Diagrama de relés de estado sólido: Guía completa para comprender y utilizar los SSR

Símbolo del relé de estado sólido y representación del circuito

En el lenguaje de los diagramas de circuitos, los símbolos no son garabatos sobre el papel, sino que están hechos para funcionar. El símbolo de un relé de estado sólido (SSR), incluso cuando se muestra como una simple forma, transmite una cantidad de abstracción eléctrica en una sola vista. Tradicionalmente, un SSR se representaba en forma de caja rectangular dividida lógicamente en dos partes: entrada y salida. Esta división no puede reconocerse sólo como una simetría artística, sino como la característica principal del aislamiento eléctrico de los SSR.

Un diodo, a menudo etiquetado con flechas para mostrar un LED (diodo emisor de luz) se utiliza para mostrar el lado de entrada. Se refiere al dispositivo de optoaislamiento del SSR: cuando el lado de entrada recibe una señal de CC de tensión baja (pero no cero), el LED se enciende, dando una señal al lado de salida, pero no hay conexión eléctrica física entre ambos.

El lado de salida también muestra varios componentes, ya que la capacidad de conmutación en altura del relé es CA o CC. La salida SSR X es un SSR de salida CA que tiene un TRIAC o dos SCR (Rectificadores Controlados de Silicio) en paralelo inverso, ambos un tipo de tiristor, un dispositivo semiconductor. En las variantes de CC, se ilustra un transistor de potencia (un MOSFET o un IGBT). Los símbolos indican la acción de conmutación del circuito de relé de estado sólido y su capacidad para controlar la corriente y la tensión de salida.

Para representar un esquema más largo, la barrera de aislamiento puede simbolizarse mediante un zigzag, o un símbolo de optoacoplador: un diodo frente a un fototransistor en un círculo. Esta división entre el circuito de control y el lado de carga no es ornamental, sino que pone de relieve el aislamiento dieléctrico, frecuentemente graduado en kilovoltios.

Estado sólido Relé Esquema eléctrico y Terminal Identificación

Los símbolos de los relés de estado sólido son útiles para conocer el significado de las funciones de un circuito, pero el diagrama de cableado lleva las funciones a la realidad. Es importante aprender a cablear un relé de estado sólido para emplearlo de forma segura y eficaz en circuitos prácticos.

Identificación de terminales

La mayoría de los relés de estado sólido siguen una configuración de patillas estándar:

• Terminales 3 y 4 (Entrada lado): Entrada de la señal de control de CC. Son sensibles a la polaridad en los SSR controlados por CC, el terminal 3 está normalmente a potencial alto. Esta es la parte del circuito de entrada y hace la conducción de salida.
• Terminales 1 y 2 (Salida lado): Cuando se conmuta el SSR, también se conmuta el flujo de corriente entre estos dos, por lo que regula el flujo de corriente en una carga.

Ejemplos de cableado

1. Conmutación de carga de CA (CA-CA SSR)

[PLC DC Output] ───(3 SSR 4)─── [Lado de entrada]
                           │
                       [Capa de aislamiento]
                           │
[Fuente de alimentación de CA] ───(1 SSR 2)─── [Carga de CA]

• Entrada: Señal de CC (por ejemplo, señal de CC de 5 V/24 V de un PLC)
• Salida: Tensión alterna que conmuta un calefactor, una lámpara o un motor

Tal es la característica de un relé de estado sólido de CA monofásico.

2. Conmutación de carga CC (CC-CC SSR)

[Microcontrolador] ───(3 SSR 4)─── [Lado de entrada]
                           │
                       [Opto-aislador]
                           │
[Fuente de alimentación CC] ───(1 SSR 2)─── [Carga CC]

• Entrada: Lógica TTL o 5V
• Salida: Conmuta circuitos de CC de 12 V, 24 V o superiores.

Este cableado es estándar para las aplicaciones de relés de corriente continua monofásicos.

Consideraciones sobre el cableado

• La polaridad importa: Los SSR de CC, en particular, pueden destruirse si se conectan las puntas de entrada o salida con la polaridad invertida.
• Tipo de cargaCuando las cargas son inductivas, deben conectarse con circuitos de amortiguación o varistores que absorban los potenciales elevados.
• Montaje: La integración del disipador puede ser necesaria en función de la corriente y del ciclo de trabajo.

Circuito del lado de entrada - Aislamiento de LED y fototransistor

El aislamiento óptico es la piedra angular del SSR. Una vez que la señal de entrada se aplica a través de los terminales de control, normalmente una señal de PLC o microcontrolador, acciona un LED interno. La energía luminosa emitida no atraviesa un cable, sino una capa dieléctrica transparente, donde energiza un componente fotosensible, que puede ser un fototransistor, un fototriac o una matriz de fotodiodos.

Este diseño garantiza:

• Aislamiento eléctrico completo del control y la carga
• Inmunidad al ruido: no se transmitirán contrafuerzas ni transitorios a la lógica de control.
• Más seguridad, sobre todo en entornos industriales de alta tensión

Se trata de una acción desencadenada por la luz que energiza la puerta del transistor o tiristor de salida, conmutando esencialmente la carga sin enredo mecánico ni movimiento de relé electromecánico (EMR).

Estructuras de dispositivos del lado de salida de CA: SCR vs TRIAC

1. Estructura TRIAC

El TRIAC es un conmutador bidireccional capaz de conducir hacia dentro y hacia fuera al dispararse. Desde un punto de vista funcional, combina dos SCR en paralelo inverso en un único encapsulado. Es muy adecuado en CA de potencia media, como iluminación o calefacción, donde se puede conmutar una onda sinusoidal en un punto medio para reducir la EMI.

Sin embargo, los TRIAC son propensos a falsos disparos en entornos inductivos porque su inmunidad a la conmutación es baja. En estas aplicaciones, los diseñadores podrían optar por uno más duradero.

2. Estructura SCR en paralelo inverso

Se trata de una configuración bidireccional en paralelo inverso de dos SCR discretos. Uno de ellos, cada SCR, conduce la mitad del ciclo de CA. Su mayor conductividad térmica y mejor dv/dt de capacidad permiten su uso en cargas con gran inercia e inductancia, como motores, transformadores y solenoides industriales.

Un poco más grandes, con un circuito de control, los SCR inverso-paralelo están a la orden del día cuando se trata del diseño de relés de estado sólido de CA de grado industrial debido a su robustez y controlabilidad.

Métodos de disparo: Cruce por cero frente a SSR de activación aleatoria

1. SSR de disparo por paso por cero

Estos SSR esperan a que la forma de onda de CA alcance la mitad de un punto de pico-cero-voltios de onda sinusoidal antes de conmutar. Esto reduce el ruido electromagnético (EMI) y los picos de corriente, y son ideales con cargas puramente resistivas, como calentadores o lámparas incandescentes. También supone menos esfuerzo tanto para la carga como para el dispositivo de conmutación.

2. SSR de encendido aleatorio

Estos SSR están pensados para utilizarse en aplicaciones de respuesta rápida y conmutarán en cuanto reciban la señal de entrada, independientemente de la fase de CA. Su temporización puede ser más precisa y su uso es frecuente en el control del ángulo de fase o del motor, o en dispositivos que necesitan un disparo sincronizado.

Relés de estado sólido de CC: Estructuras MOSFET e IGBT

1. Estructura del MOSFET

Los SSR de tensión/corriente continua de baja a media con MOSFET son muy utilizados. Funcionan en frío y con rapidez, y además son muy eficientes. Una buena opción cuando el espacio y el tiempo de respuesta son primordiales.

2. Estructura del IGBT

Los transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) combinan la velocidad de conmutación de los MOSFET y la gran capacidad de corriente de los transistores de unión bipolar. Son los más apropiados en máquinas industriales que requieren una capacidad de manejo extenuante, en particular una alta tensión continua y realizaciones de corriente a nivel de amperios.

Gestión térmica: Curva de reducción y diseño de la disipación térmica

Todos los dispositivos semiconductores generan calor, y los SSR no son una excepción. Una temperatura excesiva reduce la capacidad de corriente y puede provocar averías. La curva de reducción de potencia que se encuentra en la mayoría de las hojas de datos de los SSR muestra la relación entre la temperatura ambiente y la corriente de salida admisible.

Por ejemplo, un relé con una potencia nominal de 25 A a 25 °C podría soportar sólo 15 A a 60 °C. Para evitarlo:

• Utilice un tamaño adecuado disipadores de calor
• Solicitar grasa térmica para garantizar un contacto total con la superficie
• Instale los SSR con espacio vertical para flujo de aire

¿Cómo funciona un Relé Trabajo: Visión general del principio de trabajo completo

Desglosémoslo de forma sencilla:

1. Entrada Señal: Se aplica una pequeña tensión de control (por ejemplo, 5 V CC) a través del circuito de entrada del SSR.
2. LED Activación: La corriente activa un LED interno que emite luz infrarroja.
3. Optoaislamiento: Esta luz atraviesa un hueco de aislamiento y activa un fototransistor o dispositivo similar.
4. Activación de: El dispositivo fotosensible emite una señal que activa la puerta del dispositivo de conmutación, ya sea un TRIAC, un SCR, un MOSFET o un IGBT.
5. Conmutación de carga: El dispositivo de conmutación conduce, permitiendo que la corriente de carga fluya a través de los terminales de salida hacia la carga.
6. Desconectar: Cuando se suprime la tensión de control, el LED se apaga, el fotosensor se desactiva y el circuito de salida se abre.

Todo este proceso se produce en milisegundos, en silencio y sin contacto físico, a diferencia de los EMR tradicionales. La belleza reside en su rapidez, seguridad y sencillez.

Aplicación: Ventajas específicas y estilos de montaje

El uso de relés de estado sólido (SSR) tiene una serie de ventajas fundamentales en comparación con los relés mecánicos. No tienen piezas móviles, por lo que son silenciosos y no sufren desgaste de los contactos ni erosión por la acción del arco, lo que les confiere una vida útil mucho más larga. Son adecuados para encendidos y apagados de alta frecuencia con capacidades de conmutación muy rápidas, el aislamiento eléctrico integrado añade seguridad al sistema y evita problemas de bucle de tierra. Además, no son fácilmente sensibles a los golpes ni a las vibraciones, por lo que encuentran aplicaciones en entornos industriales o automovilísticos desfavorables.

Estilos de montaje

Los distintos SSR se pueden montar en diferentes estilos para adaptarse a los requisitos de diseño. El montaje en carril DIN se utiliza sobre todo en armarios de control para montarlos fácilmente. El montaje en panel facilita más potencia y tiene una fijación estable. El montaje en placa de circuito impreso Los equipos de tipo DIP o SIP (es decir, DIP o SIP de usuario) se adaptan maravillosamente tanto a pequeños sistemas integrados como a sistemas de mayor tamaño.

Aplicaciones reales

Los SSR se utilizan en equipos médicos (como máquinas de resonancia magnética y automatización de laboratorios) en aplicaciones del mundo real en las que es fundamental una baja EMI y un funcionamiento silencioso. Regulan sistemas transportadores, calentadores y motores en aplicaciones industriales. Se emplean en cargadores de baterías, sistemas de iluminación y enchufes inteligentes en el campo de la electrónica de consumo.

Los SSR se utilizan cada vez más para sustituir a los relés mecánicos de todo tipo y en todo tipo de industrias debido a su uso rentable, seguro, inteligente y más fiable, al proporcionar sistemas eléctricos más seguros, inteligentes y fiables gracias a su funcionamiento silencioso, aislado eléctricamente y de alta velocidad.