediante las partes móviles de un relé electromagnético.

Los relés de temporización están diseñados para un retardo intencional en la activación de sus contactos. Un retardo muy corto (una fracción de segundo) se logra mediante un disco de cobre entre la armadura y el conjunto de cuchillas móviles. La corriente que fluye a través del disco mantiene un campo magnético durante un breve período, prolongando el tiempo de liberación. Para un retardo ligeramente mayor (hasta un minuto), se utiliza un amortiguador. Un amortiguador consiste en un pistón lleno de fluido que se libera lentamente; existen amortiguadores tanto de aire como de aceite. El tiempo de retardo se puede variar aumentando o disminuyendo el caudal. Para periodos de retardo más prolongados, se instala un temporizador mecánico. Los relés pueden configurarse para un tiempo de retardo fijo, ser ajustables en campo o controlarse remotamente desde un panel de control. Los modernos relés de temporización basados ​​en microprocesadores ofrecen una sincronización precisa en un amplio rango.

Algunos relés incorporan un mecanismo amortiguador acoplado a la armadura, que impide el movimiento completo e inmediato al energizar o desenergizar la bobina. Esta característica confiere al relé la propiedad de activación con retardo. Los relés con retardo pueden diseñarse para retrasar el movimiento de la armadura al energizar, desenergizar o ambas cosas a la vez.

Los contactos de relé con retardo de tiempo deben especificarse no solo como normalmente abiertos o normalmente cerrados, sino también si el retardo opera en la dirección de cierre, apertura o ambas. A continuación, se describen los cuatro tipos básicos de contactos de relé con retardo de tiempo.

En primer lugar, tenemos el contacto normalmente abierto con retardo de cierre (NOTC). Este tipo de contacto está normalmente abierto cuando la bobina no recibe alimentación (está desenergizada). El contacto se cierra al aplicar alimentación a la bobina del relé, pero solo después de que la bobina haya recibido alimentación continua durante el tiempo especificado. En otras palabras, la dirección del movimiento del contacto (ya sea para cerrar o abrir) es idéntica a la de un contacto normalmente abierto (NO), pero con un retardo en el cierre. Debido a que el retardo se produce en la dirección de la energización de la bobina, este tipo de contacto también se conoce como contacto normalmente abierto con retardo de encendido.

Un relé de vacío es un relé sensible cuyos contactos están montados en una carcasa de vidrio al vacío, lo que permite manejar voltajes de radiofrecuencia de hasta 20.000 voltios sin descargas disruptivas entre los contactos, incluso cuando la separación entre ellos es de tan solo unas centésimas de pulgada cuando están abiertos.

Para la protección de aparatos eléctricos y líneas de transmisión, se utilizaban relés electromecánicos con características operativas precisas para detectar sobrecargas, cortocircuitos y otras fallas. Si bien muchos de estos relés aún se utilizan, los relés de protección digitales actuales ofrecen funciones de protección equivalentes y más complejas.

Los relés de señalización ferroviaria son de gran tamaño si se tienen en cuenta los bajos voltajes (menos de 120  V) y corrientes (quizás 100  mA) que conmutan. Los contactos están ampliamente espaciados para evitar descargas disruptivas y cortocircuitos durante una vida útil que puede superar los cincuenta años.

Dado que los circuitos de señalización ferroviaria deben ser altamente fiables, se emplean técnicas especiales para detectar y prevenir fallos en el sistema de relés. Para proteger contra falsas alimentaciones, se suelen utilizar contactos de relé de doble conmutación tanto en el lado positivo como en el negativo del circuito, de modo que se necesitan dos falsas alimentaciones para generar una señal errónea. No todos los circuitos de relés pueden ser verificados, por lo que se recurre a características constructivas como los contactos de carbono a plata para resistir la soldadura de contactos inducida por rayos y proporcionar inmunidad a la corriente alterna.

En algunos casos , los optoacopladores también se utilizan en la señalización ferroviaria, especialmente cuando solo se necesita conmutar un único contacto.

La selección de un relé adecuado para una aplicación particular requiere la evaluación de muchos factores diferentes:

• Número y tipo de contactos  : normalmente abiertos, normalmente cerrados (doble tiro).
• Secuencia de contacto  : "establecer antes de separar" o "separar antes de establecer". Por ejemplo, las antiguas centrales telefónicas requerían establecer antes de separar para que la conexión no se interrumpiera al marcar el número.
• Capacidad de corriente de contacto  : los relés pequeños conmutan unos pocos amperios, mientras que los contactores grandes están clasificados para hasta 3000 amperios, tanto en corriente alterna como continua.
• Tensión nominal de contacto  : relés de control típicos con una tensión nominal de 300 VCA o 600 VCA, relés para automoción de hasta 50 VCC, relés especiales de alta tensión de hasta aproximadamente 15 000  V.
• Vida útil operativa  : el número de veces que se espera que el relé funcione de forma fiable. Existe una vida útil mecánica y una vida útil de los contactos. La vida útil de los contactos se ve afectada por el tipo de carga conmutada. La interrupción de la corriente de carga provoca arcos eléctricos indeseados entre los contactos, lo que eventualmente lleva a que estos se suelden o fallen debido a la erosión causada por el arco. ^{[ 34 ]}
• Voltaje de la bobina  : los relés para máquinas herramienta suelen ser de 24 V CC, 120 o 250 V CA, los relés para aparamenta pueden tener bobinas de 125 V o 250 V CC,
• Corriente de la bobina  : corriente mínima requerida para un funcionamiento fiable y una corriente de retención mínima, así como los efectos de la disipación de potencia en la temperatura de la bobina a distintos ciclos de trabajo . Los relés "sensibles" funcionan con unos pocos miliamperios.
• Embalaje/carcasa  : abierta, segura al tacto, de doble voltaje para aislamiento entre circuitos, a prueba de explosiones , para exteriores, resistente al aceite y a las salpicaduras, lavable para el montaje de placas de circuitos impresos.
• Entorno operativo  : temperatura mínima y máxima de funcionamiento y otras consideraciones ambientales, como los efectos de la humedad y la salinidad.
• Ensamblaje  : Algunos relés incluyen una pegatina que mantiene la carcasa sellada para permitir la limpieza de la placa de circuito impreso después de la soldadura, la cual se retira una vez finalizado el ensamblaje.
• Montaje  : enchufes, placa de conexiones, montaje en riel, montaje en panel, montaje a través del panel, carcasa para montaje en paredes o equipos.
• Tiempo de conmutación  : cuando se requiere alta velocidad
• Contactos "secos"  : al conmutar señales de nivel muy bajo, pueden ser necesarios materiales de contacto especiales, como contactos chapados en oro.
• Protección de contactos  : suprime la formación de arcos eléctricos en circuitos altamente inductivos.
• Protección de la bobina  : suprime la sobretensión producida al conmutar la corriente de la bobina.
• Aislamiento entre los contactos de la bobina
• Pruebas aeroespaciales o de resistencia a la radiación, garantía de calidad especial.
• Cargas mecánicas previstas debido a la aceleración  : algunos relés utilizados en aplicaciones aeroespaciales están diseñados para funcionar con cargas de choque de 50 g o más.
• Tamaño  : los relés más pequeños suelen resistir mejor las vibraciones y los golpes mecánicos que los relés más grandes, debido a la menor inercia de las piezas móviles y a las frecuencias naturales más altas de las piezas más pequeñas. ^{[ 29 ]} Los relés más grandes suelen manejar voltajes y corrientes más altos que los relés más pequeños.
• Accesorios como temporizadores, contactos auxiliares, luces piloto y botones de prueba.
• Aprobaciones regulatorias.
• Interferencias magnéticas parásitas entre las bobinas de relés adyacentes en una placa de circuito impreso.

La selección de un relé de control para una aplicación específica implica considerar diversos factores, como la velocidad de operación, la sensibilidad y la histéresis . Si bien los relés de control típicos operan en el rango de 5 ms a 20 ms, existen relés con velocidades de conmutación de hasta 100 μs . Los relés de láminas , que se activan con corrientes bajas y conmutan rápidamente, son adecuados para controlar corrientes pequeñas.

Como en cualquier interruptor, la corriente de contacto (independiente de la corriente de la bobina) no debe exceder un valor determinado para evitar daños. En circuitos de alta inductancia , como los motores , deben considerarse otros aspectos. Cuando una inductancia se conecta a una fuente de alimentación, existe una corriente de pico de entrada o una corriente de arranque del motor eléctrico mayor que la corriente en estado estacionario. Al interrumpirse el circuito, la corriente no puede cambiar instantáneamente, lo que crea un arco eléctrico potencialmente dañino entre los contactos de separación.

Por consiguiente, para los relés utilizados para controlar cargas inductivas, debemos especificar la corriente máxima que puede circular por los contactos del relé al activarse: la corriente de cierre , la corriente continua y la corriente de ruptura . La corriente de cierre puede ser varias veces mayor que la corriente continua, que a su vez es mayor que la corriente de ruptura.