Cómo seleccionar el relé de estado sólido adecuado a los requisitos de la aplicación

Los relés de estado sólido (SSR) se utilizan en un número cada vez más amplio y variado de industrias, como plásticos, envasado, alimentación y bebidas, calefacción, ventilación y aire acondicionado, semiconductores, energías renovables y convencionales, petróleo y gas, transporte, impresión, laboratorio, hornos, iluminación, medicina y control de movimiento. Los SSR se utilizan a menudo en lugar de los relés electromagnéticos (EMR) porque no tienen piezas móviles y duran mucho tiempo. Tampoco están sujetos a la erosión por contacto ni a interferencias eléctricas debidas a la formación de arcos eléctricos en las superficies de contacto.

Dado que los SSR están disponibles en múltiples configuraciones que admiten diversos tipos de carga, los diseñadores deben saber cómo seleccionar los SSR que mejor se adapten al uso previsto. Esto es especialmente cierto en aplicaciones industriales como el control de motores, bombas y ventiladores con sus cargas inductivas, que requieren un tipo de relé diferente de las aplicaciones de calefacción e iluminación, que presentan cargas resistivas.

En este artículo se explica brevemente por qué los SSR son una buena opción para la automatización industrial y de fábricas. A continuación, se describe su uso, características y cómo seleccionarlos para una aplicación utilizando dispositivos de ejemplo de Carlo Gavazzi.

¿Por qué utilizar SSR?

Los sistemas de automatización industrial y de fábricas requieren dispositivos de conmutación caracterizados por su bajo costo, fiabilidad, tiempos de actuación rápidos sin rebote de contactos ni formación de arcos, interferencias electromagnéticas (EMI) mínimas, baja susceptibilidad a entornos agresivos y alta tolerancia a golpes mecánicos y vibraciones. Los SSR utilizan dispositivos semiconductores para sustituir a las armaduras y contactos de los relés mecánicos en las operaciones de conmutación, lo que les permite cumplir esos requisitos. Al estar completamente cerrados, los SSR también resisten golpes, vibraciones, humedad, productos químicos agresivos y polvo. El resultado son aparatos de larga vida útil y gran fiabilidad.

Seleccionar un SSR para su aplicación requiere comprender la carga que se va a controlar y las características esenciales de los SSR para ajustar las necesidades de la aplicación a las especificaciones del relé.

Control SSR y especificaciones de carga

Los SSR pueden controlarse utilizando una tensión de control de CA o CC. El control de CC utiliza una tensión baja, normalmente de 4 V a 32 V. También pueden utilizar un bucle de corriente de 4 mA a 20 mA o una entrada analógica de 1 V_CC a 10 V_CC. El control de CA utiliza tensiones comprendidas entre 24 V_CA y 275 V_CA.

Las cargas SSR pueden ser de CA o CC. Hay disponibles SSR con tensiones máximas de carga de CA de hasta 690 V_CA y valores nominales de corriente de CA de 125 A. Los valores nominales de CC son 500 V_CC y 100 A.

Tipos de cargas eléctricas

Las cargas eléctricas se clasifican por sus características eléctricas dominantes. Los motores, ventiladores y bombas se clasifican como cargas inductivas. La corriente y la tensión de la carga están desfasadas y la corriente va por detrás de la tensión. Las cargas inductivas resisten los cambios en su corriente de carga generando un potencial de contratensión denominado fuerza electromotriz de retorno (FEM). Los SSR utilizados con cargas inductivas deben ser capaces de soportar estas tensiones.

Aparatos como calefactores, hornos, cocinas eléctricas, secadoras y lámparas son ejemplos de cargas resistivas. La tensión y la corriente en las cargas resistivas están en fase.

Las cargas capacitivas resisten los cambios en la tensión de carga. La corriente y la tensión en una carga capacitiva están desfasadas, con la corriente adelantando a la tensión. La mayoría de las fuentes de alimentación conmutadas y algunos dispositivos médicos como los desfibriladores presentan una carga capacitiva. Cuando se aplica tensión por primera vez a una carga capacitiva, ésta ofrece una impedancia muy baja, lo que se traduce en una elevada corriente de irrupción.

Las características de cada tipo de carga determinan el tipo de SSR necesario para controlarla.

Tipos de SSR

Hay cinco tipos de SSR de uso común (Figura 1): conmutación por cero o paso por cero, conmutación instantánea o aleatoria, conmutación por CC, conmutación por picos y conmutación por ángulo de fase o analógica.

Figura 1: El tipo de SSR viene determinado por el momento en que conmuta con respecto a la tensión de línea. (Fuente de la imagen: Carlo Gavazzi Inc.)

Los tipos de SSR se basan en el momento en que el dispositivo conmuta en relación con la fase de tensión de línea. El SSR de conmutación por cero es un relé de CA que conmuta la carga en el primer cruce por cero de la tensión de línea tras aplicar la señal de control. El tiempo de conmutación del SSR es, como máximo, la mitad de un periodo de la frecuencia de línea, por lo que para una frecuencia de línea de 60 hercios (Hz), es de 8.3 milisegundos (ms). Los SSR de conmutación a cero se utilizan principalmente con cargas resistivas para limitar las sobrecorrientes elevadas en el momento de la conmutación. Dado que la tensión de línea es cero cuando la carga está conectada, la corriente en una carga resistiva también es cero. Este tipo de relé también es adecuado para la mayoría de las cargas inductivas y capacitivas.

El SSR de conexión aleatoria o instantánea, también un relé de CA, suministra energía a la carga inmediatamente después de aplicar la tensión de control. Se enciende en cualquier fase de la tensión de línea. El retardo de respuesta típico es inferior a 1 ms. Los relés de conmutación aleatoria se utilizan con cargas inductivas.

El SSR de conmutación de CC está diseñado para aplicaciones resistivas e inductivas de CC. Al igual que el relé de conmutación aleatoria, conecta la carga inmediatamente después de la aplicación de la señal de control. El tiempo de respuesta es inferior a 100 microsegundos (ms).

El SSR de conmutación de picos conmuta en el siguiente pico de tensión de línea tras aplicar la tensión de control. Estos relés se utilizan para cargas inductivas pesadas, como los transformadores.

El SSR de ángulo de fase o de conmutación analógica lee la tensión de la señal de control analógica. Varía el periodo de conducción de la salida del relé proporcionalmente a la amplitud de la tensión de control. Este tipo de SSR se utiliza en sistemas de bucle cerrado y en aplicaciones en las que se utiliza un arranque suave para limitar las corrientes de irrupción.

Otros tipos de SSR, variantes de los descritos, se utilizan con menos frecuencia para necesidades de aplicaciones especializadas.

Número de polos

Los SSR son dispositivos de simple efecto que pueden encender o apagar un polo. El número de polos se refiere al número de tensiones de línea que puede controlar. Una línea de CA monofásica o una línea de CC requiere un SSR unipolar. Una línea monofásica de 220 V necesita dos polos, uno para cada una de las fuentes de los componentes de 110 V. Para las aplicaciones trifásicas se necesita un relé tripolar.

Los relés se clasifican en unipolares de acción simple (SPST), bipolares de acción simple (DPST) o tripolares de acción simple (3PST).

Diseño de los SSR

Los diagramas de bloques funcionales de los SSR difieren según estén destinados a aplicaciones de CA o CC. Los SSR para aplicaciones de CA bipolar, como el relé de conmutación por cero DPST RK2A60D50P de Carlo Gavazzi (figura 2), utilizan tiristores como dispositivos de control.

Figura 2: Se muestra el diagrama de bloques funcional del SSR DPST RK2A60D50P para aplicaciones de CA. (Fuente de la imagen: Carlo Gavazzi Inc.)

El RK2A60D50P está preparado para manejar tensiones de salida de 660 V y corrientes de salida de hasta 50 A. Otros SSR de esta familia pueden manejar corrientes de salida de hasta 75 A. Requiere una tensión de control de 4 V_CC a 32 V_CC. Como todos los SSR, utiliza un optoacoplador para garantizar un aislamiento eléctrico entre la fuente de tensión de control y la línea de 4,000 V_RMS. Este relé tiene una entrada de control común para ambas salidas; otras versiones de la familia de productos tienen entradas de control independientes para cada salida. La afirmación de la tensión de control inicia un detector de paso por cero, que dispara los tiristores antiparalelos en el paso por cero de la línea para ambos polos.

Las aplicaciones de CC, al ser unipolares, utilizan transistores como dispositivo de conmutación principal. Esto se muestra en el diagrama de bloques funcional del SSR CC SPST RM1D060D50 de Carlo Gavazzi (Figura 3).

Figura 3: Se muestra el diagrama de bloques funcional del SSR SPST de CC RM1D060D50; los SSR de CC utilizan transistores como dispositivo de conmutación principal. (Fuente de la imagen: Carlo Gavazzi Inc.)

Este dispositivo maneja tensiones de salida de 1 V_CC a 60 V_CC y corrientes de salida de 50 A. Esta serie de SSR tiene relés que pueden manejar 500 V_CC y corrientes de 100 A. Como la línea es de CC unipolar, se utiliza un MOSFET como interruptor primario. Esto da como resultado un relé con tiempos de respuesta de activación y desactivación inferiores a 100 ms cada uno. Este relé puede funcionar a una velocidad de conmutación de 1,000 Hz y utiliza un rango de tensión de control de CC de 4 V_CC a 32 V_CC. Otros dispositivos de esta familia de productos ofrecen tensiones de control de CA de hasta 280 V. La tensión de control también está aislada ópticamente de la línea con un aislamiento de 3750 V_RMS.

El aislamiento galvánico entre la línea de control y la carga también puede conseguirse mediante el acoplamiento de transformadores. Este tipo de aislamiento, que se muestra mediante un diagrama de bloques de Carlo Gavazzi RP1D060D8 (Figura 4), utiliza una fuente de RF modulada acoplada a través de un transformador de RF para proporcionar aislamiento galvánico entre la entrada y la salida.

Figura 4: El acoplamiento de transformadores en el RP1D060D8 consigue el aislamiento galvánico. (Fuente de la imagen: Carlo Gavazzi Inc.)

Este SSR de conmutación de CC tiene una capacidad nominal de 350 V_CC y 8 A. Utiliza una tensión de control de CC comprendida entre 4.25 V_CC y 32 V_CC. Está alojado en un encapsulado 4-SIP con cuatro pines pasantes espaciados en múltiplos de 0.1". Se diferencia de los otros SSR citados en que es más pequeño y utiliza el acoplamiento de transformadores para aislar la entrada de la salida. Tiene una especificación de aislamiento de 4,000 V_RMS y un tiempo de respuesta de conmutación de <100 ms en cierre y <250 ms en apertura.

Rango de temperatura de funcionamiento

Los SSR conmutan tensiones de hasta 660 V y corrientes de hasta 100 A y pueden producir un calor considerable. La potencia se disipa al conmutar, cuando la corriente a través del relé y la tensión a través de él no son cero. Este calor debe eliminarse del relé mediante disipadores. La temperatura ambiente afecta a la corriente nominal máxima del SSR y debe reducirse cuando sea elevada. Normalmente, los SSR pueden funcionar sin disipador para corrientes de salida de 5 A o menos. Si el relé se monta sobre una superficie metálica, ese límite aumenta a 8 A. Carlo Gavazzi ofrece disipadores adaptados a modelos específicos de SSR que garantizan un rendimiento óptimo en cualquier entorno térmico.

Tipos de montaje

Los SSR se ofrecen en varios tipos de encapsulado (Figura 5) para adaptarse a la aplicación prevista. La mayoría de los tipos de montaje requieren que el relé se fije a una superficie conductora del calor o a un disipador térmico para controlar la temperatura del dispositivo.

Figura 5: Se muestran ejemplos de configuraciones de montaje habituales para los SSR. (Fuente de la imagen: Carlo Gavazzi Inc.)

El Carlo Gavazzi RZ3A60D55 (izquierda) es un SSR 3PST de CA y conmutación por cero con una salida nominal de 660 V y 55 A, controlado por una señal de entrada de 4 V_CC a 32 V_CC. Utiliza un sistema modular de montaje en chasis, con los tres dispositivos de conmutación montados en una placa base común. Mediante una almohadilla térmica o un compuesto disipador, la placa base se monta en una superficie conductora del calor.

El SSR tipo disco de hockey se llama así por su forma gruesa y su construcción densa. La sólida estructura de este paquete lo hace más resistente a golpes y vibraciones, lo que mejora su fiabilidad en entornos industriales difíciles. El RM1D060D50 descrito anteriormente, que se muestra en la Figura 5 (segundo por la izquierda), es un ejemplo de SSR que utiliza el encapsulado de disco de hockey.

El módulo del sistema en paquete (SIP) es una carcasa montada en una placa de circuito impreso (placa CI) para un subsistema electrónico completo. El SSR de CC RP1D060D8, comentado anteriormente y mostrado en la Figura 5 (tercero por la izquierda), está montado en un encapsulado 4-SIP (cuatro patillas). Este SSR controla una corriente de salida de 8 A o menos y puede montarse en una placa de circuito impreso sin necesidad de disipador térmico.

Los rieles DIN son metálicos y se utilizan dentro de un armario para montar dispositivos eléctricos como disyuntores, fuentes de alimentación y SSR. El Carlo Gavazzi RGS1A60D50KKE es un SSR SPST, CA, de conmutación cero que utiliza montaje en riel DIN y se muestra en el extremo derecho de la Figura 5. Puede conmutar 660 V y 50 A a su salida. Utiliza una línea de control CC con un rango de 4 V_CC a 32 V_CC. El módulo DIN solo mide 17.5 mm de ancho para una instalación compacta. Aunque el riel de montaje proporciona cierta refrigeración, existen disipadores compatibles con el riel DIN.

Conclusión

Sin piezas móviles y sin erosión de los contactos ni interferencias eléctricas debidas a la formación de arcos eléctricos en las superficies de contacto, los SSR tienen la fiabilidad necesaria para la automatización industrial y de fábricas. La selección del dispositivo correcto puede simplificarse confiando en un proveedor como Carlo Gavazzi, que ofrece una amplia gama de productos SSR. Si se conocen el funcionamiento, las características y las aplicaciones de los SSR, los diseñadores pueden estar más seguros de encontrar el relé adecuado para los requisitos de un diseño.