Relé de estado sólido frente a relé mecánico: La guía de selección definitiva

El control lo es todo en el ámbito de la ingeniería eléctrica. El relé es el dispositivo principal en el centro de innumerables sistemas automatizados, circuitos de seguridad y diseños de gestión de energía. En las últimas décadas, la elección del tipo de relé ha sido sencilla. Hoy es un punto de inflexión importante como ingeniero de diseño interesado. Es una cuestión de preferencia entre una armadura física con su satisfactorio clic y la precisión silenciosa e instantánea de un semiconductor. Aquí es donde radica la razón de ser del relé de estado sólido (SSR) frente al relé electromecánico (EMR). Esta guía no sólo enumerará las diferencias, sino que establecerá un marco definitivo para ayudarle a determinar cuál es la mejor selección para su aplicación con el objetivo no sólo de que su diseño sea funcional, sino también fiable, eficiente y rentable durante toda la vida útil de su diseño.

Principios básicos: Movimiento vs. Semiconductor

Antes de que nadie pueda tomar una decisión con conocimiento de causa, es necesario saber cómo funcionan estos dos aspectos debido a la diferencia esencial en las formas de operar. Ambos tienen el mismo resultado final: aprovechar un control eléctrico de pequeña señal para encender (on/off) una carga de alta tensión mucho mayor, pero los enfoques están en extremos opuestos del mundo.

Funcionamiento de los relés mecánicos (EMR)

Un relé electromecánico (REM) se basa en los principios del magnetismo y el movimiento físico en los que se confía desde hace más de cien años. Su funcionamiento es sencillo:

1. Una bobina de alambre es alimentada por una tensión de control de bajo consumo que hace de electroimán.
2. Un inducido móvil es atraído por este campo magnético.
3. El movimiento físico de la armadura completa una serie de enlaces mecánicos que fuerzan la unión de un par de contactos, completando el circuito principal y permitiendo el encendido de la carga de alta potencia. Si se retira la señal de control, el campo magnético se colapsa, uno de los muelles tira de la armadura hacia dentro y los contactos se abren, con lo que el circuito se interrumpe.

Es una forma sencilla, directa y sólida de encender y apagar, pero depende del uso de componentes mecánicos y éstos pueden desgastarse con el tiempo.

Funcionamiento de los relés de estado sólido (SSR)

Por el contrario, el relé de estado sólido no tiene componentes mecánicos. Utiliza las características de los dispositivos semiconductores para lograr el mismo efecto:

1. Se impone una señal de control débil en un circuito de entrada, que suele ser un LED.
2. La señal luminosa de este LED atraviesa un espacio abierto y se detecta en un optoacoplador fotosensible (semiconductor). Gracias a este optoaislamiento existe un gran aislamiento eléctrico entre la entrada y la salida.
3. El fotodiodo conmuta un dispositivo electrónico de conmutación en el lado de conducción de corriente, normalmente dentro de la parte de alta potencia del circuito de carga, a menudo un TRIAC o MOSFET pero en ocasiones otro dispositivo de conmutación.

Al ser de naturaleza totalmente electrónica, su funcionamiento es muy silencioso, extremadamente rápido y carece del desgaste que aqueja a su homólogo.

Característica

Métricas clave de rendimiento: Comparación directa

Comprender las profundas diferencias de rendimiento es crucial para cualquier ingeniero. La elección rara vez tiene que ver con qué relé es “mejor” en general, sino con cuál es superior para una tarea específica.

Velocidad de conmutación

La velocidad de un EMR está limitada por la física de los elementos mecánicos del dispositivo: el periodo en el que se creará el campo magnético y el tiempo necesario para mover la armadura. Normalmente oscila entre 5 y 15 ms.

Un SSR sin limitaciones físicas es órdenes de magnitud más rápido. Su tiempo de conmutación se expresa en microsegundos (us) o incluso en nanosegundos (ns). Un SSR es la única alternativa cuando la aplicación requiere una modulación por ancho de pulsos (PWM) de alta frecuencia o un control de máquina de ciclo frecuente.

Vida útil

Es una de las principales diferencias. El desgaste mecánico predetermina la vida útil de un REM. Cada vez que se somete a ciclos, sus contactos sufren fatiga metálica y arcos eléctricos, por lo que su vida útil se limita a decenas o cientos de miles de ciclos o a unos pocos millones de ciclos.

Por el contrario, un SSR no tiene componentes móviles que se desgasten. Su vida útil está limitada por la vida útil de su semiconductor, que puede ser del orden de decenas o incluso cientos de millones de ciclos, por lo que es el producto de elección obvia cuando se necesita una vida útil de decenas de millones de ciclos o superior.

Ruido audible

La diferencia en este caso es categórica. Hay un clic característico en cada accionamiento, producido por los contactos internos del EMR que se abren o se cierran. Esto no tiene importancia en la mayoría de los sectores.

Pero este ruido no es tolerable en equipos médicos, sistemas de audio de alta calidad o en oficinas silenciosas. Los SSR no tienen sonido, y esta propiedad es vital como la aplicación donde la confidencialidad y la ausencia de ruido son primordiales.

Resistencia a golpes y vibraciones

La naturaleza física de un EMR, la bobina, el muelle y la armadura que lo componen, lo predispone a los choques y vibraciones externas. Un choque importante puede provocar el rebote de los contactos o incluso el cambio accidental de estado.

Dado que un SSR es efectivamente un bloque de componentes electrónicos encapsulados, la resistencia a golpes y vibraciones es extremadamente alta, lo que se traduce en un rendimiento probado y comprobado en aplicaciones duras como la automoción, los equipos industriales y la industria aeroespacial.

Consumo de energía

Un EMR consiste en una bobina; para mantener el EMR en estado “encendido”, la bobina necesita recibir tanta energía como sea necesario N amperios continuos x potencia P Supongamos que un EMR consume 10 amperios a 240 voltios; entonces, para mantener el EMR encendido la potencia P = (10 amperios) (240 v) = 2400 vatios En ese caso, 10 amperios es la cantidad de corriente eléctrica que pasa por la bobina.

Aunque esta carga es baja, al multiplicarla por cientos de relés en grandes sistemas, puede resultar un consumo de energía bastante elevado. Se requiere una cantidad muy pequeña de energía para encender un SSR y encender su LED interno, y posteriormente el uso de energía de un circuito de control SSR es esencialmente nulo, y por lo tanto el SSR es mucho más eficiente energéticamente.

Disipación del calor

La ventaja aquí cambia. Los contactos metálicos de un EMR proporcionan una resistencia de estado activado muy baja, es decir, cuando se activa el relé, se produce muy poca potencia de calentamiento.

Como dispositivo semiconductor, un SSR ofrece una resistencia de estado activado ligeramente inferior. Esto hace que produzca mucho calor, que depende de la corriente de carga que lo atraviese. Cuando se utiliza con grandes cargas de más de unos pocos amperios, un SSR requiere la fijación a un disipador de calor para eliminar esta energía térmica y evitar el sobrecalentamiento, lo que puede aumentar el tamaño y la complejidad de una solución.

Resistencia en el Estado

Como ya se ha explicado, la resistencia de un EMR es casi nula (se mide en miliohmios) y, sin embargo, se denomina circuito cerrado. Esto hace que la potencia fluya hacia la carga tanto como sea posible y causa la menor caída de tensión.

La resistencia en estado activado es un valor medible que da lugar a una caída de tensión en el relé (~1 V). Esta caída es insignificante en la mayoría de las aplicaciones, pero en los sistemas de baja tensión en los que fluye una corriente elevada puede ser necesario tener en cuenta esta pérdida.

Corriente de fuga

Los contactos de un EMR que ofrecen un punto muerto cuando el EMR está apagado dejarán un hueco de contacto que forma un circuito abierto casi perfecto, con una fuga de corriente prácticamente nula.

Un SSR puede tener su circuito semiconductor de salida diseñado para perder sólo una pequeña cantidad de corriente cuando el SSR está apagado. Con la mayoría de las cargas esto es irrelevante. Sin embargo, con dispositivos de entrada muy sensibles o, en algunos casos, equipos médicos, esta fuga puede ser un problema, en cuyo caso es preferible un EMR.

Interferencias electromagnéticas (IEM)

Ambos tipos de relés pueden producir IEM, aunque de forma disímil. Debido al cambio entre los estados abierto y cerrado, los contactos de un REM podrían generar ruido eléctrico de banda muy ancha al nivel del arco.

Un SSR no conduce ningún tipo de arco, pero la rápida conmutación de los semiconductores dentro del SSR puede producir EMI de alta frecuencia. Sin embargo, los SSR que utilizan la denominada tecnología de paso por cero se encienden o apagan solo cuando la tensión de CA se aproxima a cero, lo que minimiza radicalmente la EMI generada.

Coste

El coste unitario inicial de un EMR es casi siempre inferior al de un SSR similar. Los REM resultan atractivos para las aplicaciones sencillas y de bajo ciclo en las que el coste inicial de la lista de materiales es el principal factor de motivación. Sin embargo, el coste real debe tenerse en cuenta durante toda la vida útil del producto. Una vida útil mucho más larga y una mayor fiabilidad del SSR significan que no se incurre en costes de sustitución y mantenimiento, y que el coste total de propiedad (TCO) puede ser menor, especialmente en aplicaciones exigentes.

Métricas clave: Comparación directa

Elección del repetidor: Escenarios específicos de la aplicación

La teoría es útil, pero las decisiones se toman en la práctica. He aquí cómo aplicar estos conocimientos a los retos de diseño del mundo real.

Para automatización industrial y robótica

Una pieza puede tener que cambiar miles de veces al día en un sistema controlado por PLC o en un brazo robótico. El más adecuado es un SSR. Su alta longevidad no es negociable para permitir costosas paradas en mantenimiento. Su rápida capacidad de conmutación es lo suficientemente alta como para mantener la precisión de los procesos y su capacidad para resistir las constantes sacudidas de las máquinas lo hace perfecto durante el proceso de trabajo. El electroimán no proporciona una solución adecuada si se compara con el dispositivo de conmutación electrónico que se utilizaría en estos entornos.

Para equipos médicos y de audio

Piense en un sistema de diagnóstico de pacientes en una sala de hospital insonorizada o en un amplificador de audio de alta calidad. El clic audible de un EMR siempre sería molesto y distraería. Se necesita un SSR que no interfiera. También es un factor de seguridad muy importante, ya que en los equipos médicos los fallos están fuera de toda duda.

Para sistemas HVAC exigentes

Un importante sistema industrial de calefacción, ventilación y aire acondicionado requiere conmutar motores de alta tensión y compresores todo el tiempo. Un EMR podría hacer frente a la corriente, pero los contactos mecánicos fallarían pronto con un ciclo de trabajo tan severo. La mejor solución alternativa es un SSR con buen hundimiento térmico. Ofrece durabilidad, por lo que podría funcionar durante años sin necesidad de sustituirlo. Esto es especialmente importante a la hora de determinar el tipo de carga d considerada, ya sea inductiva o resistiva, para elegir el circuito de salida adecuado.

Para proyectos sencillos y sensibles a los costes

Piense en un pequeño proyecto de panel de control como aficionado o un dispositivo que podría tener un interruptor que se utiliza sólo unas pocas veces al día. En este caso, la mayor vida útil y la rápida velocidad de un SSR son innecesariamente a gran escala. El EMR es una solución cómoda y rentable. Tiene un coste bajo para empezar y al ser utilizable con un circuito de accionamiento fácil es igualmente apto y útil en la tarea y la diferencia de coste entre EMR y SSR entra más en perspectiva en usos de baja frecuencia.

Errores críticos de diseño y cómo evitarlos

Elegir el tipo de relé adecuado es sólo el primer paso. Una correcta implementación es fundamental para liberar todo su potencial y evitar fallos prematuros.

Escollos del SSR

• Mala gestión térmica: La causa más común de fallo del SSR es el sobrecalentamiento.
  Solución: Calcule siempre el calefacción (P = Caída_V × Carga_I) y seleccione un disipador de calor adecuado basándose en la hoja de datos del fabricante para cualquier carga superior a unos pocos amperios.
• Sorpresas de corriente de fuga: En un circuito con una entrada de alta impedancia, la corriente de fuga del SSR puede ser a veces suficiente para ser malinterpretada como una señal de “encendido”.
  Solución: Se puede colocar una resistencia de purga en paralelo con la carga para derivar la corriente de fuga.
• Tipo de carga no coincidente: El uso de un SSR de paso por cero estándar para cargas altamente inductivas puede ser problemático.
  Solución: Utilice un SSR de “encendido aleatorio” para cargas inductivas para permitir una conmutación precisa.

Errores de los RME

• Arcos de contacto y desgaste: La conmutación de cargas inductivas provoca la formación de arcos, lo que degrada los contactos.
  Solución: Añadir una red RC snubber a través de los contactos para absorber la energía del arco.
• Bobina EMF Kickback: Cuando se corta la corriente a la bobina, un pico de tensión puede dañar el sistema de control.
  Solución: Coloca un diodo flyback en paralelo con la bobina.

Garantizar la fiabilidad: Componentes de alta calidad

Usted ha considerado la puesta en práctica de los principios, ha contrastado las medidas y se ha dado cuenta de los peligros del diseño. Probablemente haya llegado a la conclusión lógica de que un relé de estado sólido es el camino a seguir, porque necesita alta velocidad, larga vida útil y un funcionamiento silencioso y fiable de su aplicación.

Aquí se trata de la segunda decisión decisiva. Los SSR, como hemos observado, son dispositivos electrónicos avanzados. Su fiabilidad no sólo depende del diseño del dispositivo, sino también de la calidad de los semiconductores que contienen, de su integridad térmica y de su proceso de fabricación. Todas las propiedades teóricas de un SSR resultan inútiles cuando el dispositivo falla al principio de su vida útil debido a un sobrecalentamiento o a la incapacidad de recibir su carga nominal.

Por eso es primordial elegir un proveedor especializado. En OMCH diseñamos y fabricamos relés de estado sólido de calidad industrial sobre los que puede construir su reputación. Somos conscientes de que nuestros componentes no son sólo productos básicos en una lista de materiales, sino que son los denominadores comunes para garantizar que su sistema funcione correctamente. Estamos comprometidos con una producción de calidad y unos procedimientos de prueba exigentes que le proporcionan un SSR que cumple las especificaciones, ciclo tras ciclo, año tras año. Una vez que haya decidido que un SSR es su solución, trabajar con un experto en la materia como OMCH puede ayudarle a hacer realidad sobre el terreno la fiabilidad que ha plasmado sobre el papel.

El futuro: Relés híbridos y tecnología de última generación

El mundo de los relés sigue desarrollándose. Tratando de aunar las ventajas de ambos mundos, llegan los relés híbridos. Con frecuencia, las cargas de alto esfuerzo de apagado y encendido (eliminando el arco eléctrico) se controlan mediante un SSR, y la corriente masiva mediante un EMR paralelo con su resistencia ultrabaja, minimizando el calentamiento. Además, es probable que los SSR se transformen con el desarrollo de semiconductores de brecha ancha, como el nitruro de galio (GaN) y el carburo de silicio (SiC), que miniaturizarían aún más estos dispositivos, con mayor eficacia y capacidades operativas de presión y frecuencia más elevadas.