Relés electromecánicos y de estado sólido

01 · Punto de partida

Aislar y conmutar

En el tema anterior el transistor llevaba la corriente de la carga, pero ambos circuitos compartían la masa. A veces eso no sirve o es peligroso: una carga de red de 220 V no puede compartir referencia con un microcontrolador, o la carga trabaja a otra tensión continua que conviene mantener separada. Para eso están los relés, que dan aislación galvánica: el circuito de comando y el de potencia no tienen conexión eléctrica.

Hay dos familias. El relé electromecánico (EMR) usa una bobina que mueve un contacto metálico: es robusto y barato, pero tiene partes móviles que se gastan, rebotan y hacen ruido. El relé de estado sólido (SSR) conmuta con semiconductores y un optoacoplador: sin partes móviles, silencioso y de vida muy larga, a cambio de pérdidas por calor y de ser más caro. Y en ambos casos el trabajo de programación es el mismo: conmutar lo menos posible.

02 · Cómo es por dentro

Anatomía de un relé

Un EMR tiene dos partes: una bobina (un electroimán) y uno o más contactos que la armadura mueve. Cuando circula corriente por la bobina, el electroimán atrae la armadura y los contactos cambian de posición; al cortar la corriente, un resorte los devuelve al reposo. Los terminales de contacto se nombran así:

• COM (común): el terminal que se conecta a un lado u otro.
• NA o NO (normalmente abierto): sin comando está desconectado del común; con comando, conectado.
• NC (normalmente cerrado): sin comando está conectado al común; con comando, se desconecta.

Un relé con un COM, un NA y un NC es un inversor simple (SPDT); los hay con dos conjuntos (DPDT) o sólo con NA (SPST). La elección NA o NC es una decisión de seguridad: si se corta la alimentación del circuito de comando (o el microcontrolador se cuelga), ¿qué estado debe tener la carga? Una estufa debe apagarse, por lo que se usa el NA; una puerta magnética que debe liberarse, el NC. El estado de reposo del relé es el estado de falla (tema 44).

Los parámetros de la bobina que figuran en la hoja de datos son la tensión nominal (5, 12 o 24 V), la resistencia (o la corriente) y la potencia. Un relé de 5 V con 70 mA tiene una resistencia de 71 Ω y consume 0,35 W; cada paso de operación necesita tensión suficiente (aproximadamente el 75 % de la nominal para accionar) y se suelta recién cerca del 10 al 30 %. Los tiempos típicos son de 5 a 15 ms para operar y de 3 a 10 ms para soltar, con rebotes de los contactos de 1 a 5 ms: un relé no sirve para PWM ni para maniobras rápidas.

03 · Del pin a la bobina

Manejar la bobina

La bobina es una carga inductiva de decenas de miliamperios: se resuelve con lo visto en el tema 27. Un transistor (bipolar o MOSFET) la conmuta y un diodo de rueda libre en paralelo con ella, con el cátodo hacia el positivo, absorbe el pico de apagado. Para una bobina de 70 mA desde un pin de 5 V, con ganancia forzada 10, la base pide 7 mA y la resistencia es de 614 Ω; se usa la normalizada menor, 560 Ω.

// Pin 7 --[560 Ω]--> base de un 2N2222; emisor a masa.
// Bobina entre +5 V y el colector; 1N4007 en paralelo con la bobina (cátodo al +5 V).
const uint8_t PIN_RELE = 7;

void setup() {
    pinMode(PIN_RELE, OUTPUT);
    digitalWrite(PIN_RELE, LOW);       // arranca apagado: el reposo es el estado seguro
}

void releOn()  { digitalWrite(PIN_RELE, HIGH); }
void releOff() { digitalWrite(PIN_RELE, LOW); }

Los módulos de relé de venta común (1, 2, 4 u 8 canales) resuelven todo esto en una placa: la bobina, el transistor, el diodo, un LED indicador y un optoacoplador entre la entrada y el transistor. Dos particularidades:

• Casi todos son de activación en bajo: el relé se acciona cuando el pin de entrada va a LOW. Por eso al arrancar, con el pin sin configurar o en alta impedancia, la carga puede encenderse un instante. Se configura el pin como salida con valor HIGH antes de declararlo como salida (digitalWrite(pin, HIGH) y luego pinMode), y se prueba siempre sin la carga conectada.
• Muchos tienen un puente JD-VCC / VCC: con el puente puesto, la bobina toma la alimentación del microcontrolador (sin aislación real y con riesgo de reinicios); quitándolo y alimentando JD-VCC con una fuente aparte, la aislación del optoacoplador es efectiva.

El optoacoplador (por ejemplo el PC817 o el 4N25) es un LED y un fototransistor en el mismo encapsulado, sin conexión eléctrica entre ellos: la luz transmite la señal y la tensión de aislación es de miles de voltios. El LED necesita una resistencia (de 5 V a 10 mA, (5 − 1,2) / 0,01 = 380 Ω → 330 Ω, con 11,5 mA). La relación entre la corriente del fototransistor y la del LED es el CTR (≥ 50 % en el PC817): con 10 mA de LED se obtienen al menos 5 mA de salida. Es el mismo principio del optointerruptor del tema 7, pero con el haz cerrado dentro del chip.

04 · El lado de la carga

Los contactos y la carga

Los contactos de un relé de módulo dicen, por ejemplo, 10 A 250 V CA / 10 A 30 V CC. Esa especificación es para carga resistiva y tiene letra chica:

• La corriente continua es más exigente que la alterna. En alterna la corriente pasa por cero cien veces por segundo y el arco que aparece al abrir se extingue solo; en continua el arco se mantiene. Por eso la capacidad en CC baja rápidamente al subir la tensión: el mismo contacto de 10 A a 30 V CC puede soportar menos de 1 A a 110 V CC.
• Las cargas inductivas (motores, solenoides, transformadores) generan un arco al abrir que desgasta los contactos: la capacidad real es de la mitad o menos. Se protegen con un diodo (CC) o con un snubber RC en paralelo con el contacto (CA, típicamente 100 Ω y 100 nF) o un varistor.
• Las cargas con corriente de arranque (lámparas incandescentes, fuentes conmutadas, motores) piden varias veces su corriente nominal en el cierre. Un contacto de 10 A puede soldarse con una carga de 2 A que arranca con 20 A.
• Las cargas pequeñas (niveles de miliamperios en señales) pueden fallar en contactos de potencia, cuya película de óxido no se rompe con corrientes bajas: se usan relés de señal con contactos dorados.

Por ejemplo, una bomba de 220 V CA que consume 4 A (inductiva) se evalúa como 8 A sobre un contacto de 10 A: queda con margen. Una bomba de 12 V CC de 4 A se evalúa como 12 A contra los 10 A que soporta: ya no alcanza, hace falta un relé con mayor capacidad o un MOSFET (tema 27).

05 · Sin partes móviles

Relés de estado sólido

Un SSR de corriente alterna combina un LED con optoacoplador (el lado de comando) y un triac o dos tiristores (el lado de potencia), con una lógica de conmutación en el cruce por cero: espera a que la tensión de red pase por cero para encender, lo que reduce las interferencias. Se comanda con 3 a 32 V de CC y unos 10 mA, directo desde un pin con una resistencia. Un SSR de corriente continua usa MOSFET. Sus rasgos:

• Sin desgaste mecánico: millones de maniobras, sin rebotes ni ruido.
• Una caída de tensión en conducción: ~1,2 V en un SSR de CA con triac. Con 5 A son 6 W de calor, por lo que requiere disipador. Un EMR con contactos de 50 mΩ disipa en las mismas condiciones solo 1,25 W en contactos (más 0,35 W en la bobina).
• Corriente de fuga en estado apagado (unos pocos miliamperios): un SSR «apagado» no corta del todo, y puede mantener encendida una carga muy pequeña (un LED de neón, una lámpara de bajo consumo).
• Falla en cortocircuito: un SSR dañado suele quedar cerrado; un EMR suele quedar abierto o soldado. Para cargas peligrosas, esto importa (tema 44).
• Solo CA o solo CC: un SSR de CA no sirve con continua (el triac no se apaga) y viceversa.

La regla: un SSR para maniobras frecuentes (control de temperatura con ciclos de segundos, regulación por ciclos de red), un EMR para maniobras poco frecuentes o cargas pequeñas, sensibles al costo y con mejor aislación en estado abierto.

06 · Cargas de red

Cargas de red y seguridad

Desde el software también hay responsabilidades: el reposo debe ser el estado seguro, el programa no debe poder dejar un calefactor encendido si se cuelga (un watchdog que lleve las salidas al estado seguro, y un tiempo máximo de encendido), y debe haber un límite físico independiente del programa (un termostato de seguridad en serie con la resistencia, un fusible térmico). El software no es la única barrera.

07 · El programa manda

Vida útil y programa

Un EMR típico promete unas 100 000 maniobras con carga (más de 10 millones en vacío). Parece mucho hasta que se hace la cuenta. Un programa que enciende y apaga una estufa cada 10 s: 8640 maniobras por día, y en 11,6 días se agota la vida eléctrica. Una conmutación cada 5 minutos: 288 por día, casi un año. La frecuencia de maniobra la decide el programa, con tres herramientas de control todo o nada (tema 42):

• Histéresis: encender por debajo de consigna − h y apagar por encima de consigna + h. Sin ella, el ruido del sensor alrededor de la consigna hace conmutar el relé cientos de veces por minuto.
• Tiempo mínimo entre cambios: una vez que cambió de estado, no cambia otra vez hasta que pase un mínimo (por ejemplo 60 a 300 s). Protege contactos y, en un compresor, también el motor: no se debe volver a arrancar un compresor antes de unos 3 minutos.
• Contador de maniobras: registrar cuántas se hicieron para estimar la vida restante y avisar el cambio.

const float CONSIGNA = 22.0;
const float HISTERESIS = 0.5;                  // °C a cada lado
const uint32_t T_MIN_CAMBIO = 120000;          // ms entre maniobras

bool calefaccion = false;
uint32_t tUltimoCambio = 0;
uint32_t maniobras = 0;

void actualizarTermostato(float temperatura) {
    bool quiere = calefaccion;
    if (temperatura < CONSIGNA - HISTERESIS) quiere = true;
    else if (temperatura > CONSIGNA + HISTERESIS) quiere = false;

    uint32_t ahora = millis();
    if (quiere != calefaccion && ahora - tUltimoCambio >= T_MIN_CAMBIO) {
        calefaccion = quiere;
        tUltimoCambio = ahora;
        maniobras++;
        digitalWrite(PIN_RELE, calefaccion ? HIGH : LOW);
    }
}

El costo de estas protecciones es una temperatura que oscila más: un compromiso entre precisión y vida del relé que se ve en el laboratorio. Con un SSR el tiempo mínimo ya no protege contactos, pero sí evita ciclos excesivos de la carga.

08 · Elegir

Comparación y elección

Resumen: EMR para conmutar red o tensiones distintas con pocas maniobras; SSR para ciclos frecuentes en CA (calefactores); MOSFET para CC con PWM, sin necesidad de aislación.

09 · Analogía con programación

Un termostato durante un día

Simulemos 24 horas de una habitación con un calefactor controlado por un relé. El modelo es una habitación que pierde calor hacia los 15 °C del exterior y con la estufa encendida tendería a 35 °C, con una constante de tiempo de 30 minutos y un sensor con ±0,2 °C de ruido. Se compara una conmutación sin histéresis con distintas combinaciones de histéresis y tiempo mínimo, y se calcula en cuántos días se agotarían 100 000 maniobras.

T_AMB, K_ON, TAU = 15.0, 20.0, 1800.0     # exterior, ascenso con estufa, constante de tiempo (s)
CONSIGNA = 22.0
VIDA = 100_000                              # maniobras del relé


def simular(histeresis, t_min):
    s = 12345                               # generador pseudoaleatorio determinista (Park-Miller)
    temperatura, u, ultimo, cambios = 20.0, 0, -10 ** 9, 0
    minimo, maximo = 1e9, -1e9
    for t in range(86400):                  # un segundo por paso, 24 horas
        s = (s * 16807) % 2147483647
        medida = temperatura + (s / 2147483647 - 0.5) * 0.4     # sensor con ±0,2 °C de ruido
        if histeresis == 0:
            quiere = 1 if medida < CONSIGNA else 0
        elif medida < CONSIGNA - histeresis:
            quiere = 1
        elif medida > CONSIGNA + histeresis:
            quiere = 0
        else:
            quiere = u
        if quiere != u and t - ultimo >= t_min:
            u, ultimo = quiere, t
            cambios += 1
        temperatura += (T_AMB + K_ON * u - temperatura) / TAU
        if t >= 43200:                      # se mide el rizado en las últimas 12 h
            minimo, maximo = min(minimo, temperatura), max(maximo, temperatura)
    return cambios, minimo, maximo


print("histéresis  t mín (s)  maniobras/día  rango de temperatura  vida del relé")
for h, tm in ((0, 0), (0.5, 0), (0.5, 120), (1.0, 120), (0.5, 300)):
    cambios, mn, mx = simular(h, tm)
    print(f"{h:8.1f} °C  {tm:8d}  {cambios:13d}  {mn:5.2f} a {mx:5.2f} °C  {VIDA / cambios:8.1f} días")

# ---- Bobina de un relé de 5 V y 70 mA ----
print()
print(f"Resistencia de la bobina: {5 / 0.07:.1f} Ω; potencia: {5 * 0.07:.2f} W")
print(f"Una maniobra cada 10 s agota {VIDA} maniobras en {VIDA * 10 / 86400:.1f} días")

Resultado: sin histéresis el relé conmuta 39 798 veces por día (se agotarían las 100 000 maniobras en 2,5 días) y mantiene la temperatura entre 21,98 y 22,14 °C. Con ±0,5 °C bajan a 612 (163 días) y el rango pasa a 21,57–22,50 °C. Con ±0,5 °C y 120 s mínimos son 506 (198 días); con ±1 °C y 120 s, 256 (391 días) y 1,86 °C de oscilación; con ±0,5 °C y 300 s, 222 (451 días) pero 2,15 °C de oscilación. La bobina de 5 V y 70 mA tiene 71,4 Ω y 0,35 W; una maniobra cada 10 s agota la vida en 11,6 días.

10 · Exploración interactiva

Contactos, termostato y relé de estado sólido

El primer instrumento verifica si los contactos soportan una carga según su tipo y su tensión. El segundo es el termostato del programa de Python con controles de histéresis y tiempo mínimo. El tercero compara las pérdidas y la vida de un EMR y de un SSR. Los factores de carga y la capacidad en continua son una regla práctica ilustrativa, no de un modelo real.

Recorrido guiado

1. Con 220 V CA, carga inductiva y 4 A: efectiva 8 A contra 10 A, margen 1,25: pasa justo. Subí la corriente a 6 A: 12 A efectivos, el contacto no alcanza.
2. Cambiá a 12 V CC con la misma bomba de 4 A: el factor en continua es 3 y la efectiva 12 A: el relé de 10 A queda corto. Es el mismo contacto con distinta carga.
3. Probá 110 V CC: la capacidad del contacto cae a 0,4 A. En continua con tensión alta, un relé común deja de servir.
4. En el termostato, poné histéresis en 0 y tiempo mínimo en 0: miles de maniobras por día y una vida de pocos días, con una temperatura casi perfecta.
5. Subí la histéresis a ±0,5 °C: baja a unos centenares de maniobras y el rango a ~0,9 °C. Sumá 120 s de tiempo mínimo y seguí bajando. Con 300 s, la oscilación crece a más de 2 °C: la vida mejora a costa de la precisión.
6. Subí el ruido del sensor a ±1 °C con histéresis 0,5: el ruido supera la histéresis y vuelve a conmutar demasiado. Se filtra la medición (tema 5) antes de decidir.
7. En el instrumento 3, con 5 A y una maniobra por minuto: el EMR disipa 1,6 W y el SSR 6 W (necesita disipador); el EMR dura unos 69 días a ese ritmo. Bajá el período a 10 s: la vida cae a menos de 12 días y la recomendación cambia a SSR.

11 · Método de trabajo

Cómo integrar un relé

1. Definí la carga: tensión (CA o CC), corriente nominal, tipo (resistiva, inductiva, con arranque) y frecuencia de maniobra.
2. Elegí EMR o SSR con la tabla de comparación: aislación, tipo de corriente, maniobras por día.
3. Dimensioná el contacto con la corriente efectiva según el tipo de carga y con margen; en continua, mirá la curva de la hoja de datos.
4. Manejá la bobina con un transistor y un diodo de rueda libre, o con un módulo con optoacoplador (activo en bajo, JD-VCC con fuente aparte).
5. Elegí el estado de reposo seguro (NA o NC) y el valor inicial del pin antes de configurarlo.
6. Programá con histéresis, tiempo mínimo y contador de maniobras, y un tiempo máximo de encendido si la carga lo exige.
7. Protegé el contacto con snubber, varistor o diodo, y agregá una protección física independiente del software.
8. Probá sin la carga de red primero, con una lámpara de baja tensión, y escuchá el relé: si vibra o castañea, falta tensión en la bobina o hay rebotes en la señal.

Si el relé castañetea, buscá una alimentación que cae al accionar la bobina; si se reinicia el microcontrolador al conmutar, falta el diodo o hay que aislar la alimentación; si los contactos se pegan, la carga tiene un arranque fuerte; si el SSR calienta, falta el disipador.

12 · Comprensión

Confusiones frecuentes

13 · Práctica guiada

Predecí antes de comprobar

1. Bobina

Un relé de 12 V tiene una bobina de 400 Ω. ¿Qué corriente y qué potencia consume? ¿Sirve un pin directo?

2. Contactos

Una electroválvula de 24 V CC consume 3 A (inductiva, factor 3 en continua). ¿Alcanza un relé de 10 A?

3. Vida

Un relé promete 100 000 maniobras. ¿Cuánto dura si se maniobra cada 30 s? ¿Y cada 10 minutos?

4. Pérdidas del SSR

Un SSR de CA con caída de 1,2 V maneja 8 A. ¿Qué potencia disipa? Si el disipador tiene 5 °C/W, ¿cuánto sube su temperatura?

5. Histéresis

El sensor de un termostato tiene ±0,3 °C de ruido. ¿Por qué una histéresis de ±0,1 °C es insuficiente? ¿Qué elegirías?

6. NA o NC

Elegí el contacto de reposo para: (a) una estufa; (b) una cerradura que se libera sin corriente; (c) una alarma sonora que debe sonar si falla la alimentación del control.

14 · Síntesis

Ideas para recordar

¿Listo para el tema 29?

Antes de avanzar, calculá cuántos días dura un relé de 100 000 maniobras si conmuta cada 20 segundos, explicá por qué una carga inductiva en continua exige más al contacto que una resistiva en alterna y decidí si un calefactor de 2000 W en 220 V conmutado cada pocos segundos pide un EMR o un SSR. Si podés justificar las tres respuestas, ya sabés aplicar un relé.

En el próximo tema aplicamos lo visto a los solenoides y electroválvulas: fuerza, ciclo de trabajo, picos inductivos y control con MOSFET.