El Relé de Estado Sólido (SSR), es un interruptor electrónico que conmuta el paso de la corriente de forma electrónica sin contacto mecánico. Evitando así desgaste y mantenimiento.
Relé de estado sólido vs mecánico
A diferencia de los relés electromecánicos (EMR), que utilizan bobinas, campos magnéticos, resortes y contactos mecánicos para operar y conmutar una fuente, el relé de estado sólido o SSR no tiene partes móviles, sino que utiliza las propiedades eléctricas y ópticas de los semiconductores de estado sólido. para realizar su entrada a las funciones de aislamiento y conmutación de salida.
Al igual que un relé electromecánico normal, los SSR proporcionan un aislamiento eléctrico completo entre sus contactos de entrada y salida, y su salida actúa como un interruptor eléctrico convencional, ya que tiene una resistencia muy alta, casi infinita cuando no se conduce (abierta), y una resistencia muy baja Al conducir (cerrado). Los relés de estado sólido pueden diseñarse para conmutar tanto corrientes de CA como de CC utilizando un SCR, TRIAC o conmutando la salida del transistor en lugar de los contactos mecánicos normalmente abiertos (NO).
Si bien el relé de estado sólido y el relé electromecánico son fundamentalmente similares en cuanto a que su entrada de bajo voltaje está aislada eléctricamente de la salida que conmuta y controla una carga, los relés electromecánicos tienen un ciclo de vida de contacto limitado, pueden ocupar una gran cantidad de espacio y tienen velocidades de conmutación más lentas, especialmente los relés y contactores de gran potencia. Los relés de estado sólido no tienen tales limitaciones.
Por lo tanto, las principales ventajas que tienen los relés de estado sólido sobre los relés electromecánicos convencionales es que no tienen piezas móviles que se desgasten y, por lo tanto, no hay problemas de rebote de contacto, son capaces de “ENCENDER” y “APAGAR” mucho más rápido que un relé mecánico. La armadura puede moverse, así como la activación de voltaje cero y la desactivación de corriente cero, eliminando el ruido eléctrico y los transitorios.
Los relés de estado sólido pueden comprarse en paquetes estándar disponibles desde unos pocos voltios o amperios hasta cientos de voltios y amperios de capacidad de conmutación de salida. Sin embargo, los relés de estado sólido con valores nominales de corriente muy altos (150 A más) son todavía demasiado caros para comprar debido a sus requisitos de semiconductores de potencia y de disipación de calor, y como tales, aún se usan contactores electromecánicos más baratos.
Similar a un relé electromecánico, se puede usar un pequeño voltaje de entrada, típicamente de 3 a 32 voltios de CC, para controlar un voltaje de salida o corriente muy grande. Por ejemplo 240V, 10Amps. Esto los hace ideales para microcontroladores, PIC y Arduino, ya que se puede usar una señal de baja corriente de 5 voltios desde un microcontrolador o compuerta lógica para controlar una carga particular del circuito, y esto se logra con el uso de opto. aisladores
Entrada de relé de estado sólido
Uno de los componentes principales de un relé de estado sólido (SSR) es un optoaislador (también llamado optoacoplador) que contiene uno (o más) diodo emisor de luz infrarroja, o fuente de luz LED, y un dispositivo fotosensible dentro un solo caso El optoaislador aísla la entrada de la salida.
Si desean ampliar detalles lean este tutorial sobre sobre el optoacoplador. Está ampliamente expilcado y les ayudará a comprender mejor el reé de estado sólido.
La fuente de luz LED está conectada a la sección de la unidad de entrada del SSR y proporciona un acoplamiento óptico a través de un espacio entre un transistor sensible a la foto, un par Darlington o un triac adyacente. Cuando una corriente pasa a través del LED, se ilumina y su luz se enfoca a través de la brecha hacia un foto-transistor / foto-triac.
Por lo tanto, la salida de un SSR optoacoplado se pone en «ON» al energizar este LED, generalmente con una señal de bajo voltaje. Como la única conexión entre la entrada y la salida es un haz de luz, el aislamiento de alto voltaje (generalmente varios miles de voltios) se logra mediante este optoaislamiento interno.
El optoaislador no solo proporciona un mayor grado de aislamiento de entrada / salida, sino que también puede transmitir señales de CC y de baja frecuencia. Además, el LED y el dispositivo fotosensible podrían estar totalmente separados entre sí y acoplados ópticamente por medio de una fibra óptica.
El circuito de entrada de un SSR puede consistir en una sola resistencia limitadora de corriente en serie con el LED del optoaislador, o en un circuito más complejo con rectificación, regulación de corriente, protección de polaridad inversa, filtrado, etc.
Para activar o “ENCENDER” un relé de estado vendido en conducción, se debe aplicar un voltaje mayor que su valor mínimo (generalmente 3 voltios CC) a sus terminales de entrada (equivalente a la bobina del relé electromecánico). Esta señal de CC puede derivarse de un interruptor mecánico, una puerta lógica o un microcontrolador, como se muestra.
Circuito de entrada de relé de estado sólido
Cuando se utilizan contactos mecánicos, interruptores, pulsadores, otros contactos de relé, etc., como señal de activación, la tensión de alimentación utilizada puede ser igual al valor de tensión de entrada mínima del SSR, mientras que cuando se utilizan dispositivos de estado sólido como transistores, puertas y micro Para los controladores, la tensión de alimentación mínima debe ser de uno o dos voltios por encima de la tensión de encendido del SSR para tener en cuenta la caída de tensión interna de los dispositivos de conmutación.
Pero además de usar un voltaje de CC, ya sea por hundimiento o fuente, para convertir el relé de estado sólido en conducción, también podemos usar una forma de onda sinusoidal al agregar un puente rectificador para la rectificación de onda completa y un circuito de filtro a la entrada de CC como se muestra.
Circuito de entrada de CA de relé de estado sólido
Los rectificadores de puente convierten una tensión sinusoidal en pulsos rectificados de onda completa al doble de la frecuencia de entrada. El problema aquí es que estos impulsos de voltaje comienzan y terminan a partir de cero voltios, lo que significa que caerán por debajo de los requisitos mínimos de voltaje de encendido del umbral de entrada del SSR, lo que provocará que la salida se encienda y se apague cada medio ciclo.
Para superar este disparo errático de la salida, podemos suavizar las ondulaciones rectificadas utilizando un condensador de suavizado, (C1) en la salida del puente rectificador. El efecto de carga y descarga del condensador elevará el componente de CC de la señal rectificada por encima del valor máximo de voltaje de encendido de la entrada de relés de estado sólido. Entonces, aunque se utiliza una forma de onda de voltaje sinusoidal en constante cambio, la entrada del SSR ve un voltaje de CC constante.
Los valores de la resistencia de caída de tensión, R 1 y el condensador de suavizado, C 1 se eligen para adaptarse a la tensión de alimentación, 120 voltios CA o 240 voltios CA así como la impedancia de entrada del relé de estado sólido. Pero algo alrededor de 40kΩ y 10uF haría.
Luego, con este puente rectificador y el circuito de condensador de suavizado agregado, se puede controlar un relé de estado sólido de CC estándar utilizando una fuente de alimentación de CA o no polarizada. Por supuesto, los fabricantes ya producen y venden relés de estado sólido de entrada de CA (generalmente de 90 a 280 voltios de CA).
Salida de relé de estado sólido
Las capacidades de conmutación de salida de un relé de estado sólido pueden ser AC o DC similares a sus requisitos de voltaje de entrada. El circuito de salida de la mayoría de los relés de estado sólido están configurados para realizar solo un tipo de acción de conmutación, lo que da el equivalente de una operación normalmente abierta, unipolar, un solo tiro (SPST-NO) de un relé electromecánico.
Para la mayoría de los SSR de DC, el dispositivo de conmutación de estado sólido que se usa comúnmente son transistores de potencia, Darlington y MOSFET, mientras que para un SSR de AC, el dispositivo de conmutación es un triac o tiristores adosados. Los tiristores son los preferidos debido a su alto voltaje y capacidades de corriente. También se puede usar un solo tiristor dentro de un circuito de puente rectificador como se muestra.
Circuito de salida de relé de estado sólido
La aplicación más común de los relés de estado sólido es en la conmutación de una carga de CA, ya sea para controlar la alimentación de CA para la conmutación de ENCENDIDO / APAGADO, la atenuación de la luz, el control de velocidad del motor u otras aplicaciones similares donde se necesita control de potencia, estas cargas de CA se puede controlar fácilmente con un voltaje de CC de baja corriente utilizando un relé de estado sólido que proporciona una larga vida útil y altas velocidades de conmutación.
Una de las mayores ventajas de los relés de estado sólido sobre un relé electromecánico es su capacidad para apagar las cargas de CA «OFF» en el punto de corriente de carga cero, eliminando así completamente el arco eléctrico, el ruido eléctrico y el rebote de contacto asociado con los relés mecánicos convencionales y las cargas inductivas. .
Esto se debe a que los relés de estado sólido de conmutación de CA utilizan SCR y TRIAC como dispositivo de conmutación de salida que continúa conduciendo, una vez que se elimina la señal de entrada, hasta que la corriente de CA que fluye a través del dispositivo cae por debajo de su umbral o valor de corriente de retención. Entonces, la salida de un SSR nunca puede apagarse en medio de un pico de onda sinusoidal.
La desactivación de corriente cero es una ventaja importante para el uso de un relé de estado sólido, ya que reduce el ruido eléctrico y la frecuencia de retorno asociada a la conmutación de cargas inductivas, tal como lo ven los contactos de un relé electromecánico. Considere el siguiente diagrama de forma de onda de salida de un típico relé de estado sólido de CA.
Forma de onda de salida de relé de estado sólido
Sin una señal de entrada aplicada, no fluye corriente de carga a través del SSR, ya que está efectivamente APAGADO (en circuito abierto) y los terminales de salida ven la tensión de alimentación de CA completa. Con la aplicación de una señal de entrada de CC, independientemente de la parte de la forma de onda sinusoidal, ya sea positiva o negativa a través del ciclo, debido a las características de conmutación de voltaje cero del SSR, la salida solo se activa cuando la forma de onda se cruza el punto cero.
A medida que la tensión de alimentación aumenta en una dirección positiva o negativa, alcanza el valor mínimo requerido para encender completamente los tiristores de salida o el triac (por lo general, menos de aproximadamente 15 voltios). La caída de tensión en los terminales de salida del SSR es la de la caída de tensión en el estado de los dispositivos de conmutación, V T (generalmente menos de 2 voltios). Por lo tanto, cualquier alta corriente de entrada asociada con cargas reactivas o de lámpara se reduce considerablemente.
Cuando se elimina la señal de voltaje de entrada de CC, la salida no se apaga repentinamente cuando se activa la conducción, el tiristor o el triac utilizado como dispositivo de conmutación permanece ENCENDIDO durante el resto del semiciclo hasta que las corrientes de carga caen por debajo de los dispositivos que sostienen actual, en cuyo punto se apaga. Por lo tanto, el alto dv / dt back emf asociado con el cambio de cargas inductivas en el medio de una onda sinusoidal se reduce considerablemente.
Entonces, las principales ventajas del relé de estado sólido de CA sobre el relé electromecánico son su función de cruce por cero que enciende el SSR cuando la tensión de carga de CA está cerca de cero voltios, lo que suprime las corrientes de arranque altas ya que la corriente de carga siempre comenzará desde un punto cercano a 0 V, y la característica inherente de apagado de corriente cero del tiristor o triac. Por lo tanto, existe un máximo retardo de apagado posible (entre la eliminación de la señal de entrada y la eliminación de la corriente de carga) de medio ciclo.
Relé de estado sólido de atenuación de fase
Si bien los relés de estado sólido pueden realizar una conmutación directa directa de una carga a través de cero, también pueden realizar funciones mucho más complicadas por medio de circuitos lógicos digitales, microprocesadores y memorias. Otra excelente aplicación de un relé de estado sólido es en aplicaciones de atenuación de lámparas, ya sea en el hogar o para un espectáculo o concierto.
Los relés de estado sólido de conmutación no cero (encendido instantáneo) se encienden inmediatamente después de la aplicación de la señal de control de entrada en oposición al SSR de cruce por encima del cual espera hasta el próximo punto de cruce de cero de la onda sinusoidal de CA. Esta conmutación de disparo aleatorio se usa en aplicaciones resistivas, como la atenuación de lámparas y aplicaciones que requieren que la carga solo se energice durante una pequeña parte del ciclo de CA.
Forma de onda de salida de conmutación aleatoria
Si bien esto permite el control de fase de la forma de onda de carga, el problema principal de los SSR de encendido aleatorio es que la sobrecarga de carga inicial en el momento en que se enciende el relé, puede ser alta debido a la potencia de conmutación del SSR cuando la tensión de alimentación es alta. cerca de su valor máximo (90 o ). Cuando se elimina la señal de entrada, deja de conducir cuando la corriente de carga cae por debajo de los tiristores o triacs que mantienen la corriente como se muestra. Obviamente, para un SSR de DC, la acción de encendido y apagado es instantánea.
El relé de estado sólido es ideal para una amplia gama de aplicaciones de encendido / apagado, ya que no tienen partes móviles ni contactos a diferencia de un relé electromecánico (EMR). Hay muchos tipos comerciales diferentes para elegir, tanto para señales de control de entrada de CA y CC como para conmutación de salida de CA y CC, ya que emplean elementos de conmutación de semiconductores, como tiristores, triacs y transistores.
Pero al usar una combinación de un buen optoaislador y un triac, podemos hacer nuestro propio relé de estado sólido simple y económico para controlar una carga de CA, como un calentador, una lámpara o un solenoide. Como un optoaislador solo necesita una pequeña cantidad de energía de entrada / control para funcionar, la señal de control podría provenir de un PIC, Arduino, Raspberry PI o cualquier otro microcontrolador.
Ejemplo de Relé de Estado Sólido No1
Asumamos que queremos un microcontrolador con una señal de puerto de salida digital de solo 5 voltios para controlar un elemento de calefacción de 120 VCA y 600 vatios. Para esto podríamos usar el aislador opto-triac MOC 3020, pero el triac interno solo puede pasar una corriente máxima (I TSM ) de 1 Amps pico en el pico de un suministro de 120 VCA, por lo que también se debe usar un triac de conmutación adicional.
Primero consideremos las características de entrada del opto-aislador MOC 3020 (otros opto-triacs están disponibles). La hoja de datos de los optoaisladores nos dice que la caída de voltaje directo ( VF ) del diodo emisor de luz de entrada es de 1,2 voltios y que la corriente directa máxima (I F ) es de 50 mA.
El LED necesita aproximadamente 10 mA para brillar de manera razonablemente brillante hasta su valor máximo de 50 mA. Sin embargo, el puerto de salida digital del microcontrolador solo puede suministrar un máximo de 30 mA. Entonces, el valor de la corriente requerida se encuentra entre 10 y 30 miliamperios. Por lo tanto:
Por lo tanto, se puede utilizar una resistencia limitadora de corriente en serie con un valor entre 126 y 380Ω. Como el puerto de salida digital siempre conmuta +5 voltios y para reducir la disipación de energía a través del optoacoplador LED, elegiremos un valor resistivo preferido de 240Ω. Esto da una corriente directa de LED de menos de 16 mA. En este ejemplo, cualquier valor de resistencia preferido entre 150Ω y 330Ω sería suficiente.
La carga del elemento calefactor es de 600 vatios de resistencia. El uso de una fuente de alimentación de 120 VCA nos daría una corriente de carga de 5 amperios (I = P / V). Como queremos controlar esta corriente de carga en ambos semiciclos (los 4 cuadrantes) de la forma de onda de CA, necesitaríamos un triac de conmutación de red.
El BTA06 es un triac de 600 amps (I T (RMS) ) de 600 voltios, adecuado para el encendido / apagado de propósito general de las cargas de CA, pero cualquier triac similar de 6 a 8 amperios funcionaría. Además, este triac de conmutación requiere solo 50 mA de la unidad de compuerta para iniciar la conducción, que es mucho menor que la capacidad máxima de 1 amperio del optoaislante MOC 3020.
Tenga en cuenta que el triac de salida del optoaislador se ha activado al valor pico (90 o ) de la tensión de alimentación de CA de 120 V RMS . Este voltaje máximo tiene un valor de: 120 x 1.414 = 170Vpk. Si la corriente máxima de los opto-triacs (I TSM ) es de 1 amperio máximo, entonces el valor mínimo requerido de la resistencia en serie es 170/1 = 170Ω, o 180Ω al valor preferido más cercano. Este valor de 180Ω protegerá el triac de salida del optoacoplador, así como la puerta del triac BTA06 en una fuente de 120VAC.
Si el triac del optoaislador se enciende en el valor de cruce de cero (0 o ) del voltaje de suministro de CA de 120 V RMS , entonces el voltaje mínimo requerido para suministrar la corriente de activación de la compuerta de 50 mA requerida para forzar la conducción del triac de conmutación será: 180Ω x 50mA = 9.0 voltios. Luego, el triac dispara a la conducción cuando el voltaje sinusoidal Gate-to-MT1 es mayor que 9 voltios.
Por lo tanto, la tensión mínima requerida después del punto de cruce cero de la forma de onda de CA sería de 9 voltios pico, con la disipación de potencia en esta resistencia de compuerta de serie muy pequeña, por lo que se podría usar una resistencia nominal de 180 vatios y 0,5 vatios de manera segura. Considere el siguiente circuito.
Circuito de relé de estado sólido de CA
Este tipo de configuración de optoacoplador constituye la base de una aplicación de relé de estado sólido muy simple que se puede usar para controlar cualquier carga de alimentación de CA, como lámparas y motores. Aquí hemos utilizado el MOC 3020, que es un aislador de conmutación aleatoria. El aislador opto-triac MOC 3041 tiene las mismas características pero con la detección de cruce por cero incorporada, lo que permite que la carga reciba toda la potencia sin las intensas corrientes de entrada al cambiar las cargas inductivas.
El diodo D 1 evita daños debidos a la conexión inversa de la tensión de entrada, mientras que la resistencia de 56 ohmios (R 3 ) desvía cualquier corriente di / dt cuando el triac está apagado, eliminando el disparo falso. También une el terminal de la puerta a MT1 asegurando que el triac se apague completamente.
Si se usa con una señal de entrada PWM modulada en el ancho de pulso, la frecuencia de conmutación de ENCENDIDO / APAGADO debe configurarse a un máximo de 10 Hz para una carga de CA, de lo contrario, la conmutación de salida de este circuito de relé de estado sólido no podrá continuar.
Bibliografía: Electronis – “Solid State Relay“
Y hasta aquí esta interesante aportación sobre el relé de estado sólido. Dejen sus comentarios o preguntas.