Cómo aplicar los relés especializados de estado sólido de bajo ruido para limitar el EMI y cumplir con los estándares críticos

Desde su introducción hace más de tres décadas, los relés de estado sólido (SSR) han desplazado a los relés electromagnéticos (EMR) para aplicaciones de conmutación que exigen un funcionamiento ultra fiable, sin arcos y de baja potencia. Otras ventajas de los SSR son el funcionamiento silencioso y la compatibilidad con los circuitos de control digital.

Sin embargo, en las exigentes aplicaciones domésticas, comerciales y médicas, especialmente aquellas en las que se requiere el cumplimiento de las normas internacionales de compatibilidad electromagnética (EMC), como la IEC 60947-4-3, es necesario seleccionar cuidadosamente los relés para garantizar que las interferencias electromagnéticas (EMI) generadas por el relé se reduzcan al mínimo. Algunos productos pueden producir picos de tensión y arriesgarse a no cumplir con las normas de EMC.

En este artículo se explicarán las ventajas e inconvenientes de los SSR y las aplicaciones para las que son más adecuados. El artículo se centrará en las partes clave del relé que pueden causar emisiones problemáticas antes de introducir una gama de SSR de bajo ruido de Sensata Technologies que los diseñadores pueden utilizar para aplicaciones comerciales, domésticas y médicas sensibles a las interferencias electromagnéticas.

Comparación de EMR y SSR

Debido a que está expuesto a la corriente de circuito completo cuando está cerrado, usar un interruptor para encender y apagar un circuito de alta potencia no es práctico. El interruptor se arquea peligrosamente durante el funcionamiento y se sobrecalienta durante la operación. La solución es usar un circuito de baja potencia, encendido y apagado por un interruptor convencional, para activar el circuito de alta potencia.

Entre las ventajas de este arreglo se encuentran la reducción de costos y espacio debido a la reducción de la longitud del pesado cableado necesario para el circuito de alta potencia. Estas ventajas se deben a que el relé puede colocarse cerca de la carga, y se pueden utilizar cables más delgados para conectarse al interruptor de baja potencia. Ese interruptor suele estar situado en una posición más conveniente para el usuario. Además, el circuito de baja potencia puede ser aislado galvánicamente del circuito de alta potencia. Los ejemplos en los que se emplean los relés incluyen hornos comerciales, electrodomésticos y equipo médico.

Los EMR tradicionales utilizan una bobina que es energizada por el circuito de baja potencia para crear un campo magnético que luego cierra los contactos (normalmente abiertos). Los EMR pueden conmutar una carga de CA o CC hasta su máxima capacidad. Su resistencia de contacto se reduce a medida que la carga aumenta, reduciendo la disipación de energía y eliminando la necesidad de un disipador térmico (Figura 1).

Figura 1: Los EMR conectan la energía de CA a la carga cuando el interruptor del circuito de baja potencia se cierra y energiza la bobina que a su vez cierra los contactos. (Fuente de la imagen: DigiKey)

Los beneficios clave de los EMR son el bajo costo y el aislamiento garantizado a cualquier voltaje aplicado por debajo de la capacidad dieléctrica del dispositivo. El aislamiento es particularmente importante cuando el circuito de alta potencia tiene que estar completamente encendido o apagado sin peligro de que el usuario se lesione por las corrientes de fuga. Los EMR también son una buena opción si se prevén grandes corrientes de aumento o picos de tensión en el suministro de CA.

Las desventajas clave de los EMR son el potencial de EMI y el desgaste. Debido a que el arco puede ocurrir cuando los contactos se abren y se cierran, el relé puede generar una EMI apreciable. Por lo general, los niveles son bajos y los EMR bien diseñados incorporan blindaje para mitigar cualquier emisión, pero es necesario tener cuidado con las aplicaciones que se utilizan en áreas cercanas a los equipos sensibles a EMI.

Debido a que los EMR son dispositivos mecánicos, incluso los productos mejor diseñados y fabricados se desgastan con el tiempo. En la mayoría de los casos es la bobina la que falla primero, dejando el dispositivo en una condición de seguridad porque los contactos están normalmente abiertos (NO), dejando los circuitos de baja potencia aislados de los de alta potencia. Dicho esto, los modernos EMR son muy fiables y a menudo es el caso de que el equipo alimentado por el relé se desgasta primero.

Los SSR han llegado a su fin, ya que los circuitos de control utilizados para cambiar las aplicaciones de alta potencia han migrado a la electrónica digital. Como su nombre indica, los SSR son dispositivos basados en semiconductores y, como tales, son muy adecuados para la supervisión por circuitos digitales basados en microcontroladores, en particular para aplicaciones con una alta velocidad de conmutación.

Los SSR abordan los principales inconvenientes de los EMR. Debido a que no hay partes móviles, los SSR no se desgastan. Los dispositivos suelen funcionar durante decenas de millones de ciclos, pero cuando fallan suelen estar en posición de "encendido", lo que podría tener implicaciones de seguridad. Los SSR no generan arcos al abrirse o cerrarse, lo que no solo los hace aptos para su uso en entornos peligrosos, sino que también elimina la fuente de gran parte de las EMI que pueden plagar los EMR. También son mecánicamente silenciosos, funcionan en un amplio rango de voltajes de entrada y consumen poca energía incluso a altos voltajes. El cambio de los EMR a los SSR se ha acelerado a medida que el precio de estos últimos sigue bajando.

Las principales desventajas de los SSR se derivan de su base como circuito semiconductor. Por ejemplo, cuando "se enciende", hay una resistencia sustancial, causando una disipación de potencia de decenas de vatios con la consiguiente acumulación de calor. Los desafíos térmicos son generalmente tales que el diseñador debe incluir un disipador térmico sustancial que aumenta el tamaño y el peso de la solución. Los SSR también se ven afectados por el calor ambiental y, por lo tanto, deben ser reducidos si se utilizan a temperaturas elevadas. La resistencia del circuito interno también puede generar una caída de voltaje que podría causar problemas a la carga si es sensible a los cambios en el voltaje de suministro. Mientras que en el estado "apagado", los SSR exhiben alguna corriente de fuga. A altos voltajes esto puede ser indeseable o incluso un desafío de seguridad. Además, muchos SSR requieren una carga mínima para funcionar correctamente.

Principios del funcionamiento de la SSR

El interruptor de salida es la parte clave del SSR. En el caso de un relé de salida de CA, la salida puede ser controlada por un triac o rectificadores controlados por silicio (SCR). La ventaja clave de la solución SCR es una rápida característica dv/dt, particularmente cuando el relé está "apagado".

Por ejemplo, cuando se apaga un SSR con un triac que controla la salida, dv/dt puede ser tan lento como 5 a 10 voltios/milisegundo (voltios/ms). La característica de dv/dt lento puede ser un problema porque si di/dt para la corriente decreciente (y/o dv/dt para el voltaje reaplicado) es demasiado superficial, el triac puede conducirse después de que el suministro de CA cruce el punto cero de corriente/voltaje. Tal evento desestabiliza la salida y puede aumentar la EMI.

En comparación, los SCR tienen un dv/dt de alrededor de 500 voltios/microsegundo (voltios/µs) y no se conducirán después del punto de cruce cero. Otra ventaja de un SSR con SCR es una mejor disipación del calor, ya que los componentes se extienden sobre un área más amplia que un solo triac. El resto de este artículo describirá los SSR con una etapa de salida de SCR consecutiva.

En la figura 2 se muestra un SSR básico usando SCR. Los SSR de salida de CA suelen ser alimentados por la línea de CA. Cuando S1 (controlado por el circuito de entrada) está cerrado, las respectivas puertas de SCR1 y SCR2 están conectadas y la corriente del suministro de CA fluye a través de R1 o R2 y hacia la puerta de cualquier SCR que esté sesgada hacia adelante. Esto enciende el SCR y el relé conduce, alimentando la carga. Por cada medio ciclo del suministro de CA los SCR conducen alternativamente y se suministra corriente a la carga. Cuando se abre el S1, el SCR que está "encendido" sigue funcionando hasta que la corriente alterna llega a cero cuando el SCR se apaga. En este punto el otro SCR ya no recibe ninguna corriente de puerta, el relé se abre, y se elimina la energía de la carga.

Figura 2: Diseño básico de un relé usando SCR espalda con espalda. S1 está formado por el circuito de entrada de baja potencia. (Fuente de la imagen: Sensata-Crydom)

Los SSR modernos normalmente dependen de un optoacoplador para proporcionar el aislamiento entre los circuitos de baja y alta potencia. Las dos opciones clave para el diseñador son usar un optoacoplador basado en LED/optotransistor o un dispositivo que combine un LED y un optotriaco. Un optotransistor requiere menos corriente de control, ahorra espacio, y da al diseñador más oportunidades de configurar las características del circuito de control. La ventaja clave del enfoque triac es el menor costo. En la figura 3 se muestra un esquema de un relé controlado por un optotrónomo.

Figura 3: En este SSR, el aislamiento entre los circuitos de baja y alta potencia se realiza a través de un optoacoplador basado en un optotriaco. (Fuente de la imagen: Sensata-Crydom)

(Para más información sobre cómo seleccionar un SSR, véase el artículo técnico de DigiKey, "How to Safely and Efficiently Switch Current or Voltage Using SSRs")

SSR para entornos de baja IEM

La selección de un SSR con salida controlada por SCR es una buena opción para aplicaciones sensibles a EMI porque los dispositivos tienen características inherentes de bajo ruido. Para aplicaciones especialmente sensibles, como las que requieren el uso de productos de conmutación que cumplan con la norma IEC 60947-4-3, deben seleccionarse productos de ruido ultra bajo. Los SSR que se encienden sólo cuando el voltaje de la CA cruza el punto de voltaje cero -independientemente de cuándo se active la entrada- son una buena opción para estas aplicaciones.

Estos llamados dispositivos de cruce por cero eliminan la corriente de entrada y los picos de voltaje que pueden producirse al encender circuitos de alta potencia mientras la salida de CA está en la mitad del ciclo. Esto a su vez reduce la incidencia de EMI. Los diseñadores deben tener en cuenta que, si bien los SSR de cruce cero son particularmente adecuados para cargas resistivas como los calentadores, no son adecuados para cargas altamente inductivas. Una mejor opción para estas aplicaciones son los llamados SSR de conmutación aleatoria. Estas se activan en el instante en que se activa el interruptor de entrada, en lugar de esperar a que el suministro de CA llegue a cero.

Sensata Technologies, que ofrece la marca de SSR Sensata-Crydom, ha introducido recientemente tres productos en su serie LN de CA de salida de bajo ruido de rango SSR. El LND4425 puede suministrar 25 amperios (A) a la salida, mientras que el LND4450 suministra 50 A y el LND4475 75 A. Los dispositivos requieren una corriente de carga mínima de 100 miliamperios_rms (mA_rms) para su funcionamiento estable, se suministran en el factor de forma "disco de hockey" y pesan alrededor de 75 gramos (g) (Figura 4). Las tres soluciones tienen una salida de 48 a 528 voltios de CA y funcionan con un voltaje de control de 4.8 a 32 voltios de CC. Cuentan con una protección de sobretensión de entrada/salida incorporada, y su fuerza dieléctrica de entrada a salida es de 3500 volts_rms.

Figura 4: Los SSR LND44xx de Sensata-Crydom ofrecen hasta 75 A y 528 voltios de una solución compacta de solo 75 g de peso. (Fuente de la imagen: Sensata-Crydom)

La serie LN ha sido diseñada para un funcionamiento de EMI más bajo. Utilizan un optoacoplador con un optotriaco en la entrada, y SCR consecutivos para el control de la salida para superar el potencial EMI que puede ocurrir como resultado de una característica dv/dt lenta. Los SCR de espalda a espalda tienen un dv/dt de 500 voltios/µs. Los productos también cuentan con un circuito de disparo patentado que permite la conmutación de cargas resistivas con un mínimo de EMI. En la figura 5 se muestra un esquema de los SSR de la serie LN.

Figura 5: Los SSR de la serie LN de Sensata-Crydom están diseñados para minimizar la EMI con características como un circuito de disparo patentado y SCR consecutivos. (Fuente de la imagen: Sensata-Crydom)

El resultado de estas características de mitigación de EMI es la conformidad con la norma IEC60947-4-3 Ambiente B para lugares de baja tensión domésticos, comerciales y de industria ligera (Figura 6).

Figura 6: Prueba de emisión de RF realizada para el SSR LND4450 de Sensata-Crydom. El umbral de cumplimiento de la norma IEC60947-4-3 Ambiente B se muestra como una línea naranja continua. (Fuente de la imagen: Sensata-Crydom)

La serie LN es particularmente adecuada para aplicaciones como calentadores en hornos comerciales, como se muestra en la figura 7.

Figura 7: Los relés utilizados en los hornos comerciales deben cumplir con las normas IEC60947-4-3 Ambiente B. En este gráfico, las ubicaciones de los relevadores están marcadas por números, con el "1" indicando donde los SSR LND44xx serían una buena opción. (Fuente de la imagen: Sensata-Crydom)

Conclusión:

Los relés son una solución simple y probada para cambiar un circuito de alta potencia usando un circuito de activación de baja potencia. Los EMR son una buena opción cuando se necesita una solución de bajo costo pero son menos adecuados para su uso en aplicaciones de conmutación de alta frecuencia y áreas sensibles a EMI. Los SSR son más caros, pero ofrecen un funcionamiento robusto y sin desgaste y son particularmente compatibles para ser controlados por la electrónica digital. Sin embargo, los diseñadores que elijan los SSR deben ser conscientes de los retos térmicos que traen consigo debido a la mayor disipación de calor en aplicaciones similares en comparación con los EMR.

Mientras que todos los tipos de SSR exhiben menores EMI que los EMR, algunos diseños tienen dificultades para cumplir con los requerimientos regulatorios de EMC, como los especificados en la norma IEC60947-4-3 Ambiente B. Estos ofrecen una conmutación de cruce cero que resulta en emisiones de RF ultrabajas, lo que facilita el cumplimiento de la normativa.