Relés de potencia: conceptos básicos

Los relés funcionan básicamente como interruptores que rigen el funcionamiento de otros interruptores dentro de los circuitos eléctricos. Empleando una señal de entrada de baja potencia, ejercen el mando sobre circuitos de mayor potencia. La activación de la señal de baja potencia del relé provoca la excitación de un electroimán, iniciando el movimiento de una armadura. Este movimiento, a su vez, provoca el cierre de los contactos eléctricos, facilitando así la transmisión de energía al circuito controlado.

Una de las principales ventajas de este diseño reside en su capacidad para aislar la señal de control de baja potencia del circuito de mayor potencia. Este aislamiento no solo protege a los operarios de posibles peligros, sino también a los equipos de posibles daños. Además, esta disposición facilita el control remoto de dispositivos o sistemas, permitiendo su funcionamiento a distancia.

La génesis de los relés electromecánicos se remonta a 1835 y, a pesar de los importantes avances en sus componentes y diversidad a lo largo de los años, su función fundamental ha perdurado. Uno de los relés más conocidos a lo largo de la historia es el relé de potencia. Aunque todos los relés eléctricos controlan intrínsecamente la potencia, no todos los relés se denominan correctamente "relés de potencia". En este artículo se analizan los relés de potencia, sus ventajas, configuraciones y criterios de selección.

Nociones básicas sobre relés de potencia

Los relés de potencia son conocidos por su capacidad especializada para gestionar conmutaciones de corriente de alto nivel, desde varios amperios hasta magnitudes sustancialmente superiores. Su construcción más resistente y sus mayores dimensiones permiten que los contactos de relé de potencia soporten corrientes considerables, lo que los convierte en candidatos ideales para aplicaciones que exigen corrientes que normalmente superan los 10 amperios.

Cada vez se utilizan más en diversos sectores, como sistemas de automoción, controles de ascensores, actuadores de válvulas y diversos dispositivos caracterizados por elevados picos de corriente inicial, como motores, solenoides, fuentes de alimentación y balastos electrónicos.

Al igual que otros componentes eléctricos, los relés tienen limitaciones inherentes en cuanto a la potencia que pueden gestionar con seguridad. Cada modelo tiene asignada una potencia de salida máxima, lo que garantiza una adaptación eficaz a una amplia gama de cargas, desde aparatos de bajo consumo, como bombillas, hasta maquinaria resistente, como grandes motores. Sin embargo, superar la potencia de salida especificada puede provocar daños permanentes en el relé.

Además, la desalineación de los contactos puede inducir la formación de arcos de contacto, caracterizada por el flujo de aire a través del entrehierro entre los contactos del relé cuando están abiertos, pero cerca uno del otro. Este fenómeno plantea riesgos que van más allá de las chispas y la generación de calor, como la erosión de los contactos y la generación de interferencias eléctricas no deseadas, que pueden dañar los equipos cercanos.

Figura 1: Arco voltaico en un contacto de relé electromecánico. (Fuente de la imagen: Same Sky)

Introduzca los relés de potencia, diseñados específicamente para hacer frente a las cargas eléctricas de dispositivos de alta corriente como calentadores, motores, matrices de iluminación y equipos industriales. El aumento de la intensidad y del voltaje nominal de los relés de potencia se debe en gran medida a la utilización de materiales de contacto distintos de los de los relés normales. Estos materiales se eligen por su capacidad para soportar los rigores de las aplicaciones de alta potencia, garantizando un funcionamiento fiable y una larga vida útil en entornos industriales exigentes.

Materiales de contacto del relé de potencia

Cuando la corriente fluye a través de los contactos del relé, encuentra resistencia, un factor que depende del tamaño y la composición del material de los contactos. Una resistencia elevada no solo amplifica la potencia disipada dentro del relé, sino que también aumenta la generación de calor. Una forma de mitigar la resistencia de contacto es seleccionar cuidadosamente los materiales de contacto.

Los relés convencionales suelen tener contactos fabricados con níquel plateado, un metal conocido por su ubicuidad histórica en la construcción de relés. Los contactos de níquel plateado destacan en la conmutación de cargas resistivas, en las que la corriente y el voltaje están en fase entre sí.

En cambio, los relés diseñados para cargas más elevadas, como los relés de potencia, optan por contactos fabricados con materiales como óxido de cadmio de plata, óxido de estaño de plata o aleación de oro. Estos materiales son ideales para manipular cargas inductivas, caracterizadas por corriente y voltaje asíncronos, que pueden producir picos de corriente o voltaje considerables. Tanto los contactos de óxido de cadmio de plata como los de óxido de estaño de plata ofrecen una menor resistencia eléctrica y mitigan el riesgo de soldadura de los contactos derivado de las altas corrientes de irrupción. La adopción del óxido de plata y estaño evita los problemas medioambientales asociados a las aleaciones con cadmio, por lo que se ajusta a la normativa de algunos países.

Relés de potencia comparados con relés de señalización

Los relés de potencia y los relés de señalización representan dos variantes populares dentro del ámbito de los relés. Aunque los relés de potencia dan prioridad al manejo de tensiones y corrientes más altas, suelen soportar menos ciclos de vida útil. Por el contrario, los relés de señalización están diseñados para un mayor número de ciclos de vida útil, pero funcionan con voltajes más bajos y corrientes mínimas.

Los materiales de contacto empleados en los relés de potencia, aunque son idóneos para situaciones de alta potencia, no lo son para la conmutación de baja potencia. Esto se debe a que, a tensiones más bajas, la conexión física entre los contactos adquiere una importancia primordial, dictada por factores como la presión y la limpieza de los contactos, más que por el material de los mismos.

Además, emplear un relé de señalización en una aplicación de potencia conlleva riesgos inherentes, que pueden culminar en un fallo catastrófico por sobretensión o sobrecorriente. Incluso si un relé de este tipo sobreviviera, carecería de características cruciales como la prevención de arcos y la autolimpieza de contactos, lo que comprometería la fiabilidad a largo plazo.

En el proceso de toma de decisiones entre relés de potencia y de señalización, es crucial seguir una pauta fundamental: hacer coincidir siempre el nivel de potencia que se conmuta con la potencia del relé. Esto garantiza un rendimiento óptimo, mitiga los riesgos de fallo y mantiene la integridad del relé y los sistemas asociados. Puede obtener más información sobre los relés de señalización en otro artículo de Same Sky titulado, Relés de señalización: conceptos básicos.

Tipos de relé de potencia

Los relés de potencia, al igual que los relés normales, están disponibles en dos tipos principales: electromecánicos y de estado sólido.

Los relés electromecánicos de potencia se basan en una combinación de bobinas eléctricas, campos magnéticos, resortes, armaduras móviles y contactos para regular la entrega de potencia a un dispositivo.

Por otra parte, los relés de estado sólido no utilizan piezas móviles. En su lugar, aprovechan dispositivos semiconductores como los rectificadores controlados por silicio (SCR), los TRIAC (triodo para corriente alterna) o los transistores de conmutación para conmutar las corrientes alterna y continua. Los relés de estado sólido ofrecen ventajas como velocidades de conmutación más rápidas y mayor fiabilidad en comparación con los relés electromecánicos. Sin embargo, su rentabilidad disminuye a medida que aumenta la demanda de potencia, debido a los mayores costos asociados a los semiconductores de potencia robustos y a la inclusión de componentes adicionales de gestión térmica.

Figura 2: Ejemplo de un relé de estado sólido combinado con un disipador térmico. (Fuente de la imagen: Same Sky)

Configuraciones y clasificaciones habituales

Los relés de potencia, al igual que sus homólogos sin potencia, se clasifican en función de la configuración de sus contactos, lo que indica el número de dispositivos que pueden controlar simultáneamente. Las clasificaciones comunes incluyen:

• SPST NO (unipolar y unidireccional, normalmente abierto)
• DPDT (doble polo, doble tiro)
• 3PDT (tripolar, doble tiro)
• SP3T (unipolar, tripolar)

Los contactos de relé se designan como Normalmente abierto (NO) o Normalmente cerrado (NC), dependiendo de su estado cuando no se aplica alimentación al relé.

Los valores nominales de los relés indican la potencia máxima que puede conmutar el relé de forma segura y eficaz. Estos valores se expresan normalmente en amperios para corrientes de CA y CC. Es fundamental que la potencia nominal del relé supere la del dispositivo que se va a conmutar, teniendo en cuenta un margen de seguridad.

Al igual que los relés que no son de potencia, los relés de potencia también pueden describirse utilizando el término "formas". Frases como "1 Forma A" o "2 Forma C" permiten conocer las características del relé. El número que precede a "Forma" indica la cantidad de contactos descritos disponibles en el relé. La "Forma A" significa un relé normalmente abierto, mientras que la "Forma B" denota un relé normalmente cerrado. "Forma C" y "Forma D" se aplican a los relés SPDT, indicando qué posición se considera normalmente cerrada y si el relé es de interrupción previa a la conexión o de cierre previo a la conexión, respectivamente. Aunque existen otras muchas formas, estas cuatro son las más utilizadas.

• Forma A - normalmente abiertos
• Forma B - normalmente cerrado
• Forma C - interruptores SPDT (Polo único, posición doble) SPDT (Polo simple, doble vía) con interrupción previa a la conexión
• Forma D - interruptores SPDT (Polo único, posición doble) SPDT (Polo simple, doble vía) de cierre previo a la interrupción

Consideraciones adicionales

Algunas consideraciones adicionales a tener en cuenta durante la selección del dispositivo incluyen:

• Sobretensiones de entrada: Algunos dispositivos pueden producir subidas de tensión importantes durante el arranque. Es importante identificar estas sobretensiones antes de especificar un relé para evitar daños en el dispositivo.
• Supresión de bobinas: Los ciclos de relé pueden generar transitorios de alta tensión. La supresión de bobinas implica el uso de componentes adicionales en el circuito para proteger los equipos de estos transitorios. Sin embargo, esto puede reducir la vida útil del relé. Determine si es necesaria una estrategia específica de supresión de bobinas para cualquier aplicación especificada.
• Enclavamiento: Un relé de enganche conserva su última posición de contacto incluso después de retirar la alimentación de activación. Esta función puede ser necesaria para determinadas aplicaciones.
• Ruido: Los relés pueden producir ruido de interferencia electromagnética (EMI) o de interferencia de radiofrecuencia (RFI), que puede ser más pronunciado en dispositivos de alta potencia. Determine de antemano la sensibilidad de un dispositivo o sistema a este ruido.
• Rebote de los contactos: Durante los ciclos de un relé, sus contactos pueden experimentar breves ciclos de apertura/cierre, conocidos como rebote de contacto, que generan impulsos eléctricos. Dependiendo de la sensibilidad de la aplicación, este rebote puede causar efectos no deseados, por lo que es importante determinar si el rebote de contacto afectará a una aplicación antes de especificar un relé.

Figura 3: Ejemplo de rebote de contacto y de voltajes que cambian rápidamente. (Fuente de la imagen: Same Sky)

Conclusión:

Los relés son dispositivos fiables, eficientes y de confianza que proporcionan un control eléctrico seguro de sistemas y dispositivos, al tiempo que mantienen al operador aislado de forma segura de la corriente de funcionamiento. Los relés de potencia, ya sean electromecánicos o de estado sólido, están especialmente diseñados con características mejoradas para gestionar voltajes y corrientes más elevados.

Para que los diseñadores puedan evaluar las necesidades de conmutación de potencia de sus productos, Same Sky ofrece una amplia matriz de relés de potencia y relés de señalización. Tanto si se trata de conmutación de corriente de bajo nivel como de alto nivel, Same Sky tiene las soluciones de relé para satisfacer una gran variedad de necesidades de forma eficaz y eficiente.