Cómo seleccionar y aplicar relés electromecánicos para una conmutación de señales versátil y fiable

Las aplicaciones como dispositivos de telecomunicaciones y redes, equipos de prueba automáticos (ATE) y dispositivos de seguridad necesitan cada vez más conmutar y encaminar de forma fiable señales de CC, CA (analógicas) y radiofrecuencia (RF) de nivel bajo a moderado, individuales o múltiples. Los relés electromecánicos (REM) son idóneos para esta tarea.

Los EMR ofrecen un excelente rendimiento de encendido y apagado junto con aislamiento de entrada/salida y están disponibles en múltiples configuraciones de polos para proporcionar a los diseñadores flexibilidad y versatilidad. Además, un solo relé puede admitir distintos tipos de señales (CA, CC, baja frecuencia, RF) en el mismo dispositivo, lo que aumenta su valor.

Aunque tienen piezas móviles y contactos físicos, están totalmente caracterizados debido a su largo historial de aplicaciones. Como tales, son "solucionadores de problemas" fiables que pueden proporcionar muchos años de servicio constante. Aunque los EMR también son dispositivos intrínsecamente resistentes, los diseñadores deben seleccionar un relé adecuado (tanto en bobina como en clase de contacto) y utilizarlo correctamente para garantizar la máxima longevidad.

En este artículo se describen brevemente los tipos de relés de señalización y sus aplicaciones. A continuación, describe cómo seleccionar y aplicar los EMR utilizando ejemplos de Omron Electronic Components.

Tipos de relé y diferenciación

EMR se refiere a un componente con muchos subtipos específicos de aplicación. Por ejemplo, los relés de potencia tienen contactos de 2 A o más, mientras que los relés de señalización están diseñados para corrientes de contacto inferiores a ese valor.

Los relés de señales pueden dividirse en dos grupos: señales no RF y señales RF. Aunque todos los relés se caracterizan por unos parámetros básicos de continuidad y unos valores máximos de corriente y tensión, existen otros parámetros de rendimiento para los relés de radiofrecuencia. Entre ellos se incluyen:

• Aislamiento: Las señales de alta frecuencia se filtran a través de la dispersión de la capacitancia entre los contactos, aunque estén separados. El aislamiento se mide en decibelios (dB).
• Pérdida de inserción: A altas frecuencias, las perturbaciones de la señal surgen debido a la autoinducción, la resistencia y la pérdida dieléctrica, así como por las reflexiones debidas a desajustes de impedancia. La pérdida de inserción también se mide en dB.
• Relación de ondas estacionarias de voltaje (VSWR): Se debe a la interferencia constructiva/destructiva entre una onda de señal de entrada y cualquier señal reflejada. Esta medida es un número sin unidades que indica la relación entre el valor máximo de una forma de onda y su valor mínimo.

Simplificar la lista de materiales

Las configuraciones de relé se definen por su número de contactos o polos (P) y las situaciones normales (es decir, sin alimentación) de apertura y cierre de los contactos (figura 1). Normalmente abiertos (NO) o normalmente cerrados (NC). Las configuraciones más comunes son las unipolares (SP) y las bipolares (DP), aunque también existen unidades con más polos de contacto. El lanzamiento (E) es la posición extrema del actuador.

Figura 1: Se muestran las disposiciones de los contactos y las designaciones estándar de la industria para varios tipos de EMR; las líneas discontinuas en el relé de Forma 2C indican que ambas armaduras tienen un enlace no conductor que mueve ambos contactos simultáneamente cuando la bobina del relé recibe corriente. (Fuente de la imagen: Sealevel Systems, Inc.)

La capacidad de los EMR para admitir múltiples polos y lanzamientos NO/NC pone de relieve cómo pueden simplificar los circuitos, ahorrar espacio en la placa, recortar la lista de materiales (BOM) y reducir los costes. La razón es que un solo relé puede conmutar varias vías de circuito a todo encendido, todo apagado o una combinación de cada una, dependiendo de la configuración de polos y tiros. Ese mismo relé también puede conmutar señales de CA y CC, lo que permite el funcionamiento simultáneo en múltiples circuitos.

En algunos casos, los EMR con un par de polos adicional se utilizan para alimentar un circuito auxiliar, como un circuito LED para indicar a los usuarios que el relé se ha energizado y ha creado el estado de contacto deseado. Además, algunos diseñadores experimentados utilizan un relé de doble polo y doble tiro (DPDT) cuando todo lo que necesitan es una unidad de un polo y doble tiro (SPDT) (los relés SPDT y DPDT tienen la misma huella en muchos casos), lo que les proporciona un par de contactos "por si acaso" para solucionar un problema o descuido que se descubre más adelante en el ciclo de diseño.

El G6J-2P-Y DC12 (Figura 2) de Omron es un relé DPDT (Forma 2C) ultrafino con una bobina de 977 ohmios (Ω) y está diseñado para funcionar con 12 V a 12.3 mA. Tenga en cuenta que otros miembros de esta familia ofrecen diferentes emparejamientos de tensión/corriente de bobina de hasta 24 V_CC para compatibilidad con casi cualquier circuito o situación de accionamiento.

Figura 2: El G6J-2P-Y DC12 es un relé DPDT ultrafino con una bobina de 12 V, 12.3 mA; forma parte de una familia de relés con idéntico tamaño y clase de contacto, pero diferentes combinaciones de voltaje/corriente de bobina. (Fuente de la imagen: Omron)

Este diminuto relé es adecuado para placas de circuito impreso (pc) de alta densidad, ya que solo mide 5.7 × 10.6 × 9 milímetros (mm). El G6J-2P-Y DC12 viene con terminales de orificio pasante, pero hay versiones idénticas que ofrecen terminales de montaje en superficie cortos y largos para una máxima flexibilidad. Los contactos de este relé y de todos los demás de esta familia están preparados para soportar hasta 0.3 A a 125 V_CA y 1 A a 30 V_CC.

Relés y RF

Los usos de los relés no se limitan a proporcionar simples cierres de contacto "secos" o a manejar tensiones/corrientes de CC y señales de CA de baja frecuencia. Algunos modelos están diseñados explícitamente para aplicaciones de frecuencia ultraalta, como ATE.

El G6K-2F-RF-V DC4.5 de Omron es un relé DPDT en miniatura de montaje en superficie que admite la conmutación de señales de transmisión diferencial. La pérdida de inserción de este relé de 11.7 × 7.9 × 7.1 mm es de 3 dB o menos a 8 gigahercios (GHz). También puede utilizarse a frecuencias más altas, como muestra su diagrama de ojo para una señal diferencial de 200 mV con un tiempo de subida de 25 picosegundos (ps) (Figura 3).

Figura 3: El relé DPDT en miniatura de montaje en superficie CC G6K-2F-RF-V utiliza conmutación de señales de transmisión diferencial y está especificado para 8 GHz y más, como se ve en estos diagramas oculares con señales de 8.1, 10 y 12.5 gigabits por segundo (Gbit/s). (Fuente de la imagen: Omron)

Este rendimiento en el rango de GHz se debe, en parte, a un diseño eléctrico y mecánico que admite de forma inherente señales diferenciales. Esto ayuda a garantizar un rendimiento deseable definido por el aislamiento de RF (no relacionado con el aislamiento galvánico), la pérdida de inserción y la VSWR (Figura 4).

Figura 4: El relé de gigahercios G6K-2F-RF-V utiliza un diseño inherentemente diferencial que facilita los problemas de disposición física de la placa de circuitos y minimiza el impacto perjudicial de dicha disposición en el rendimiento de RF. (Fuente de la imagen: Omron)

El relé utiliza un avanzado diseño interno que simplifica la disposición de la placa de PC y elimina la necesidad de un complejo enrutamiento multicapa de la ruta de señal en la placa, que degrada el rendimiento de RF. Su uso de una carcasa de resina en lugar de una metálica evita el problema de que los pines de la sonda hagan cortocircuito a través de una carcasa metálica y causen daños a la placa y a las piezas mientras se inspecciona el montaje del relé.

Relés y consumo eléctrico

El consumo de energía es un parámetro crítico en casi todos los circuitos y sistemas. Define el tamaño de la alimentación, afecta al tiempo de funcionamiento de los diseños que funcionan con baterías y el calor asociado repercute en el rendimiento térmico. Esto tiene implicaciones para los relés convencionales sin enclavamiento, en los que la bobina debe permanecer alimentada durante todo el tiempo que el relé necesita ser energizado.

Las arquitecturas alternativas al diseño básico de encendido/apagado (formalmente denominadas estables por un solo lado) abordan este problema. El relé de enganche (también llamado relé de mantenimiento) está diseñado para que, una vez activado, permanezca en esa posición incluso después de desconectar la alimentación de la bobina.

Hay varias formas de implementar la función de enclavamiento. El G6JU-2P-Y DC3 y otros de esta familia, utilizan una técnica de enclavamiento de bobinado simple en la que el impulso de entrada "set" hace que la condición de funcionamiento se mantenga a través de un imán permanente adyacente. El impulso de entrada de "reset" (una entrada con la polaridad inversa a la entrada de consigna) pone el relé en estado de no enclavamiento.

Relés y fiabilidad

Los relés tienen piezas móviles y contactos eléctricos físicos, por lo que es normal suponer que dejarán de ser fiables tras un modesto número de ciclos de encendido y apagado. Sin embargo, no es el caso.

En primer lugar, los diferentes efectos de apertura y cierre de los contactos al transportar CA frente a CC a distintos niveles se conocen bien y se explican con detalle en la hoja de datos del relé. El desgaste prematuro de los contactos no debería ser un problema si se respetan las condiciones definidas.

Igualmente importante es que décadas de uso, la experiencia con innumerables unidades sobre el terreno, la investigación y el desarrollo metalúrgicos, la modelización y el análisis, las pruebas de vida útil controlada, las mejoras de producción y fabricación y otros factores técnicos han transformado el diseño y la fabricación de bobinas y contactos en procesos bien comprendidos, maduros y sofisticados, y los componentes resultantes.

La durabilidad del relé está relacionada con la durabilidad de los contactos y la bobina. La durabilidad de la bobina comienza con un valor estándar de 40,000 horas, ya que se produce una disminución de las propiedades de aislamiento debido al calor generado cuando se aplica continuamente la tensión nominal a la bobina. Si el uso del relé es intermitente, la duración de la bobina es mucho mayor.

La durabilidad también se evalúa mediante dos factores que suelen indicarse en las hojas de datos:

• La durabilidad mecánica es el número de veces que un relé puede abrir y cerrar el contacto sin carga, teniendo en cuenta las averías y características mecánicas.
• La durabilidad eléctrica es el número de veces que un relé puede abrir y cerrar el contacto con una carga nominal (como 125 V_CA, 0.3 A / 30 V_CC, 1 A).

Los contactos de relé se presentan en diferentes configuraciones con niveles crecientes de fiabilidad a largo plazo: contacto simple, contacto doble y contacto doble de barras cruzadas (Figura 5). El diseño del contacto doble de barra transversal proporciona una resistencia de contacto excepcionalmente estable y minimiza los fallos de contacto. Los miembros de la familia G6J-2P-Y tienen un travesaño bifurcado (similar al contacto doble de travesaño) con un contacto de plata chapado con una aleación de oro.

Figura 5: Los contactos de relé han mejorado y evolucionado desde los contactos sencillos básicos hasta los contactos dobles de barras cruzadas de mayor duración que ofrecen un rendimiento constante y una resistencia de contacto estable. (Fuente de la imagen: Omron)

La conocida fiabilidad de estos relés los convierte en una buena elección para cualquier aplicación en la que el tiempo de inactividad o las interrupciones del servicio no sean aceptables, o en la que el rendimiento del relé sea una consideración de misión crítica.

Conclusión:

Los EMR son componentes críticos para la resolución de problemas en muchos de los sistemas actuales, ya que abordan y resuelven muchos problemas relacionados con la trayectoria de la señal. Ofrecen atributos únicos e insustituibles de manejo de señales, un rendimiento bien definido y fiabilidad a largo plazo. Los relés de señal están disponibles para CC, baja frecuencia e incluso aplicaciones de RF en el rango de GHz, ampliando así su aplicabilidad.