Relés electromecánicos en comparación con contactores: Cómo hacer coincidir el tipo con la aplicación

Muchas aplicaciones necesitan conmutar circuitos con alto aislamiento o requieren la capacidad de conmutar altos voltajes y altas corrientes con una baja señal de control de potencia. A veces, una solución basada en semiconductores no es la adecuada. En estos casos, los diseñadores deben elegir entre relés electromecánicos y contactores y comprender cómo utilizarlos correctamente.

Los relés electromecánicos pueden conmutar corrientes relativamente altas usando solo unos pocos voltios de señal de control, y proporcionan un buen aislamiento de tensión entre la señal de control y la potencia conmutada. Sin embargo, las cargas de corriente muy pesadas y los voltajes de conmutación muy elevados requieren contactores, que son relés electromecánicos con esteroides. La mayoría de los ingenieros de diseño están familiarizados con los diferentes tipos de relés disponibles, que van desde relés de láminas hasta relés pesados. Pocos fuera de la industria de la energía industrial conocen los contactores, que tienen un amplio uso cuando se conmutan circuitos de alta tensión y cargas muy elevadas.

Este artículo discutirá la diferencia entre los relés, los contactores y las aplicaciones a las cuales cada uno se adapta mejor. Introducirá una variedad de soluciones de relés y contactores, y proporcionará consejos de diseño prácticos para usar cada tipo.

Relés en comparación con contactores

Tanto los relés como los contactores son dispositivos electromecánicos que usan un solenoide electromagnético para accionar uno o más pares de contactos. Un relé o contactor de un solo polo tiene un solo par de contactores. También hay relés y contactores bipolares, y la cantidad de contactores puede ser bastante grande. Pueden estar normalmente abiertos o cerrados. Algunos relés y contactores también tienen contactores de dos vías que combinan un contacto normalmente abierto y normalmente cerrado.

Los relés están bien para conmutar cargas de corriente baja y media a voltajes relativamente bajos, y están disponibles en muchos factores de forma, incluidas las versiones de montaje en placa y enchufable diseñadas para soldarse en una PCB (placa de circuito impreso) Los contactores están diseñados para altas cargas de alta tensión y corriente.

El tipo de relé o contactor elegido depende en gran medida del tipo de carga que se cambia. Aquí hay un resumen de los diferentes tipos de cargas junto con sugerencias para manejar estas cargas:

• Las cargas resistivas no muestran un aumento de corriente cuando se aplica energía por primera vez. El ejemplo más común de una carga resistiva es un calentador simple. Si su consumo de corriente especificado es de 10 amperios, se puede conmutar de forma segura con un relé de 10 amperios. Hay muy pocas cargas puramente resistivas en el mundo real. La mayoría de las cargas presentan una combinación de dos o más tipos de carga.
• Las cargas de la lámpara consumen altas corrientes cuando se aplica por primera vez. Un filamento de bombilla incandescente tiene un alto coeficiente de temperatura. Cuando hace frío, la resistencia del filamento a menudo puede ser solo un 5 % de la resistencia de una lámpara caliente, consumiendo así 20 veces más corriente cuando está fría en comparación con después de que la lámpara se ha calentado. Una bombilla incandescente de 75 vatios consume un poco más de medio amperio durante el funcionamiento normal, pero cuando se enciende por primera vez, el filamento frío consume una corriente de entrada de 13 amperios. Aunque este aumento de corriente solo dura aproximadamente una décima de segundo, cualquier contacto de relé que active una carga de lámpara incandescente debe tener en cuenta la alta corriente de entrada.
• Las cargas del motor también consumen altas corrientes cuando se aplican por primera vez. Un motor síncrono monofásico, de 110 voltios CA y 1/3 caballos de fuerza normalmente consume poco más de 4 amperios. Al arrancar o con un rotor bloqueado, el mismo motor puede consumir más de 24 amperios. Si la carga mecánica se libera del motor y se descarga sin carga, el motor puede consumir 6 amperios.
• Las cargas capacitivas muestran altas sobretensiones de corriente durante el encendido debido a que un capacitor trata de mantener un voltaje constante a través de sí mismo. Cambiar una tensión a un condensador descargado es como conducir momentáneamente un cortocircuito. Este tipo de corriente alta durante el encendido puede soldar los contactos del relé. Las cargas capacitivas normales incluyen salidas de suministro de potencia de CC y otras fuentes de alimentación filtradas.
• Las cargas inductivas tienen un encendido suave, ya que la corriente de carga aumenta lentamente cuando se aplica energía. Sin embargo, habrá un pico de voltaje inductivo inducido a través de los contactos del relé cuando la carga se desconecte porque un inductor intenta mantener una corriente constante a través de sí mismo. El pico de voltaje inducido puede ser lo suficientemente potente como para causar un arco a través de los contactos del relé, lo que degrada los contactos al derretirse y picar la superficie de contacto cada vez que la energía se activa. Eso explica por qué algunos relés tienen diodos amortiguadores integrados en sus bobinas para evitar el arco eléctrico. Los tipos de cargas de alta inductancia incluyen actuadores de solenoide, válvulas accionadas eléctricamente y relés.

Relés en detalle

Las especificaciones importantes del relé incluyen el voltaje de la bobina y el funcionamiento de la bobina de CA o CC, la clasificación de corriente de contacto y la configuración (normalmente abierta, normalmente cerrada, polo múltiple), la cantidad de contactos y los tiempos de actuación/liberación. Es importante evitar corrientes de conmutación demasiado bajas para que un relé funcione de manera confiable. El funcionamiento correcto de los contactos de un relé se basa en cierta medida en la conmutación de alguna corriente mínima especificada, a menudo denominada corriente de barrido, ya que quema contaminantes traza que pueden acumularse en los contactos del relé.

El límite inferior de un relé para la corriente que puede conmutarse de manera confiable depende de varios factores, como el material de contacto, la geometría de contacto y el deslizamiento mecánico de las superficies de contacto. Todos estos factores en la especificación de corriente de conmutación mínima de un relé. Los relés con contactos chapados en oro y aquellos con contactos bifurcados (divididos) pueden conmutar de manera confiable corrientes de hasta 10 miliamperios.

Los relés de láminas magnéticas y de láminas magnéticas húmedas con mercurio son adecuados para aplicaciones de conmutación de bajo nivel. Por ejemplo, los relés JWD yJWS de TE Connectivity Potter y Brumfield Relays están disponibles con una gama de voltajes de bobina que van desde 5 a 24 voltios CC y en una variedad de configuraciones de polo único y doble.

Por ejemplo, el relé de láminas magnéticas JWD-171-10 de TE Connectivity tiene una bobina de 24 voltios con un diodo amortiguador integral y un contacto normalmente abierto con capacidad para conmutar una corriente máxima de 500 miliamperios a 20 voltios. La serie JWD de relés de láminas magnéticas está diseñada para montarse en una placa de circuito y tiene la misma huella que un circuito integrado DIP de 14 pines, aunque solo tienen ocho pines (figura 1).

Figura 1: La serie JWD de relés de láminas magnéticas JWD de TE Connectivity Potter y Brumfield Relays con huella de DIP de 14 pines está disponible con muchos voltajes de bobina y configuraciones de contacto. (Fuente de la imagen: Relés TE Connectivity Potter y Brumfield)

Los relés de láminas magnéticas no suelen estar clasificados para conmutar cargas más altas, que requieren un paquete físicamente más grande para acomodar contactos más grandes de corriente alta. Por ejemplo, el relé de propósito general de Omron Electronic Components’ G2R-1-DC24 está calificado para funcionar con 10 amperes a 24 voltios. Tiene una bobina de corriente continua de 24 voltios y una disposición de contacto de un solo polo y dos vías. Este relé es algo más grande que el relé de láminas magnéticas serie JWD de TE Connectivity, pero este relé todavía está diseñado para montarse en una placa de circuito impreso (figura 2).

Figura 2: El relé de propósito general G2R-1-DC24 montable para placa de CI de Omron Electronics puede subir 10 amperes a 24 voltios. (Fuente de la imagen: Omron Electronics)

Omron también ofrece un relé similar, el G2R-1-SND-DC24 (S), que está diseñado para aplicaciones de enchufe conectables. Hay varios enchufes complementarios a juego para este estilo de relé en versiones compatibles con montaje en riel DIN, montaje en panel y placa de circuito pasante.

Contactores en profundidad

Un contactor es el equivalente industrial de servicio pesado de un relé y es un componente estándar en aplicaciones industriales y de fábrica. Los contactores son algo más resistentes que los relés y generalmente están diseñados para montarse fácilmente en un riel DIN estándar. Algunos tienen agujeros de montaje adicionales que les permiten atornillarse directamente a una superficie plana. Están diseñados para conmutar altas cargas como motores multifásicos fraccionales y de múltiples caballos de fuerza; grandes cargas de calefacción e iluminación industrial/comercial. En consecuencia, los contactores están diseñados para aceptar cables grandes de alta corriente.

Al igual que las bobinas de relé, las bobinas de contactor están disponibles con especificaciones de CA o CC. Los contactores diseñados para ser impulsados por un PLC (controlador lógico programable) generalmente tienen bobinas de solenoide de CC de 24 voltios, pero también son comunes las capacidades de bobina para voltajes de línea de CA (que incluyen 110, 220, 240 voltios de CA).

Al igual que con los relés, la bobina solenoide electromagnética de un contactor atrae magnéticamente un accionador o émbolo que físicamente hace una conexión entre uno o más pares de contactores eléctricos de servicio pesado del contactor. A diferencia de los relés, los contactores se montan de forma modular, lo que facilita el cambio de la bobina del solenoide para cambiar la tensión. Los relés generalmente no están construidos de forma modular y el cambio de la configuración de un relé generalmente requiere la sustitución de todo el relevador. La construcción modular de los contactores también permite a los usuarios modificar la matriz de contactos accionados.

Los contactores generalmente tienen múltiples conjuntos de contactos. A veces, un contactor solo incorporará contactos de alta corriente, pero los contactores pueden tener una mezcla de contactos de corriente alta y baja utilizados para la conmutación simultánea de los circuitos de potencia y señal, respectivamente. El contacto de baja corriente también se llama contacto auxiliar. La diferencia entre los dos tipos de contactos es que los contactos de alta corriente son físicamente más grandes que los contactos de baja corriente para transportar la mayor carga de corriente. Un contactor diseñado para conducir un motor trifásico puede tener tres contactos de alta corriente para transportar la potencia del motor y un contacto auxiliar para indicar el estado de actuación del motor.

Por ejemplo, el contactor Omron Automation & Safety’s J7KNA-AR-31 24VS tiene una bobina solenoide de CC de 24 voltios y una disposición de contacto de cuatro polos y una sola vía (figura 3). Los contactos tienen una clasificación de 10 amperios con una tensión de conmutación máxima de 600 voltios de CA. La serie J7KNA-AR de Omron es modular y se pueden especificar muchas opciones, incluidos el voltaje de la bobina, la disposición de contacto (con versiones de 4, 6 y 8 polos disponibles) y el método de montaje.

Figura 3: El contactor J7KNA-AR-31 24VS de Omron Automation and Safety tiene una bobina solenoide de CC de 24 voltios y una disposición de contacto de cuatro polos y una sola vía. (Fuente de la imagen: Omron Automation and Safety)

Mecánicamente, los contactores han evolucionado con el tiempo, de modo que ahora es posible agrupar mecánicamente a los contactores para proporcionar un accionamiento simultáneo múltiple o un bloqueo mecánico que evita que un contactor actúe cuando se activa un contactor adyacente.

Debido a que los contactores manejan altas corrientes y altos voltajes, la especificación de un contactor con capacidad de transporte de corriente más alta que la absolutamente necesaria puede extender la vida útil del contactor cuando se pone en servicio. Los contactos más grandes no se resentirán tanto de las actuaciones debido a su construcción más robusta y chapado más grueso.

Un ejemplo de contactor de alta corriente es el EV200AAANA de TE Connectivity Aerospace Defense y Marine. Este contactor puede conmutar cargas de 900 voltios y llevar 500 amperios, o interrumpir una corriente de carga de 2000 amperios a 320 voltios de CC a través de sus contactos de alimentación principales. Un conjunto auxiliar de contactos puede transportar 2 amperios a 30 voltios de CC o 3 amperios a 125 voltios de CA. El contactor EV200AAANA tiene una bobina solenoide de CC de 12 voltios. Como se muestra en la figura 4, este contactor utiliza un diseño sellado y no modular. Las aplicaciones más comunes para este contactor incluyen la conmutación y la copia de seguridad de la batería, el control de potencia de CC y la protección del circuito.

Figura 4: El contactor no modular sellado EV200AAANA de TE Connectivity puede conmutar 500 amperios con una entrada de control de 12 voltios. (Fuente de la imagen: TE Connectivity)

Los contactores especiales también están disponibles para aplicaciones específicas. Por ejemplo, muchas aplicaciones de contactores industriales y comerciales requieren el cambio de cargas de iluminación con corrientes de entrada muy altas que pueden soldar los contactos de un contactor normal entre sí. La iluminación con haluro de metal es una de esas cargas con un alto requerimiento de entrada de corriente. Las fuentes de alimentación conmutadas también presentan cargas altamente capacitivas similares que generan grandes corrientes de entrada iniciales. Existen contactores especializados que incorporan termistores de irrupción de NTC que inicialmente limitan la corriente a la carga y evitan la entrada de corriente de la soldadura de los contactos entre sí. Alternativamente, los termistores de entrada de corriente NTC de alta corriente externos al contactor se pueden agregar al circuito de potencia para lograr el mismo resultado.

Conclusión

Los relés y contactores son componentes muy efectivos para cambiar la energía eléctrica, siempre que estén especificados correctamente, lo que significa obtener el voltaje correcto de la bobina (incluidos CA y CC) y dimensionar los contactos correctamente. Los relés están disponibles en muchos factores de forma, mientras que los contactores que son componentes industriales más estandarizados están disponibles en factores de forma más uniformes. La elección depende de la carga que se va a conmutar, teniendo también en cuenta el tipo de carga (resistiva, capacitiva o inductiva).