Relés: contactos, bobina y driver

01 · Punto de partida

La bomba que regó todo el fin de semana

El procedimiento del tema anterior empezaba con una pregunta que dejaba casos afuera: cargas de tensión alterna, de tensión de red, o circuitos que no pueden compartir el negativo con la placa. Para esos casos hace falta una llave que separe por completo lo que manda de lo que es mandado.

El programa no tuvo ningún error, y el relé hizo exactamente lo que hace un relé. El error estuvo en una decisión de cableado que parecía indiferente. Un relé tiene un estado al que vuelve solo cuando se queda sin energía, y ese estado es el que va a tener en todas las fallas: fuente quemada, cable cortado, placa colgada, transistor abierto.

Un programador conoce el principio con otros nombres: denegar por defecto, cerrar ante un error. Un cortafuegos bien configurado bloquea lo que no reconoce; un sistema de permisos niega cuando no puede consultar. La pregunta de diseño no es «¿qué hace cuando funciona?», sino «¿qué hace cuando no funciona?». En un relé, la respuesta se elige con un destornillador, no con código.

• ¿Qué separa exactamente un relé, y para qué sirve esa separación?
• ¿Qué significan común, normalmente abierto y normalmente cerrado?
• ¿Cómo se elige el contacto según lo que debe pasar ante una falla?
• ¿Qué dicen de verdad los «10 A» impresos en la carcasa?
• ¿Qué trae un módulo de relé, y qué significa que sea «activo en bajo»?

02 · Identificar

Dos circuitos separados

Un relé es un interruptor mecánico accionado por un electroimán. Tiene dos partes que no están conectadas eléctricamente entre sí:

Cuando la bobina recibe corriente, atrae una lámina metálica que mueve los contactos; al quedarse sin corriente, un resorte la devuelve. Ese movimiento es el clic que se oye. Entre la bobina y los contactos hay solo aire y plástico: se dice que están aislados.

Para el circuito de la carga, un relé es un interruptor de pared que aprieta otro. Eso lo hace muy fácil de usar, porque no hay que pensar en polaridades ni en niveles. Lo que cuesta se ve en las secciones que siguen: es lento, se desgasta, consume todo el tiempo que está activado, y necesita su propio transistor.

03 · Identificar

Común, normalmente abierto, normalmente cerrado

El relé más habitual tiene tres terminales de contacto. Uno es móvil y los otros dos, fijos.

«Normalmente» quiere decir «en reposo»

Es el estado con la bobina sin corriente. No significa «la mayor parte del tiempo» ni «cuando el equipo funciona». Es la palabra que hay que leer bien.

Se usa el común y uno de los otros dos

Para encender y apagar una carga alcanzan dos terminales. Con los tres, el relé conmuta entre dos circuitos: uno u otro, nunca los dos.

Hay relés con más contactos

Los de dos inversores tienen dos juegos independientes de común, abierto y cerrado, movidos por la misma bobina: ocho patas. Sirven para cortar los dos cables de una carga, o para invertir el giro de un motor.

NO no es «no»

En inglés, NO es normally open. En una bornera que dice «NO · COM · NC», el primero es el normalmente abierto.

Mapear un relé sin su diagrama

En el Tema 14 encontraste la bobina midiendo resistencia: el par de patas con decenas o cientos de ohms. Con las tres restantes:

1. 1
   Con el relé suelto, buscá el par que tiene continuidad.

   Son el común y el normalmente cerrado. La pata que sobra es el normalmente abierto.

2. 2
   Activá la bobina.

   Con su tensión nominal, y con el diodo puesto. Se oye el clic.

3. 3
   Buscá el nuevo par con continuidad.

   Uno de sus terminales es el normalmente abierto que ya conocías. El otro es el común: la única pata que aparece en los dos pares.

04 · Selección

Elegir el contacto por la falla

Cualquiera de los dos contactos permite encender y apagar la carga desde el programa: con uno la lógica es directa y con el otro, invertida. Mientras todo funciona, son equivalentes. La diferencia aparece cuando la bobina se queda sin corriente sin que el programa lo haya pedido.

Casi todas las fallas llevan al reposo. Entonces la regla es directa:

La gran mayoría de las cargas van al normalmente abierto. El normalmente cerrado es para los casos en los que la ausencia de mando tiene que producir algo: una alarma que suena justamente porque el equipo dejó de funcionar.

05 · Características

Lo que soportan los contactos

La carcasa del relé azul más común dice «10 A 250 VAC · 10 A 30 VDC». Como con el MOSFET de 49 A, ese número tiene condiciones.

Continua no es alterna

Al separarse dos contactos con corriente circulando, salta un arco: una chispa que sigue conduciendo a través del aire. En alterna, la corriente pasa por cero cien veces por segundo y el arco se apaga solo. En continua no hay cruce por cero: el arco dura hasta que los contactos se alejan lo suficiente.

Por eso el mismo relé que corta 250 V en alterna solo está garantizado hasta 30 V en continua. Con 48 V de continua, el arco puede no apagarse nunca, y funde los contactos.

Resistiva no es cualquier carga

Los 10 A valen para una carga resistiva, como un calefactor, que consume lo mismo desde el primer instante. Muchas cargas toman al encender un pico varias veces mayor, y cada pico suelda un poco los contactos.

Se desgastan

Un relé tiene dos vidas. La mecánica, sin carga, es de unos diez millones de maniobras. La eléctrica, con la carga nominal, es de unas cien mil. La diferencia es el arco de cada apertura.

Cien mil parece mucho

Un termostato que conmuta una vez por minuto las alcanza en 70 días. Un relé usado para hacer parpadear una luz una vez por segundo, en poco más de un día.

Con menos carga duran más

La vida crece rápido al bajar la corriente: con la mitad de la carga nominal, varias veces más maniobras.

Cómo fallan

De dos maneras. Se queman y dejan de hacer contacto, o se sueldan y no vuelven a abrir. La segunda es la peligrosa: la carga queda encendida aunque la bobina suelte.

Son lentos, y rebotan

Un relé tarda unos 10 milisegundos en cerrar y unos 5 en abrir. Para un programa es una eternidad, y hay que tenerla en cuenta: entre mandar y que la carga responda pasa ese tiempo. Además, al cerrar, los contactos rebotan como una pelota durante uno o dos milisegundos, abriendo y cerrando varias veces. Para una bomba no importa; para una señal que cuenta pulsos, sí. Es el mismo rebote de los pulsadores, que se trata en el Tema 28.

06 · Aplicación

La bobina y su llave

La bobina es una carga de corriente continua de unas decenas de miliamperes, inductiva. Es exactamente el caso que el procedimiento del Tema 24 resolvía con un transistor bipolar. La llave completa tiene cuatro piezas:

El cuarto, que en el Tema 20 era recomendable, con un relé es parte de la regla de la falla: garantiza el reposo durante el arranque de la placa.

Tres cosas sobre la alimentación

La bobina no se alimenta desde una salida

Ni desde la pata de 3,3 V de una placa chica. Se alimenta desde la fuente: los 5 V que entran por USB o una fuente propia. La salida solo entrega los 3,5 mA de la base.

Consume todo el tiempo que está activado

5 V × 71 mA = 0,36 W, mientras dure. En un equipo a pila es mucho. Para esos casos existen los relés biestables, que cambian de estado con un pulso y lo conservan sin corriente; a cambio, no vuelven solos al reposo ante una falla.

El clic se nota en la fuente

Al activar, la bobina toma su corriente de golpe y la tensión de alimentación puede caer un instante. Si la placa se reinicia cada vez que el relé cierra, la solución es el capacitor de reserva del Tema 11: 100 µF cerca del relé.

07 · Identificar

Los módulos de relé

Lo más común es comprar el relé ya montado en una plaqueta, con uno, dos, cuatro u ocho canales. Trae la llave de la sección anterior, y conviene saber exactamente cuál.

Activo en alto o activo en bajo

Es el dato más importante de un módulo, y muchas veces no está escrito. Indica con qué nivel en la entrada se activa el relé.

Con un módulo activo en bajo hay dos situaciones que revisar, porque las dos ponen la entrada en 0 V sin que el programa lo haya pedido:

La placa apagada y el módulo alimentado

Si la placa pierde su alimentación pero el módulo conserva la suya, las salidas de la placa quedan cerca de 0 V. Para el módulo, eso es la orden de activar. Los relés se activan justamente cuando la placa se cae. Se evita alimentando placa y módulo desde la misma fuente, de modo que caigan juntos.

El arranque

Durante el arranque, una salida que el programa todavía no configuró puede quedar en bajo un instante. Conviene escribir el nivel alto antes de configurar la pata como salida.

Módulo de 5 V con placa de 3,3 V

En un módulo activo en bajo, el nivel «alto» de 3,3 V puede no alcanzar para apagar del todo la entrada, que esperaba 5 V. El relé queda activado o el LED, tenue. Conviene un módulo que diga expresamente que admite 3,3 V.

08 · Seguridad

Tensión de red: lo que hay que saber

El uso más buscado de un relé es encender algo enchufado a la pared. Este curso no lo incluye entre sus talleres, y conviene saber por qué.

El relé aísla; el montaje, no necesariamente

Adentro del relé, la bobina y los contactos están separados. Pero en una plaqueta los terminales de los contactos quedan a milímetros de las pistas de baja tensión, y por debajo hay soldaduras expuestas con tensión de red.

Una protoboard no es para la red

Sus contactos y su separación están pensados para tensiones bajas. Con 220 V es un riesgo de descarga y de incendio.

Lo que requiere una instalación

Gabinete cerrado y aislante, borneras adecuadas, cables de la sección correcta, un fusible o una protección en la línea, y que nada con tensión quede al alcance de la mano. Y cumplir la reglamentación eléctrica del lugar.

Alternativas al relé mecánico

09 · Simulador

Banco del relé

Dos pestañas. La primera recorre las fallas: qué hace la carga en cada situación según el contacto y el tipo de llave. La segunda estima cuánto duran los contactos.

Recorrido guiado (8 minutos)

1. 1
   Mirá el estado inicial.

   Es la escena en un día normal: bomba en el normalmente cerrado, y el programa la quiere apagada. Para lograrlo, la bobina está activada. Funciona.

2. 2
   Recorré las cuatro situaciones de falla.

   En las cuatro, la bobina pierde su corriente y la bomba se enciende. Ninguna es el estado seguro.

3. 3
   Cambiá la bomba al normalmente abierto y repetí.

   Con todo funcionando, la bobina ahora está en reposo. En las cuatro fallas la bomba queda apagada.

4. 4
   Con el normalmente abierto, elegí la llave «sin resistor de apagado» y la situación «la placa está arrancando».

   El resultado es indefinido: la base del transistor está en el aire. Es el clic al encender el equipo.

5. 5
   Elegí el módulo activo en bajo y «la placa se quedó sin alimentación».

   La bobina se activa y la bomba arranca, aunque esté en el normalmente abierto: para el módulo, una placa apagada es una entrada en 0 V. Probá «se cortó toda la alimentación»: ahí sí queda apagada.

6. 6
   Pasá a «Vida de los contactos».

   Carga resistiva de 2 A a 12 V, una maniobra por minuto: los contactos duran años.

7. 7
   Cambiá a motor, y después a lámpara de filamento.

   La misma corriente nominal exige mucho más a los contactos. Con la lámpara, 2 A equivalen a 16.

8. 8
   Con carga resistiva de 8 A, elegí una maniobra por segundo. Después probá 48 V de continua.

   A ese ritmo el relé dura horas o días. Y con 48 V de continua queda fuera de lo que su hoja garantiza, por el arco.

Preguntas para pensar

1. En el paso 2, ¿por qué las cuatro fallas dan el mismo resultado?
2. En el paso 5, ¿cómo evitarías que un módulo activo en bajo active el relé cuando la placa se cae?
3. En el paso 7, ¿por qué una lámpara de filamento castiga más los contactos que un calefactor de la misma corriente?

10 · Taller

Montar y medir

Hacen falta un relé de 5 V, un BC547, un diodo 1N4148 o 1N4007, resistores de 1,2 kΩ y 10 kΩ, dos LED de distinto color con sus resistores de 220 Ω, una fuente de 5 V y el multímetro. El mando se da con un cable, del resistor de base al positivo.

Primero, el mapa

Con el relé suelto y el multímetro en resistencia y continuidad, completá esta tabla. Es el procedimiento de la sección 3.

El montaje

1. 1
   La llave.

   Emisor del BC547 al negativo. La bobina entre el positivo y el colector, con el diodo en paralelo y la franja hacia el positivo. Resistor de 1,2 kΩ en la base y de 10 kΩ entre base y emisor.

2. 2
   Los contactos.

   El común al positivo. Del normalmente cerrado, un LED con su resistor al negativo; del normalmente abierto, el otro LED con el suyo.

3. 3
   Predecí.

   Con el cable de mando suelto, ¿qué LED está encendido? ¿Y al tocar el positivo con el cable?

Las mediciones

Cuatro pruebas

1. A
   Conmutar.

   Tocá y soltá el positivo con el cable de mando. Los LED se alternan y se oye el clic. En ningún momento están los dos encendidos.

2. B
   Simular fallas.

   Con el relé activado, desconectá de a uno: el cable de mando, el positivo de la bobina, el negativo del transistor. En los tres casos vuelve al reposo. Anotá qué LED queda encendido: ese es el estado de falla de tu circuito.

3. C
   La entrada en el aire.

   Quitá el resistor de 10 kΩ y dejá el cable de mando suelto. Tocá con un dedo su extremo libre, y con otro el positivo. Según el transistor y tu piel, el relé puede llegar a activar o quedar zumbando. Volvé a poner el resistor y repetí: no pasa nada.

4. D
   La aislación.

   Desconectá el común del positivo y alimentá los LED desde otra fuente, una batería de 9 V con resistores de 470 Ω, sin unir los negativos. Sigue funcionando. Con un transistor como llave, eso no sería posible.

El dictamen

11 · El relé en código

Llave, fallas y desgaste

La llave de la bobina

E12 = [10, 12, 15, 18, 22, 27, 33, 39, 47, 56, 68, 82]


def comercial_inferior(ohm):
    return max(b * 10 ** d for d in range(6) for b in E12 if b * 10 ** d <= ohm)


def llave_rele(v_bobina, ohm_bobina, v_mando, cantidad=1):
    i_bobina = v_bobina / ohm_bobina
    transistor = "BC547" if i_bobina <= 0.075 else "BC337"
    r_base = comercial_inferior((v_mando - 0.7) / (i_bobina / 20))
    i_base = (v_mando - 0.7) / r_base * 1000
    print(f"Relé de {v_bobina} V y {ohm_bobina} ohm, mando de {v_mando} V")
    print(f"  Bobina: {i_bobina * 1000:.0f} mA, {v_bobina * i_bobina * 1000:.0f} mW mientras esté activado")
    print(f"  {transistor}, {r_base} ohm en la base ({i_base:.1f} mA de la salida), "
          "diodo en la bobina, 10 kohm de base a emisor")
    if cantidad > 1:
        print(f"  Con {cantidad} relés activados: {cantidad * i_bobina * 1000:.0f} mA de la fuente "
              f"y {cantidad * i_base:.0f} mA de la placa")


llave_rele(5, 70, 3.3)
llave_rele(5, 70, 5, cantidad=8)
llave_rele(12, 400, 3.3)

Medí la resistencia de la bobina de tu relé y poné ese valor: el resistor de base sale de ahí.

La tabla de las fallas

La lógica de la primera pestaña del simulador, recorrida completa: para cada combinación de contacto y llave, qué hace la carga en cada situación.

SITUACIONES = ["arrancando", "placa sin alimentación", "bobina sin alimentación", "todo cortado"]


def bobina_activada(llave, situacion):
    """True, False o None si queda indefinido."""
    if situacion in ("bobina sin alimentación", "todo cortado"):
        return False
    if situacion == "placa sin alimentación":      # las salidas quedan cerca de 0 V
        return llave == "activa en bajo"
    if situacion == "arrancando":                  # la salida no vale ni 0 ni 1
        return None if llave == "activa en alto sin resistor" else False


def carga_encendida(contacto, activada):
    if activada is None:
        return None
    return activada if contacto == "abierto" else not activada


texto = {True: "ENCENDIDA", False: "apagada", None: "indefinida"}
for contacto in ("abierto", "cerrado"):
    for llave in ("activa en alto con resistor", "activa en alto sin resistor", "activa en bajo"):
        estados = [carga_encendida(contacto, bobina_activada(llave, s)) for s in SITUACIONES]
        segura = all(e is False for e in estados)
        print(f"Normalmente {contacto}, llave {llave}: {'SEGURA' if segura else 'no segura'}")
        for situacion, estado in zip(SITUACIONES, estados):
            if estado is not False:
                print(f"     {situacion}: carga {texto[estado]}")

Acá «segura» significa «la carga queda apagada». Para una luz de emergencia, la condición es la opuesta: cambiá e is False por e is True.

Cuánto duran los contactos

NOMINAL, VIDA_ELECTRICA, VIDA_MECANICA = 10, 100_000, 10_000_000
FACTOR = {"resistiva": 1, "motor": 3, "lámpara de filamento": 8, "fuente conmutada": 10}


def vida(tipo, amperes, maniobras_por_hora):
    equivalente = amperes * FACTOR[tipo]
    exponente = 2 if equivalente <= NOMINAL else 3
    maniobras = min(VIDA_MECANICA, VIDA_ELECTRICA * (NOMINAL / equivalente) ** exponente)
    horas = maniobras / maniobras_por_hora
    duracion = f"{horas / 8760:.1f} años" if horas > 8760 else f"{horas / 24:.0f} días"
    aviso = "  <-- SUPERA EL NOMINAL" if equivalente > NOMINAL else ""
    print(f"{tipo:22} {amperes:4} A -> equivale a {equivalente:5.1f} A, "
          f"{maniobras:>10,.0f} maniobras, {duracion}{aviso}")


print("Una maniobra por minuto:")
for tipo in FACTOR:
    vida(tipo, 2, 60)
print("Calefactor de 8 A:")
for por_hora in (1, 60, 3600):
    vida("resistiva", 8, por_hora)

Es una estimación para comparar casos. La hoja de datos de cada relé trae sus propias curvas de vida.

12 · Comprensión

Confusiones frecuentes

13 · Práctica guiada

Ejercicios

Ejercicio 1: mapear

Un relé de cinco patas, numeradas del 1 al 5. Mediciones con el relé suelto: entre 1 y 2, 72 Ω; entre 3 y 4, continuidad; el resto, nada. Con la bobina activada: entre 3 y 5, continuidad; entre 3 y 4, nada. Identificá cada pata.

Ejercicio 2: elegir el contacto

Para cada caso, decí qué debe pasar ante una falla y qué contacto corresponde.

1. Un calefactor de un terrario.
2. Una sirena que avisa que el sistema de monitoreo dejó de funcionar.
3. La electroválvula de una pecera que deja entrar agua.
4. El extractor de aire de un gabinete con equipos que siguen encendidos.

Ejercicio 3: la llave de un relé de 12 V

Un relé con bobina de 12 V y 400 Ω, mandado desde una placa de 3,3 V. Calculá la corriente de la bobina, elegí el transistor y el resistor de base, y decí cuánto consume activado.

Ejercicio 4: cuánto dura

Un termostato conmuta un calefactor resistivo de 8 A con un relé de 10 A, una vez cada dos minutos, todo el día. Con la estimación de este tema, ¿cuántas maniobras soporta y cuánto tiempo son? ¿Qué harías?

Ejercicio 5: un módulo sin datos

Tenés un módulo de relé sin documentación. Lo alimentás con 5 V y observás: con la entrada sin conectar, no hace clic; uniéndola al negativo, hace clic y enciende su LED; uniéndola al positivo, vuelve al reposo. ¿De qué tipo es? ¿Qué pasa si la placa que lo maneja se apaga y el módulo sigue alimentado?

Ejercicio 6: el taller completo

Con las piezas reales. Hacé el mapa, el montaje y las cuatro pruebas de la sección 10. En la prueba B, anotá qué LED queda encendido en cada una de las tres desconexiones.

14 · Síntesis

Ideas para recordar

¿Listo para el Tema 26?

Podés avanzar si sos capaz de responder esto sin mirar:

• Decir qué partes de un relé están aisladas entre sí.
• Explicar qué significa «normalmente cerrado».
• Describir cómo se encuentra el común con el multímetro.
• Decir a qué contacto conectarías una bomba y por qué.
• Explicar por qué un relé de 250 V en alterna solo sirve hasta 30 V en continua.
• Nombrar las cuatro piezas de la llave de una bobina.
• Decir qué puede pasar con un módulo activo en bajo cuando la placa se apaga.

El relé aísla moviendo una pieza de metal. Hay otra forma de cruzar esa frontera, sin nada que se mueva: un LED de un lado, un detector de luz del otro y una cápsula opaca alrededor. No maneja cargas, pero lleva señales de un circuito a otro miles de veces por segundo. En el próximo tema, los optoacopladores.