RELÉS DE ESTADO SÓLIDO DE UNA FASE

Curso gratuito sobre: Relés de estado sólido de una fase.

Parte 1: Tipos de relés de estado sólido de una fase

Existen diferentes tipos de relés de estado sólido. Algunos de los más comunes son:



  1. Zero-switching SSR (ZS)

El Zero-switching SSR, también conocido como “Conexión de paso por cero”, es un tipo común de relé de estado sólido utilizado en aplicaciones industriales. 

Funcionamiento:

  • El ZS se activa cuando la señal alterna (AC) pasa por el cruce por cero. Esto significa que el voltaje de salida se activa en el momento exacto en que la forma de onda de la señal alterna cambia de positiva a negativa o viceversa.
  • Al sincronizar la activación con el cruce por cero, se minimiza el ruido eléctrico y la interferencia en el sistema. Esto es especialmente importante en aplicaciones sensibles o donde se requiere una conmutación precisa.

Ventajas:

  • Reducción de ruido: Al activarse en el cruce por cero, el ZS evita transitorios bruscos y reduce el ruido electromagnético.
  • Mayor vida útil: La conmutación suave prolonga la vida útil del relé y reduce el desgaste.
  • Menor interferencia: Al evitar conmutaciones abruptas, se minimiza la interferencia en otros componentes del circuito.

Aplicaciones:

  • Control de carga resistiva (por ejemplo, calentadores, lámparas).
  • Control de motores de corriente alterna.
  • Sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC).
  • Equipos de iluminación y electrodomésticos.

Consideraciones:

  • El ZS no es adecuado para cargas inductivas o capacitivas, ya que puede causar problemas de conmutación.
  • La elección del SSR adecuado debe basarse en la corriente, la tensión y la aplicación específica.

2.     Instant ON SSR / IO (Conexión instantánea)

El Relé de Estado Sólido (SSR), también conocido como Solid State Relay, es un dispositivo electrónico que funciona de manera similar al relé electromecánico tradicional, pero sin partes móviles. A diferencia de los relés convencionales, que utilizan armaduras y contactos para cambiar de estado, los SSR emplean semiconductores para lograr la misma función.

Características y ventajas del SSR:

  • Baja corriente de entrada: Los SSR requieren una corriente de entrada en el rango de miliamperios, lo que los hace más eficientes en comparación con los relés electromecánicos.
  • Mayor tiempo de vida: Debido a la ausencia de partes móviles, los SSR tienen una vida útil más prolongada y un menor desgaste.
  • Ausencia de saltos de corriente: Los contactos de los relés electromecánicos pueden generar saltos de corriente al cambiar de estado. En los SSR, este problema no existe debido a su diseño basado en semiconductores.
  • Activación instantánea: Este tipo de SSR aplica el voltaje a la carga en el mismo instante en que se aplica la señal de control. Además, se mantiene activado hasta el siguiente cruce por cero después de que la señal de control desaparece. Esto permite un control más preciso y rápido en aplicaciones específicas.

En resumen, los SSR ofrecen ventajas como mayor durabilidad, menor consumo de energía y una respuesta más rápida en comparación con los relés electromecánicos tradicionales. 

3.    Peak Switching SSR / PS (conexión a pico de tensión)

El Peak Switching SSR (Relé de Estado Sólido con Conexión a Pico de Tensión) es un dispositivo que aplica el voltaje a la carga en el primer pico de voltaje que alimenta la misma, después de que se aplica la señal de control. A continuación, te proporciono más detalles sobre este tipo de SSR:

  • Funcionamiento: Cuando se activa la señal de control en los terminales de entrada, el SSR aplica el voltaje a la carga en el primer pico de la señal de alimentación. Luego, se mantiene activado hasta el siguiente cruce por cero después de que la señal de control desaparece.
  • Ventajas:
    • Precisión: El Peak Switching SSR permite un control más preciso al aplicar el voltaje en el momento óptimo durante el ciclo de la señal de alimentación.
    • Reducción de corriente de inrush: Al activarse en el primer pico de tensión, ayuda a limitar la corriente inicial (corriente de inrush) que fluye hacia la carga.

Este tipo de relé es especialmente útil en aplicaciones donde se requiere una respuesta rápida y precisa. Por ejemplo, en sistemas de control de temperatura, iluminación o motores eléctricos.

4.    Analog Switching SSR / AS (Conexión analógica)

El Relé de Estado Sólido (SSR) con Conexión Analógica (AS) es un dispositivo electrónico que ofrece una forma de conmutación más precisa y proporcional en comparación con los relés de estado sólido que funcionan mediante conmutación digital. A continuación, se proporcionan más detalles sobre este tipo de SSR:

  • Funcionamiento: El SSR con conexión analógica tiene internamente un circuito sincronizador que ejerce control de fase o ángulo. Esto permite que la salida del SSR sea proporcional al voltaje o la corriente de entrada. En otras palabras, el SSR ajusta su estado de conducción en función de la señal analógica aplicada.
  • Ventajas:
    • Precisión proporcional: El SSR con conexión analógica es ideal para aplicaciones donde se requiere una respuesta proporcional y precisa. Por ejemplo, en sistemas de control de temperatura, iluminación o motores eléctricos.
    • Arranque suave (Soft Starting): Este tipo de SSR es útil para arrancar cargas con voltajes bajos de manera gradual, evitando picos de corriente inicial (corriente de inrush).
    • Limitación de corriente inicial: El SSR con conexión analógica también ayuda a limitar la corriente inicial que fluye hacia la carga al encenderla.

En resumen, el SSR con conexión analógica es versátil y se adapta bien a aplicaciones donde se necesita una respuesta proporcional y controlada

Parte 2: Características de los relés de estado sólido de una fase

1. Los relés de estado sólido tienen varias características eléctricas, mecánicas y termodinámicas:

Los relés de estado sólido (SSR) son dispositivos electrónicos que controlan el flujo de corriente eléctrica sin utilizar partes móviles.

Características SSR:

  • Independencia entre circuitos: Una de las principales características de un relé de estado sólido es que no existe ningún punto de conexión o interferencia entre la corriente del circuito de control y la corriente del circuito de potencia. Esto es fundamental para mantener separados los dos circuitos. Por ejemplo, los terminales de control pueden trabajar con una tensión de 24 voltios en corriente continua, mientras que los terminales de potencia pueden manejar una tensión de 230 voltios en corriente alterna1.
  • Baja corriente de entrada: Los SSR requieren una corriente de entrada muy baja, del orden de los miliamperios. Esto es ventajoso en términos de eficiencia energética.
  • Mayor tiempo de vida: Al no tener partes mecánicas, los SSR no sufren deterioro interno, lo que garantiza una vida útil más prolongada en comparación con los relés electromecánicos.
  • Silenciosos y compactos: Los SSR no generan ruido acústico ni rebotes eléctricos, lo que los hace ideales para aplicaciones sensibles al ruido.
  • Rapidez: Los SSR suelen ser más rápidos que los relés mecánicos debido a la ausencia de partes móviles. No hay rebote de contacto y el tiempo de liberación es considerablemente menor.

En resumen, los relés de estado sólido ofrecen una conmutación rápida, eficiente y confiable, y son especialmente útiles en aplicaciones donde se requiere un alto grado de aislamiento galvánico y durabilidad

2. Mecánicas: A diferencia de los relés electromecánicos, los relés de estado sólido no tienen partes móviles, lo que resulta en un menor desgaste y una mayor vida útil.

Relés electromecánicos:

Relés de estado sólido:


  • Sin partes móviles: Los SSR no tienen componentes mecánicos que se desgasten con el tiempo. Esto significa que no hay contactos que se desgasten o se peguen, lo que aumenta su vida útil.
  • Rapidez de conmutación: Los SSR pueden cambiar de estado (encendido/apagado) mucho más rápido que los relés electromecánicos. Esto es útil en aplicaciones donde se requiere una respuesta rápida.
  • Silenciosos: Al no tener partes móviles, los SSR no generan ruido mecánico durante la conmutación. Esto es especialmente importante en aplicaciones sensibles al ruido.
  • Sin chispa: A diferencia de los relés electromecánicos, los SSR no generan chispas al conmutar. Esto es beneficioso en aplicaciones donde se manejan cargas inductivas o en entornos explosivos.
  • Aislamiento galvánico: Los SSR proporcionan un alto nivel de aislamiento eléctrico entre la entrada de control y la carga de salida. Esto ayuda a prevenir daños a otros componentes del circuito.
  • Durabilidad: Debido a su diseño sin partes móviles, los SSR son más resistentes a las vibraciones y condiciones ambientales adversas.
  • Compatibilidad con microcontroladores y lógica digital: Los SSR se pueden controlar directamente desde señales de baja potencia, como las generadas por microcontroladores o circuitos lógicos digitales.
  • Larga vida útil: En general, los SSR tienen una vida útil más larga que los relés electromecánicos

3. Termodinámicas: Los relés de estado sólido pueden emitir calor debido a la resistencia, lo que significa pérdidas.

Disipación de calor: Los SSR, al igual que cualquier componente electrónico, pueden generar calor debido a la resistencia eléctrica en su interior. Esta disipación de calor es una consideración importante en el diseño de aplicaciones que utilizan SSR. Algunos puntos clave:

  • Pérdidas por resistencia: Cuando un SSR está activado (conduciendo corriente), hay una caída de voltaje a través de él debido a su resistencia interna. Esta resistencia genera calor. Cuanto mayor sea la corriente que fluye a través del SSR, mayor será la disipación de calor.
  • Disipador de calor: En aplicaciones de alta corriente, se recomienda utilizar disipadores de calor para mantener la temperatura del SSR dentro de límites seguros. Los disipadores de calor ayudan a transferir el calor generado hacia el entorno.
  • Temperatura ambiente: La temperatura ambiente también afecta la disipación de calor. En entornos calurosos, es importante considerar la capacidad de enfriamiento del SSR.

Ventajas termodinámicas:

  • Sin partes móviles: A diferencia de los relés electromecánicos, los SSR no generan calor debido al movimiento mecánico. Esto reduce el desgaste y la generación de calor asociada con los contactos móviles.
  • Respuesta rápida: Los SSR pueden cambiar de estado rápidamente, lo que minimiza el tiempo durante el cual se genera calor.
  • Aislamiento galvánico: El aislamiento eléctrico entre la entrada de control y la carga de salida también ayuda a prevenir la transferencia de calor no deseada.

En resumen, aunque los SSR pueden generar calor debido a la resistencia, sus ventajas en términos de durabilidad, velocidad de conmutación y aislamiento eléctrico siguen siendo beneficiosas en muchas aplicaciones.

4. De montaje: Los relés de estado sólido son más compactos y permiten elementos más automatizables.

Tamaño compacto: Los SSR son dispositivos electrónicos compactos que ocupan menos espacio en comparación con los relés electromecánicos. Esto es especialmente útil en aplicaciones donde el espacio es limitado o se requiere un diseño más eficiente.

Automatización: Los SSR son altamente automatizables debido a su naturaleza electrónica. Algunas ventajas relacionadas con la automatización son:

  • Control preciso: Los SSR pueden activarse y desactivarse con precisión mediante señales de control, como las generadas por microcontroladores o PLCs (controladores lógicos programables).
  • Integración con lógica digital: Los SSR se pueden conectar directamente a circuitos digitales, lo que facilita la automatización y la programación de secuencias de encendido/apagado.
  • Compatibilidad con sistemas de control: Los SSR se utilizan comúnmente en sistemas de automatización industrial, como controladores de temperatura, sistemas de iluminación, máquinas de soldadura, etc.

Ventajas adicionales:

  • Fiabilidad: Al no tener partes móviles, los SSR son más confiables en entornos donde las vibraciones o golpes podrían afectar a los relés electromecánicos.
  • Larga vida útil: La ausencia de desgaste mecánico contribuye a una vida útil prolongada.
  • Silencio: Los SSR no generan ruido mecánico durante la conmutación, lo que es beneficioso en aplicaciones sensibles al sonido.
Parte 3: Problemas y consideraciones al escoger un relé de estado sólido

Al escoger un relé de estado sólido, es importante tener en cuenta varios factores:

1. Sobrecorriente y sobretensión:

Al seleccionar un relé de estado sólido, es fundamental considerar los siguientes aspectos relacionados con la sobrecorriente y la sobretensión:

Sobrecorriente:

  • Un relé de sobrecorriente (o relé de monitoreo de sobrecorriente) se utiliza para proteger circuitos y dispositivos eléctricos contra los efectos perjudiciales de corrientes excesivas.
  • Detecta cuando la corriente supera un umbral predefinido y desconecta automáticamente el circuito o envía una señal para tomar medidas de protección.
  • Evita que los cables se sobrecalienten, se derritan o dañen componentes electrónicos sensibles.
  • Aplicaciones comunes incluyen redes de transmisión y distribución.

Sobretensión:


2. Tolerancia a sobrecargas momentáneas: Los relés de estado sólido tienen una baja tolerancia para soportar sobrecargas momentáneas, comparado con los relés electromecánicos.

Ventajas de los relés de estado sólido (SSR):

  • Conexión sin función de paso por cero: Los SSR pueden conectarse sin necesidad de detectar el paso por cero de la tensión de carga. Esto permite una mayor flexibilidad en la aplicación.
  • Desconexión a I=0: Los SSR pueden desconectarse cuando la corriente es igual a cero, evitando arcos eléctricos y rebotes.
  • Resistencia a choques y vibraciones: Al no tener partes móviles, los SSR son más robustos en entornos con vibraciones o impactos.
  • Vida útil óptima: La ausencia de desgaste mecánico prolonga la vida útil de los SSR.
  • Frecuencia de conmutación elevada: Los SSR pueden cambiar de estado rápidamente, incluso en el orden de milisegundos.
  • Funcionamiento silencioso: No generan ruido ni chispas al conmutar.
  • Control a baja tensión: Son compatibles con señales TTL/CMOS.

Inconvenientes de los relés de estado sólido:

  • Sensibilidad a perturbaciones: El circuito de entrada de los SSR es sensible a interferencias eléctricas.
  • Necesidad de elementos de protección externos: Pueden requerir disipadores de calor y redes de protección.
  • Sensibilidad a la temperatura y sobretensiones: Los SSR son más susceptibles a estos factores.
  • Complejidad tecnológica y conceptual: Requieren un entendimiento más abstracto que los relés electromecánicos.

3. Resistencia al paso de la corriente: En su estado activo, los relés de estado sólido presentan una mayor resistencia al paso de la corriente.

  • Resistencia en estado activo: Los SSR tienen una mayor resistencia al paso de la corriente cuando están activados. A diferencia de los relés electromecánicos, no tienen partes móviles. Esto significa que no hay contactos mecánicos que se desgasten, pero también implica que su resistencia es mayor en comparación.
  • Tolerancia a sobrecargas momentáneas: Los SSR son menos tolerantes a sobrecargas momentáneas que los relés electromecánicos. Por lo tanto, al aplicar SSR, debemos considerar esta limitación.
  • Acoplamiento: La señal de control se acopla al circuito de control mediante aislamiento galvánico. La mayoría de los SSR utilizan acoplamiento óptico, donde un LED interno se activa mediante la señal de control, permitiendo que el circuito de control esté eléctricamente aislado de la carga.

En resumen, los SSR son excelentes para conmutar corrientes de alta velocidad sin partes móviles, pero debemos tener en cuenta su resistencia y tolerancia a sobrecargas.

Parte 4: Ejemplos de uso de relés de estado sólido de una fase

Los relés de estado sólido se utilizan en una variedad de aplicaciones:

1. Control de motores: Se pueden usar para controlar motores de CA y CC, desde motores pequeños en electrodomésticos hasta motores industriales grandes.

En cuanto al control de motores, los SSR son excelentes para aplicaciones en las que se requiere conmutación rápida y confiable. Pueden utilizarse tanto para motores de corriente alterna como continua. Además, su diseño sin partes móviles los hace ideales para entornos industriales y electrodomésticos. 



2. Control de iluminación: Los relés de estado sólido se utilizan para conmutar cargas como bombillas y matrices de LED.

  • Control de iluminación: Los relés de estado sólido también se utilizan para conmutar cargas como bombillas y matrices de LED. Ofrecen una rápida velocidad de conmutación, lo que es importante para ciertos efectos de iluminación. Además, no hay riesgo de formación de arcos o chispas, lo que podría ser peligroso en aplicaciones de iluminación. También evitan el rebote de contacto, lo que podría causar luces parpadeantes.

En resumen, los SSR permiten que pequeñas señales de entrada controlen cargas mucho más grandes, y su diseño sin partes móviles los hace ideales para aplicaciones donde la durabilidad y la velocidad son importantes


3. Control de calentadores: Los relés de estado sólido se utilizan para controlar calentadores eléctricos.

Control de calentadores:

  • Los relés de estado sólido se utilizan ampliamente para controlar calentadores eléctricos. Algunos beneficios clave incluyen:
    • Durabilidad: Sin partes móviles, los SSR no sufren desgaste mecánico.
    • Rapidez: Los SSR pueden conmutar rápidamente, lo que es crucial para mantener una temperatura constante en sistemas de calefacción.
    • Seguridad: No hay riesgo de formación de arcos o chispas, lo que podría ser peligroso en aplicaciones de calentamiento.
  • Además, los SSR pueden diseñarse para cambiar la carga cuando la fuente de alimentación de CA está en su punto máximo, evitando daños al calentador por la corriente de irrupción.


Dispositivos médicos:

  • En dispositivos médicos críticos, los SSR se utilizan para controlar la energía. Algunas ventajas son:
    • Conmutación confiable: Los SSR ofrecen una conmutación rápida y eficiente.
    • Sin partes móviles: Esto asegura una mayor vida útil y evita el desgaste interno.
    • Amplio rango de voltajes: Pueden manejar diferencias de voltaje desde 4 hasta 32 VCC y corrientes de 90 a 480 VCA23.
    • Seguridad: La falta de contactos móviles elimina el riesgo de arcos o chispas, crucial en entornos médicos.



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