Un relé es un interruptor operado eléctricamente . Consiste en un conjunto de terminales de entrada para una o varias señales de control y un conjunto de terminales de contacto de operación. El interruptor puede tener cualquier número de contactos en múltiples formas de contacto , como contactos de cierre, contactos de interrupción o combinaciones de los mismos.
Los relés se utilizan cuando es necesario controlar un circuito mediante una señal independiente de baja potencia o cuando es necesario controlar varios circuitos mediante una sola señal. Los relés se utilizaron por primera vez en circuitos telegráficos de larga distancia como repetidores de señales: refrescan la señal que llega de un circuito transmitiéndola a otro circuito. Los relés se utilizaron ampliamente en las centrales telefónicas y en las primeras computadoras para realizar operaciones lógicas.
La forma electromecánica tradicional de un relé utiliza un electroimán para cerrar o abrir los contactos, pero también se han inventado relés que utilizan otros principios operativos, como los relés de estado sólido que utilizan propiedades de semiconductores para el control sin depender de piezas móviles . Los relés con características operativas calibradas y, a veces, múltiples bobinas operativas se utilizan para proteger los circuitos eléctricos de sobrecargas o fallas; en los sistemas de energía eléctrica modernos, estas funciones las realizan instrumentos digitales que todavía se denominan relés de protección o relés de seguridad .
Los relés de enclavamiento requieren solo un pulso de potencia de control para operar el interruptor de manera persistente. Otro pulso aplicado a un segundo conjunto de terminales de control, o un pulso con polaridad opuesta, restablece el interruptor, mientras que los pulsos repetidos del mismo tipo no tienen efectos. Los relés de enclavamiento magnético son útiles en aplicaciones en las que la energía interrumpida no debe afectar los circuitos que controla el relé.
Los relés eléctricos comenzaron a utilizarse en los telégrafos . Se suele citar al científico estadounidense Joseph Henry por haber inventado un relé en 1835 para mejorar su versión del telégrafo eléctrico , desarrollado anteriormente en 1831. [1] [2] [3] [4]
Sin embargo, no fue hasta 1840 cuando Samuel Morse obtuvo la patente oficial de su telégrafo, que hoy se denomina relé. El mecanismo descrito actuaba como un amplificador digital, repitiendo la señal telegráfica y permitiendo así que las señales se propagaran tan lejos como se deseara. [5]
La palabra relé aparece en el contexto de las operaciones electromagnéticas a partir de 1860. [6]
Un relé electromagnético simple consta de una bobina de alambre enrollada alrededor de un núcleo de hierro dulce (un solenoide), un yugo de hierro que proporciona una ruta de baja reluctancia para el flujo magnético, una armadura de hierro móvil y uno o más conjuntos de contactos (hay dos contactos en el relé de la imagen). La armadura está articulada al yugo y vinculada mecánicamente a uno o más conjuntos de contactos móviles. La armadura se mantiene en su lugar mediante un resorte de modo que cuando el relé se desenergiza hay un espacio de aire en el circuito magnético. En esta condición, uno de los dos conjuntos de contactos en el relé de la imagen está cerrado y el otro conjunto está abierto. Otros relés pueden tener más o menos conjuntos de contactos según su función. El relé de la imagen también tiene un cable que conecta la armadura al yugo. Esto asegura la continuidad del circuito entre los contactos móviles de la armadura y la pista del circuito en la placa de circuito impreso (PCB) a través del yugo , que está soldado a la PCB.
Cuando una corriente eléctrica pasa a través de la bobina, se genera un campo magnético que activa la armadura, y el movimiento consiguiente de los contactos móviles establece o interrumpe (según la construcción) una conexión con un contacto fijo. Si el conjunto de contactos estaba cerrado cuando se desactivó el relé, entonces el movimiento abre los contactos y rompe la conexión, y viceversa si los contactos estaban abiertos. Cuando se corta la corriente a la bobina, la armadura regresa a su posición relajada mediante una fuerza, aproximadamente la mitad de fuerte que la fuerza magnética. Por lo general, esta fuerza la proporciona un resorte, pero la gravedad también se usa comúnmente en los arrancadores de motores industriales. La mayoría de los relés se fabrican para funcionar rápidamente. En una aplicación de bajo voltaje, esto reduce el ruido; en una aplicación de alto voltaje o corriente, reduce la formación de arcos eléctricos.
Cuando la bobina se energiza con corriente continua , a menudo se coloca un diodo flyback o una resistencia amortiguadora a través de la bobina para disipar la energía del campo magnético colapsante ( fem trasera ) en la desactivación, que de lo contrario generaría un pico de voltaje peligroso para los componentes del circuito semiconductor . Dichos diodos no se usaban ampliamente antes de la aplicación de los transistores como controladores de relés, pero pronto se volvieron omnipresentes ya que los primeros transistores de germanio se destruían fácilmente por este aumento. Algunos relés automotrices incluyen un diodo dentro de la caja del relé. Las resistencias, aunque son más duraderas que los diodos, son menos eficientes para eliminar los picos de voltaje generados por los relés [7] y, por lo tanto, no se usan tan comúnmente.
Si el relé está impulsando una carga grande, o especialmente reactiva , puede haber un problema similar de sobrecorrientes alrededor de los contactos de salida del relé. En este caso, un circuito amortiguador (un condensador y una resistencia en serie) a través de los contactos puede absorber la sobretensión. Los condensadores con la capacidad adecuada y la resistencia asociada se venden como un componente empaquetado único para este uso común.
Si la bobina está diseñada para ser alimentada con corriente alterna (CA), se utiliza algún método para dividir el flujo en dos componentes desfasados que se suman, aumentando la tracción mínima en la armadura durante el ciclo de CA. Normalmente, esto se hace con un pequeño "anillo de sombreado" de cobre engarzado alrededor de una parte del núcleo que crea el componente desfasado y retardado [8], que mantiene los contactos durante los cruces por cero del voltaje de control. [9]
Los materiales de contacto para relés varían según la aplicación. Los materiales con baja resistencia de contacto pueden oxidarse con el aire o pueden tender a "pegarse" en lugar de separarse limpiamente al abrirse. El material de contacto puede optimizarse para una baja resistencia eléctrica, alta resistencia para soportar operaciones repetidas o alta capacidad para soportar el calor de un arco. Cuando se requiere una resistencia muy baja o se desean voltajes bajos inducidos térmicamente, se pueden utilizar contactos chapados en oro, junto con paladio y otros metales semipreciosos no oxidantes. Los contactos de plata o chapados en plata se utilizan para la conmutación de señales. Los relés humedecidos con mercurio establecen y desconectan circuitos utilizando una película delgada y autorrenovable de mercurio líquido. Para relés de mayor potencia que conmutan muchos amperios, como los contactores de circuitos de motor, los contactos se fabrican con una mezcla de plata y óxido de cadmio, lo que proporciona una baja resistencia de contacto y una alta resistencia al calor del arco eléctrico. Los contactos utilizados en circuitos que transportan decenas o cientos de amperios pueden incluir estructuras adicionales para la disipación de calor y la gestión del arco producido al interrumpir el circuito. [10] Algunos relés tienen contactos reemplazables en campo, como ciertos relés de máquinas herramienta; estos pueden reemplazarse cuando se desgastan o cambiarse entre estado normalmente abierto y normalmente cerrado, para permitir cambios en el circuito controlado. [11]
Dado que los relés son interruptores , la terminología aplicada a los interruptores también se aplica a los relés; un relé conmuta uno o más polos , cada uno de cuyos contactos puede activarse al energizar la bobina. Los contactos normalmente abiertos (NO) conectan el circuito cuando el relé está activado; el circuito se desconecta cuando el relé está inactivo. Los contactos normalmente cerrados (NC) desconectan el circuito cuando el relé está activado; el circuito se conecta cuando el relé está inactivo. Todas las formas de contacto implican combinaciones de conexiones NO y NC.
La Asociación Nacional de Fabricantes de Relés y su sucesora, la Asociación de la Industria de Relés e Interruptores, definen 23 formas de contacto eléctrico distintas que se encuentran en relés e interruptores. [12] De estas, las siguientes son las más comunes:
El indicador S ( simple ) o D ( doble ) para el número de polos se puede reemplazar por un número que indica múltiples contactos conectados a un solo actuador . Por ejemplo, 4PDT indica un relé de dos posiciones de cuatro polos que tiene 12 terminales de conmutación.
La norma EN 50005 se encuentra entre las normas aplicables para la numeración de terminales de relé; los terminales de un relé SPDT típico compatible con EN 50005 estarían numerados 11, 12, 14, A1 y A2 para las conexiones C, NC, NO y de bobina, respectivamente. [14]
La norma DIN 72552 define los números de contacto en los relés para uso en automoción:
Cuando los transmisores y receptores de radio comparten una antena, a menudo se utiliza un relé coaxial como relé TR (transmisión-recepción), que conmuta la antena del receptor al transmisor. Esto protege al receptor de la alta potencia del transmisor. Dichos relés se utilizan a menudo en transceptores que combinan transmisor y receptor en una unidad. Los contactos del relé están diseñados para no reflejar ninguna potencia de radiofrecuencia hacia la fuente y para proporcionar un aislamiento muy alto entre los terminales del receptor y del transmisor. La impedancia característica del relé se adapta a la impedancia de la línea de transmisión del sistema, por ejemplo, 50 ohmios. [15]
Un contactor es un relé de alta resistencia con valores nominales de corriente más altos, [16] utilizado para conmutar motores eléctricos y cargas de iluminación. Los valores nominales de corriente continua para contactores comunes varían de 10 amperios a varios cientos de amperios. Los contactos de alta corriente están hechos con aleaciones que contienen plata . La formación de arcos inevitable hace que los contactos se oxiden; sin embargo, el óxido de plata sigue siendo un buen conductor. [17] Los contactores con dispositivos de protección contra sobrecarga se utilizan a menudo para arrancar motores. [18]
Un relé de contactos guiados por fuerza tiene contactos de relé que están unidos mecánicamente entre sí, de modo que cuando la bobina del relé se activa o desactiva, todos los contactos vinculados se mueven juntos. Si un conjunto de contactos del relé se inmoviliza, ningún otro contacto del mismo relé podrá moverse. La función de los contactos guiados por fuerza es permitir que el circuito de seguridad verifique el estado del relé. Los contactos guiados por fuerza también se conocen como "contactos guiados por fuerza", "contactos cautivos", "contactos bloqueados", "contactos vinculados mecánicamente" o "relés de seguridad".
Estos relés de seguridad deben cumplir las normas de diseño y fabricación que se definen en la norma principal de maquinaria EN 50205: Relés con contactos guiados a la fuerza (vinculados mecánicamente). Estas reglas para el diseño de seguridad son las definidas en las normas de tipo B como EN 13849-2 como Principios básicos de seguridad y Principios de seguridad probados para maquinaria que se aplican a todas las máquinas.
Los contactos guiados por fuerza por sí solos no pueden garantizar que todos los contactos estén en el mismo estado, sin embargo, sí garantizan, a menos que se produzca una falla mecánica grave, que ningún contacto esté en estados opuestos. De lo contrario, un relé con varios contactos normalmente abiertos (NO) puede quedarse atascado cuando se energiza, con algunos contactos cerrados y otros todavía ligeramente abiertos, debido a las tolerancias mecánicas. De manera similar, un relé con varios contactos normalmente cerrados (NC) puede quedarse atascado en la posición no energizada, de modo que cuando se energiza, el circuito a través de un conjunto de contactos se interrumpe, con un espacio marginal, mientras que el otro permanece cerrado. Al introducir contactos tanto NA como NC, o más comúnmente, contactos de conmutación, en el mismo relé, se hace posible garantizar que si algún contacto NC está cerrado, todos los contactos NA están abiertos y, a la inversa, si algún contacto NA está cerrado, todos los contactos NC están abiertos. No es posible garantizar de manera confiable que un contacto en particular esté cerrado, excepto mediante una detección potencialmente intrusiva y que degrade la seguridad de las condiciones de su circuito; sin embargo, en los sistemas de seguridad, generalmente el estado NO es el más importante y, como se explicó anteriormente, esto se puede verificar de manera confiable detectando el cierre de un contacto de sentido opuesto.
Los relés de contacto guiados por fuerza se fabrican con diferentes conjuntos de contactos principales, ya sea NA, NC o de conmutación, y uno o más conjuntos de contactos auxiliares, a menudo de capacidad nominal de corriente o voltaje reducida, utilizados para el sistema de monitoreo. Los contactos pueden ser todos NA, todos NC, de conmutación o una combinación de estos, para los contactos de monitoreo, de modo que el diseñador del sistema de seguridad pueda seleccionar la configuración correcta para la aplicación particular. Los relés de seguridad se utilizan como parte de un sistema de seguridad diseñado.
Un relé de enclavamiento, también llamado relé de impulso , biestable , de retención o de permanencia , o simplemente de enclavamiento , mantiene cualquiera de las posiciones de contacto indefinidamente sin que se aplique energía a la bobina. La ventaja es que una bobina consume energía solo por un instante mientras se activa el relé, y los contactos del relé mantienen esta configuración durante un corte de energía. Un relé de enclavamiento permite el control remoto de la iluminación del edificio sin el zumbido que puede producirse a partir de una bobina energizada continuamente (CA).
En un mecanismo, dos bobinas opuestas con un resorte sobre el centro o un imán permanente mantienen los contactos en su posición después de que la bobina se desenergiza. Un pulso a una bobina activa el relé y un pulso a la bobina opuesta lo desactiva. Este tipo se usa ampliamente cuando el control se realiza a partir de interruptores simples o salidas de un solo extremo de un sistema de control, y dichos relés se encuentran en aviónica y numerosas aplicaciones industriales.
Otro tipo de enclavamiento tiene un núcleo remanente que retiene los contactos en la posición operada por el magnetismo remanente en el núcleo. Este tipo requiere un pulso de corriente de polaridad opuesta para liberar los contactos. Una variación utiliza un imán permanente que produce parte de la fuerza necesaria para cerrar el contacto; la bobina proporciona suficiente fuerza para abrir o cerrar el contacto ayudando u oponiéndose al campo del imán permanente. [19] Un relé controlado por polaridad necesita interruptores de conmutación o un circuito de control de puente en H para controlarlo. El relé puede ser menos costoso que otros tipos, pero esto se compensa en parte con el aumento de los costos en el circuito externo.
En otro tipo, un relé de trinquete tiene un mecanismo de trinquete que mantiene los contactos cerrados después de que la bobina se activa momentáneamente. Un segundo impulso, en la misma bobina o en una separada, libera los contactos. [19] Este tipo se puede encontrar en ciertos automóviles, para la iluminación de cruce de los faros y otras funciones donde se necesita una operación alternada en cada activación del interruptor.
Un relé escalonado es un tipo especializado de relé de enclavamiento multidireccional diseñado para las primeras centrales telefónicas automáticas .
Un disyuntor de fuga a tierra incluye un relé de enclavamiento especializado.
Las primeras computadoras a menudo almacenaban bits en un relé con enclavamiento magnético, como el Ferreed o el posterior Remreed en el conmutador 1ESS .
Algunas de las primeras computadoras usaban relés comunes como una especie de pestillo : almacenaban bits en relés de resorte de alambre comunes o relés de lengüeta al realimentar un cable de salida como entrada, lo que daba como resultado un bucle de retroalimentación o circuito secuencial . Un relé de enclavamiento eléctrico de este tipo requiere energía continua para mantener el estado, a diferencia de los relés de enclavamiento magnético o los relés de trinquete mecánico. Si bien los circuitos de (auto)retención a menudo se realizan con relés, también se pueden implementar por otros medios.
En las memorias de computadora, los relés de enclavamiento y otros relés fueron reemplazados por memoria de línea de retardo , que a su vez fue reemplazada por una serie de tecnologías de memoria cada vez más rápidas y cada vez más pequeñas.
Un relé de máquina herramienta es un tipo estandarizado para el control industrial de máquinas herramienta , máquinas de transferencia y otros controles secuenciales. Se caracterizan por una gran cantidad de contactos (a veces ampliables en el campo) que se convierten fácilmente de estado normalmente abierto a normalmente cerrado, bobinas fácilmente reemplazables y un factor de forma que permite instalar de forma compacta muchos relés en un panel de control. Aunque estos relés alguna vez fueron la columna vertebral de la automatización en industrias como el ensamblaje de automóviles, el controlador lógico programable (PLC) desplazó en gran medida al relé de máquina herramienta de las aplicaciones de control secuencial.
Un relé permite que los circuitos sean conmutados por equipos eléctricos: por ejemplo, un circuito temporizador con un relé podría conmutar la energía en un tiempo preestablecido. Durante muchos años, los relés fueron el método estándar para controlar los sistemas electrónicos industriales. Se podían usar varios relés juntos para llevar a cabo funciones complejas ( lógica de relé ). El principio de la lógica de relé se basa en relés que activan y desactivan los contactos asociados. La lógica de relé es el predecesor de la lógica de escalera , que se usa comúnmente en los controladores lógicos programables .
Un relé de mercurio es un relé que utiliza mercurio como elemento de conmutación. Se utilizan en casos en los que la erosión de los contactos sería un problema para los contactos de relés convencionales. Debido a consideraciones medioambientales sobre la cantidad significativa de mercurio utilizado y las alternativas modernas, ahora son relativamente poco comunes.
Un relé de láminas humedecido con mercurio es una forma de relé de láminas que emplea un interruptor de mercurio , en el que los contactos están humedecidos con mercurio . El mercurio reduce la resistencia de contacto y mitiga la caída de voltaje asociada. La contaminación de la superficie puede resultar en una mala conductividad para señales de baja corriente. Para aplicaciones de alta velocidad, el mercurio elimina el rebote de contacto y proporciona un cierre de circuito prácticamente instantáneo. Los relés humedecidos con mercurio son sensibles a la posición y deben montarse de acuerdo con las especificaciones del fabricante. Debido a la toxicidad y el costo del mercurio líquido, estos relés han caído cada vez más en desuso.
La alta velocidad de acción de conmutación del relé humedecido con mercurio es una ventaja notable. Los glóbulos de mercurio en cada contacto se fusionan , y el tiempo de subida de corriente a través de los contactos generalmente se considera que es de unos pocos picosegundos. [ cita requerida ] Sin embargo, en un circuito práctico puede estar limitado por la inductancia de los contactos y el cableado. Era bastante común, antes de las restricciones en el uso de mercurio, utilizar un relé humedecido con mercurio en el laboratorio como un medio conveniente para generar pulsos de tiempo de subida rápido, sin embargo, aunque el tiempo de subida puede ser de picosegundos, la sincronización exacta del evento está, como todos los demás tipos de relé, sujeta a una considerable fluctuación, posiblemente de milisegundos, debido a variaciones mecánicas.
El mismo proceso de coalescencia provoca otro efecto, que es molesto en algunas aplicaciones. La resistencia de contacto no es estable inmediatamente después del cierre del contacto y se desplaza, en su mayoría hacia abajo, durante varios segundos después del cierre; el cambio puede ser de 0,5 ohmios. [ cita requerida ]
Los relés multitensión son dispositivos diseñados para trabajar en amplios rangos de tensión como 24 a 240 VCA y VCC y amplios rangos de frecuencia como 0 a 300 Hz. Están indicados para su uso en instalaciones que no cuentan con tensiones de alimentación estables.
Los motores eléctricos necesitan protección contra sobrecorriente para evitar daños por sobrecarga del motor, o para protegerse contra cortocircuitos en los cables de conexión o fallas internas en los devanados del motor. [20] Los dispositivos de detección de sobrecarga son una forma de relé operado por calor donde una bobina calienta una tira bimetálica , o donde se derrite un crisol de soldadura, para operar contactos auxiliares. Estos contactos auxiliares están en serie con la bobina del contactor del motor, por lo que apagan el motor cuando se sobrecalienta. [21]
Esta protección térmica funciona de forma relativamente lenta, lo que permite que el motor consuma corrientes de arranque más altas antes de que se dispare el relé de protección. Cuando el relé de sobrecarga está expuesto a la misma temperatura ambiente que el motor, se proporciona una compensación útil, aunque rudimentaria, de la temperatura ambiente del motor. [22]
El otro sistema de protección de sobrecarga común utiliza una bobina electromagnética en serie con el circuito del motor que opera directamente los contactos. Esto es similar a un relé de control, pero requiere una corriente de falla bastante alta para operar los contactos. Para evitar que los picos de sobrecorriente cortos provoquen disparos molestos, el movimiento de la armadura se amortigua con un amortiguador . Las detecciones de sobrecarga térmica y magnética generalmente se usan juntas en un relé de protección del motor. [ cita requerida ]
Los relés electrónicos de protección contra sobrecargas miden la corriente del motor y pueden estimar la temperatura del devanado del motor utilizando un "modelo térmico" del sistema de armadura del motor que se puede configurar para brindar una protección más precisa del motor. Algunos relés de protección del motor incluyen entradas de detector de temperatura para la medición directa desde un termopar o un sensor de termómetro de resistencia integrado en el devanado. [23]
Un relé polarizado coloca la armadura entre los polos de un imán permanente para aumentar la sensibilidad. Los relés polarizados se utilizaban en las centrales telefónicas de mediados del siglo XX para detectar pulsos débiles y corregir distorsiones telegráficas .
Un relé de láminas es un interruptor de láminas encerrado en un solenoide. El interruptor tiene un conjunto de contactos dentro de un tubo de vidrio vacío o lleno de gas inerte que protege los contactos contra la corrosión atmosférica ; los contactos están hechos de material magnético que los hace moverse bajo la influencia del campo del solenoide que lo encierra o de un imán externo.
Los relés de láminas pueden conmutar más rápido que los relés más grandes y requieren muy poca energía del circuito de control. Sin embargo, tienen valores nominales de corriente y voltaje de conmutación relativamente bajos. Aunque es poco común, las láminas pueden magnetizarse con el tiempo, lo que hace que se queden "encendidas", incluso cuando no hay corriente presente; cambiar la orientación de las láminas o desmagnetizar el interruptor con respecto al campo magnético del solenoide puede resolver este problema.
Los contactos sellados con contactos humedecidos con mercurio tienen vidas operativas más largas y menos vibraciones de contacto que cualquier otro tipo de relé. [24]
Los relés de seguridad son dispositivos que, en general, implementan funciones de protección. En caso de peligro, la función de seguridad consiste en aplicar medidas adecuadas para reducir el riesgo existente a un nivel aceptable. [25]
Un contactor de estado sólido es un relé de estado sólido de alta resistencia, que incluye el disipador de calor necesario, que se utiliza donde se requieren ciclos frecuentes de encendido y apagado, como con calentadores eléctricos, motores eléctricos pequeños y cargas de iluminación. No hay piezas móviles que se desgasten y no hay rebote de contacto debido a la vibración. Se activan mediante señales de control de CA o señales de control de CC de controladores lógicos programables (PLC), PC, fuentes de lógica transistor-transistor (TTL) u otros controles de microprocesador y microcontrolador.
Un relé de estado sólido (SSR) es un componente electrónico de estado sólido que proporciona una función similar a un relé electromecánico pero no tiene ningún componente móvil, lo que aumenta la confiabilidad a largo plazo. Un relé de estado sólido utiliza un tiristor , TRIAC u otro dispositivo de conmutación de estado sólido, activado por la señal de control, para conmutar la carga controlada, en lugar de un solenoide. Se puede utilizar un optoacoplador (un diodo emisor de luz (LED) acoplado a un fototransistor ) para aislar los circuitos de control y controlados. [26]
Un relé estático consta de circuitos electrónicos para emular todas las características que se logran mediante partes móviles en un relé electromagnético.
Los relés temporizadores se configuran para un retraso intencional en el funcionamiento de sus contactos. Un retraso muy corto (una fracción de segundo) utilizaría un disco de cobre entre la armadura y el conjunto de cuchillas móviles. La corriente que fluye en el disco mantiene un campo magnético durante un corto tiempo, alargando el tiempo de liberación. Para un retraso ligeramente más largo (hasta un minuto), se utiliza un amortiguador. Un amortiguador es un pistón lleno de fluido que se deja escapar lentamente; se utilizan amortiguadores tanto llenos de aire como llenos de aceite. El período de tiempo se puede variar aumentando o disminuyendo el caudal. Para períodos de tiempo más largos, se instala un temporizador mecánico. Los relés se pueden configurar para un período de tiempo fijo, o pueden ser ajustables en campo, o configurarse de forma remota desde un panel de control. Los relés temporizadores modernos basados en microprocesadores proporcionan una sincronización precisa en un amplio rango.
Algunos relés están construidos con una especie de mecanismo de "amortiguador" unido a la armadura, que evita el movimiento completo e inmediato cuando la bobina está activada o desactivada. Esta adición le otorga al relé la propiedad de actuación con retardo de tiempo. Los relés con retardo de tiempo se pueden construir para retrasar el movimiento de la armadura cuando se activa o desactiva la bobina, o cuando ambas cosas se activan.
Los contactos de los relés de retardo de tiempo deben especificarse no solo como normalmente abiertos o normalmente cerrados, sino también si el retardo funciona en la dirección de cierre o en la dirección de apertura. A continuación se presenta una descripción de los cuatro tipos básicos de contactos de relés de retardo de tiempo.
En primer lugar, tenemos el contacto normalmente abierto, cerrado temporizado (NOTC). Este tipo de contacto está normalmente abierto cuando la bobina no está alimentada (desenergizada). El contacto se cierra mediante la aplicación de energía a la bobina del relé, pero solo después de que la bobina haya estado alimentada continuamente durante la cantidad de tiempo especificada. En otras palabras, la dirección del movimiento del contacto (ya sea para cerrar o para abrir) es idéntica a un contacto NO normal, pero hay un retraso en la dirección de cierre. Debido a que el retraso ocurre en la dirección de la energización de la bobina, este tipo de contacto también se conoce como contacto normalmente abierto, con retraso de encendido.
Un relé de vacío es un relé sensible que tiene sus contactos montados en una carcasa de vidrio evacuado, para permitir el manejo de voltajes de radiofrecuencia [ aclaración necesaria ] de hasta 20.000 voltios sin descargas disruptivas entre contactos, aun cuando el espaciado de los contactos es tan bajo como unas pocas centésimas de pulgada cuando está abierto.
Los relés se utilizan siempre que sea necesario controlar un circuito de alta potencia o alta tensión con un circuito de baja potencia, especialmente cuando se desea el aislamiento galvánico . La primera aplicación de los relés fue en las líneas telegráficas largas , donde la señal débil recibida en una estación intermedia podía controlar un contacto, regenerando la señal para una transmisión posterior. Los dispositivos de alta tensión o alta corriente se pueden controlar con pequeños cables de baja tensión e interruptores piloto. Los operadores se pueden aislar del circuito de alta tensión. Los dispositivos de baja potencia, como los microprocesadores, pueden accionar relés para controlar cargas eléctricas más allá de su capacidad de accionamiento directo. En un automóvil, un relé de arranque permite controlar la alta corriente del motor de arranque con pequeños cables y contactos en la llave de encendido.
Los sistemas de conmutación electromecánicos, incluidas las centrales telefónicas Strowger y de barras cruzadas , hicieron un uso extensivo de relés en circuitos de control auxiliares. La Relay Automatic Telephone Company también fabricó centrales telefónicas basadas únicamente en técnicas de conmutación por relé diseñadas por Gotthilf Ansgarius Betulander. La primera central telefónica pública basada en relés del Reino Unido se instaló en Fleetwood el 15 de julio de 1922 y permaneció en servicio hasta 1959. [27] [28]
El uso de relés para el control lógico de sistemas de conmutación complejos como las centrales telefónicas fue estudiado por Claude Shannon , quien formalizó la aplicación del álgebra de Boole al diseño de circuitos de relés en Un análisis simbólico de relés y circuitos de conmutación . Los relés pueden realizar las operaciones básicas de la lógica combinatoria booleana. Por ejemplo, la función booleana AND se realiza conectando contactos de relé normalmente abiertos en serie, la función OR conectando contactos normalmente abiertos en paralelo. La inversión de una entrada lógica se puede realizar con un contacto normalmente cerrado. Los relés se utilizaron para el control de sistemas automatizados para máquinas herramienta y líneas de producción. El lenguaje de programación Ladder se utiliza a menudo para diseñar redes lógicas de relés .
Las primeras computadoras electromecánicas, como ARRA , Harvard Mark II , Zuse Z2 y Zuse Z3, utilizaban relés para la lógica y los registros de trabajo. Sin embargo, los dispositivos electrónicos demostraron ser más rápidos y fáciles de usar.
Los relés son mucho más resistentes que los semiconductores a la radiación nuclear, por lo que se utilizan ampliamente en lógicas críticas para la seguridad, como los paneles de control de maquinaria de manipulación de residuos radiactivos. Los relés de protección electromecánicos se utilizan para detectar sobrecargas y otras fallas en líneas eléctricas abriendo y cerrando disyuntores .
Para la protección de aparatos eléctricos y líneas de transmisión, se utilizaban relés electromecánicos con características de funcionamiento precisas para detectar sobrecargas, cortocircuitos y otras fallas. Si bien muchos de estos relés siguen utilizándose, los relés de protección digitales ahora brindan funciones de protección equivalentes y más complejas.
Los relés de señalización ferroviaria son de gran tamaño, teniendo en cuenta que conmutan voltajes (menos de 120 V) y corrientes (quizás 100 mA) generalmente bajos. Los contactos están muy espaciados para evitar descargas disruptivas y cortocircuitos durante una vida útil que puede superar los cincuenta años.
Dado que los circuitos de señales ferroviarias deben ser altamente confiables, se utilizan técnicas especiales para detectar y prevenir fallas en el sistema de relés. Para protegerse contra alimentaciones falsas, a menudo se utilizan contactos de relé de conmutación doble tanto en el lado positivo como en el negativo de un circuito, de modo que se necesitan dos alimentaciones falsas para provocar una señal falsa. No todos los circuitos de relés se pueden probar, por lo que se depende de características de construcción como contactos de carbono a plata para resistir la soldadura de contacto inducida por rayos y para proporcionar inmunidad a la CA.
Los optoaisladores también se utilizan en algunos casos en la señalización ferroviaria, especialmente cuando solo se debe conmutar un único contacto.
La selección de un relé apropiado para una aplicación particular requiere la evaluación de muchos factores diferentes:
Hay muchas consideraciones involucradas en la selección correcta de un relé de control para una aplicación particular, incluyendo factores como la velocidad de operación, sensibilidad e histéresis . Aunque los relés de control típicos operan en el rango de 5 ms a 20 ms, hay relés con velocidades de conmutación tan rápidas como 100 μs . Los relés de lengüeta que se activan con corrientes bajas y conmutan rápidamente son adecuados para controlar corrientes pequeñas.
Al igual que con cualquier interruptor, la corriente de contacto (no relacionada con la corriente de la bobina) no debe superar un valor determinado para evitar daños. En circuitos de alta inductancia , como los motores , se deben abordar otras cuestiones. Cuando se conecta una inductancia a una fuente de alimentación, existe una corriente de sobretensión de entrada o una corriente de arranque del motor eléctrico mayor que la corriente de estado estable. Cuando se interrumpe el circuito, la corriente no puede cambiar instantáneamente, lo que crea un arco potencialmente dañino a través de los contactos de separación.
En consecuencia, para los relés utilizados para controlar cargas inductivas, debemos especificar la corriente máxima que puede fluir a través de los contactos del relé cuando se activa, el valor nominal de cierre ; el valor nominal continuo; y el valor nominal de corte . El valor nominal de cierre puede ser varias veces mayor que el valor nominal continuo, que es mayor que el valor nominal de corte.
La conmutación mientras está "húmedo" (bajo carga) provoca la formación de un arco eléctrico no deseado entre los contactos, lo que eventualmente lleva a que los contactos se suelden y se cierren o a que fallen debido a una acumulación de daño en la superficie causado por la energía destructiva del arco. [29]
Dentro del interruptor de barra transversal del Sistema de Conmutación Electrónica Número Uno (1ESS) y algunos otros diseños de alta confiabilidad, los interruptores de láminas siempre se conmutan "en seco" (sin carga) para evitar ese problema, lo que conduce a una vida útil de los contactos mucho más larga. [30]
Sin una protección de contacto adecuada , la aparición de arcos eléctricos provoca una degradación significativa de los contactos, que sufren daños significativos y visibles. Cada vez que los contactos del relé se abren o se cierran bajo carga, puede producirse un arco eléctrico entre los contactos del relé, ya sea un arco de ruptura (al abrir) o un arco de cierre / rebote (al cerrar). En muchas situaciones, el arco de ruptura es más energético y, por lo tanto, más destructivo, en particular con cargas inductivas, pero esto se puede mitigar puenteando los contactos con un circuito amortiguador . La corriente de entrada de las lámparas incandescentes de filamento de tungsteno suele ser diez veces la corriente de funcionamiento normal. Por lo tanto, los relés diseñados para cargas de tungsteno pueden utilizar una composición de contacto especial, o el relé puede tener valores nominales de contacto más bajos para cargas de tungsteno que para cargas puramente resistivas.
Un arco eléctrico a través de los contactos del relé puede ser muy caliente (miles de grados Fahrenheit), lo que hace que el metal de las superficies de contacto se derrita, se acumule y migre con la corriente. La temperatura extremadamente alta del arco divide las moléculas de gas circundantes, creando ozono , monóxido de carbono y otros compuestos. Con el tiempo, la energía del arco destruye lentamente el metal del contacto, lo que hace que algo de material se escape al aire en forma de partículas finas. Esta acción hace que el material de los contactos se degrade y se coordine, lo que da como resultado una falla del dispositivo. Esta degradación del contacto limita drásticamente la vida útil general de un relé a un rango de aproximadamente 10 000 a 100 000 operaciones, un nivel muy por debajo de la vida mecánica del dispositivo, que puede superar los 20 millones de operaciones. [31]
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