¿Qué es un relé de estado sólido? La guía definitiva para 2025

Más allá del clic: ¿Qué es un relé de estado sólido?

El sonido característico de un relé convencional es bien conocido en el campo de la electrónica y el control industrial con su clic-clac. Físicamente es el rastro acústico de un interruptor electromecánico (EMR) que transforma un circuito, cierra un circuito y desconecta una carga.

Esta ha sido la norma de las dos últimas décadas. Sin embargo, ¿qué ocurriría si la conmutación pudiera realizarse de forma silenciosa, inmediata y con una vida útil mucho mayor? Ese es el territorio del relé de estado sólido (SSR).

Fundamentalmente, un relé de estado sólido es un circuito de conmutación electrónico que ejecuta la misma tarea de forma similar a un relé electromecánico, aunque sin piezas móviles. El estado sólido es un término de categoría. Es el campo de la física y la electrónica que describe el comportamiento del estado sólido de la corriente transmitida en los materiales semiconductores. A diferencia de los contactos físicos que se fuerzan entre sí por la fuerza de un electroimán que crea un campo magnético, a través de las características eléctricas inherentes de una sustancia semiconductora (como el silicio) un SSR enciende y apaga un circuito de carga.

La ausencia de piezas móviles es la única característica distintiva de un SSR y la razón de sus grandes ventajas. No hay contactos metálicos que puedan arquearse, picarse o desgastarse, ni bobinas que puedan quemarse, ni muelles que puedan perder su tensión. Se trata enteramente de un control electrónico con una señal de primera operación de entrada eléctrica de baja potencia que activa un circuito de salida de alta corriente. Esta es la divergencia inherente a la arquitectura que no sólo convierte al SSR en un sustituto silencioso, sino que en realidad proporciona una solución tecnológicamente mejor para una amplia gama de aplicaciones modernas que requieren precisión, fiabilidad y longevidad. Este tutorial le mostrará en qué consisten estas máquinas, en qué se diferencian de los relés antiguos y cómo tomar la decisión acertada de utilizar el tipo adecuado.

Interior del SSR: cómo conmuta electrónicamente

Para poder apreciar las capacidades que puede ofrecer un relé de estado sólido, primero hay que entender su estructura interna. Un SSR común tiene tres bloques funcionales principales, el circuito de entrada, el circuito de aislamiento (o acoplamiento) y el circuito de conmutación de salida, aunque el diagrama de bloques puede parecer diferente. Ambos tienen un papel específico y muy importante en el funcionamiento del dispositivo.

1. El circuito de entrada: Será el punto de entrada donde la lógica del sistema (por ejemplo, un PLC o un microcontrolador o un sensor) proporcionaría la señal de control. Esta señal de control es de baja potencia, ya que muchos modelos estándar tienen un rango de 3-32V DC. A menudo se conoce como entrada de CC. Las principales tareas del circuito de entrada son acondicionar esta señal y accionar la etapa de aislamiento. Puede incorporar un LED de estado y una resistencia limitadora de corriente: el LED de estado se enciende sobre todo cuando se aplica la tensión de control para dar una respuesta visual conveniente del estado del relé.
2. El circuito de aislamiento (acoplamiento): Este es probablemente el aspecto más importante del diseño de un SSR. Sirve para proporcionar un aislamiento eléctrico -un espacio dieléctrico- entre la lógica de control de baja tensión y la carga eléctrica de alta tensión. Este aislamiento galvánico se considera parte de la seguridad porque garantiza que la alta tensión de la carga nunca llegará a la sensible electrónica de control ni al operador humano. El optoaislador (otro nombre es optoacoplador o fotoacoplador) es la solución más popular para hacerlo. Un optoaislador se compone de un LED en el lado de entrada y un semiconductor fotosensible (como un fototransistor o un fotodiodo) en el lado de salida, todo ello empaquetado en un envase opaco. El LED recibe alimentación del circuito de entrada cuando llega la señal de control y produce luz infrarroja entre el hueco creado en su interior. El fotosensor detecta esta luz activando el circuito de conmutación de salida. Dado que el medio de transferencia es un haz de luz, el camino eléctrico es inexistente entre los dos conductores, hay, por lo tanto, un aislamiento muy alto medido comúnmente en miles de voltios.
3. El circuito de conmutación de salida: El elevador de carga del SSR. Se enciende mediante el circuito de aislamiento y enciende la carga de alta potencia. Dependiendo de la categoría de carga que el componente debe conmutar (CA o CC), se seleccionan las piezas del circuito de salida.

• En el caso de cargas de CA, el dispositivo de conmutación más popular es un tiristor, en forma de rectificador controlado de silicio (SCR) o más conocido por el término TRIAC (triodo para corriente alterna). El TRIAC está formado por dos SCR conectados en paralelo inverso, por lo que puede transportar corriente en ambas direcciones al mismo tiempo a través de una onda sinusoidal de CA. Incluso los SSR de CA más avanzados conmutan a la mitad de una onda sinusoidal para permitir transiciones de corriente más graduales.
• Cargas de CC que suelen conmutarse con un transistor de potencia, por ejemplo, un transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico (MOSFET) o un transistor bipolar de puerta aislada (IGBT); estos tres componentes también se conocen como transistores de conmutación. Algunos SSR de corriente continua más pequeños (y baratos) sólo tienen un MOSFET, que proporciona una conmutación precisa con pérdidas mínimas. Interruptores de corriente continua Estos interruptores también se utilizan como dispositivos de control de alta corriente muy rápidos y eficaces, con un buen control de la salida de corriente.

Al integrar estas tres etapas, el SSR proporciona un método robusto, seguro y muy eficaz para que la lógica digital controle una potencia eléctrica significativa sin ningún contacto físico.

Relé de estado sólido frente a relé mecánico: Principales diferencias

Elegir entre un relé de estado sólido (SSR) y un relé electromecánico (EMR) convencional es un proceso de diseño importante. Aunque tienen la misma finalidad general, se diferencian en términos de rendimiento. Una comparación detallada puede mostrar las ventajas y desventajas exactas de cada una de las tecnologías.

Profundicemos en estas distinciones críticas:

• Longevidad y fiabilidad: Es la ventaja más importante del SSR. Al no contener piezas móviles, no sufre desgaste. Los contactos se desgastan físicamente en un EMR debido a la formación de arcos y al impacto con cada acción, por lo que tienen una vida útil limitada. Si se utilizan de acuerdo con sus especificaciones, los SSR tienen una vida útil hasta 100 veces superior, por lo que son más adecuados para su uso en conmutaciones frecuentes.
• Velocidad y rendimiento: A diferencia de la inercia física que limita a los EMR, los SSR pueden activarse y desactivarse en microsegundos, frente a los 5 a 15 milisegundos. Esta alta velocidad es esencial en aplicaciones como el control preciso de la temperatura (por ejemplo, un controlador de temperatura) o una automatización de alta velocidad en la que se requieren periodos de ciclado rápidos.
• Ruido e interferencias: El hecho de que un SSR no genere ruido puede ser una ventaja obvia en áreas de alta sensibilidad al ruido, como centros médicos o edificios inteligentes. Y lo que es más importante, la ausencia de arco de contacto también implica que los SSR producen una cantidad muy pequeña de interferencias electromagnéticas (EMI) e interferencias de radiofrecuencia (RFI). Las EMI producen un fuerte ruido eléctrico y este tipo de cosas se pueden denominar como la chispa que hacen las EMI cuando entran en contacto con ciertos componentes electrónicos sensibles. Esto es esencial cuando hay que manipular equipos electrosensibles.
• Durabilidad: Los SSR están encerrados en epoxi, lo que los hace muy resistentes a los golpes y vibraciones. Los EMR, con sus piezas mecánicas finamente ajustadas, se autodestruyen o vibran cuando se ven sometidos a condiciones ambientales idénticas, por ejemplo, en sistemas de ventilación industrial.
• Contrapartidas: Los SSR no son un interruptor ideal. Los dispositivos semiconductores de salida presentan una pequeña resistencia interna que provoca una pequeña caída de tensión cuando se conectan. Esta pérdida se transforma en calor, que es proporcional al flujo de corriente a través de la carga (P = Vdrop Iload). Por ello, los SSR necesitan a veces un disipador de calor para evacuar esta energía térmica y evitar el sobrecalentamiento. En comparación, los contactos metálicos cerrados de los EMR son casi nulos y forman un calor mínimo. Además, la corriente de fuga con un SSR apagado puede ser muy baja, sin llegar a ser cero, mientras que un EMR apagado puede considerarse como un entrehierro con una resistencia infinita.

CA frente a CC: Diferentes tipos de SSR

El primer factor en la elección de un SSR es el tipo de carga que se va a operar. Los relés de estado sólido tienen el diseño específico para CA o CC y el diseño del circuito interno de salida de corriente es, en esencia, diferente.

Relés de estado sólido de CA

Los más populares son los SSR de CA destinados a conmutar tensiones de red (por ejemplo, 120 V, 240 V, 480 V CA). Como se ha dicho, emplean un TRIAC o un SCR doble back-to-back como interruptor de salida. En muchos SSR de CA se presta mucha atención a la detección del paso por cero. Un relé de paso por cero tiene un circuito interno que controla cuándo la onda sinusoidal de CA cruza el punto de cero voltios antes de activar o desactivar la salida.

• Ventajas del cruce por cero: Ventaja del paso por cero La conmutación de una carga pesada de CA en la cresta de su onda de tensión senoidal puede producir una irrupción de corriente tremenda con altos niveles de RFI. La conmutación en el punto de tensión cero es mucho más suave. De este modo, se alivia mucho la carga (sobre todo en lámparas incandescentes y cargas capacitivas) y se reduce al mínimo el ruido eléctrico generado. En general, es el comportamiento por defecto de la mayoría de las cargas resistivas, como calentadores y lámparas. Por el contrario, algunos SSR permiten la conmutación en medio de un pico de onda sinusoidal cuando se utilizan con cargas inductivas, lo que resulta ventajoso.

Relés de estado sólido de CC

Los SSR de CC están optimizados para conmutar cargas de corriente continua, lo que ocurre principalmente en sistemas alimentados por baterías, automóviles y control de motores de CC o solenoides. Emplean elementos de conmutación, como transistores de potencia (por ejemplo, MOSFET o IGBT). En comparación con un TRIAC, que se apagaría al paso por cero de la corriente alterna, un MOSFET es más bien un solenoide instantáneo. Se enciende cuando se aplica una señal de control y se apaga instantáneamente cuando se retira la señal. Esto puede soportar conmutaciones de muy alta frecuencia y modulación por ancho de pulsos (PWM) de cargas de CC para PW la velocidad o el brillo. La retroemisión es también un tipo de tensión inversa que, cuando no está protegida, puede destruir el relé al controlar motores.

Otras clasificaciones clave

Además de la distinción CA/CC, los SSR también se clasifican por:

Tipo de conmutación:

• Paso por cero: Para las aplicaciones de CA más comunes (cargas resistivas).
• Encendido aleatorio (o instantáneo): Estos relés de CA se encienden inmediatamente que se proporciona una señal de control, independientemente de la ubicación de la forma de onda de CA. Son necesarios para controlar cargas inductivas (como motores y transformadores) y cuando se desea un control de fase preciso.
• Encendido de pico: Estos relés de CA se encienden en el pico de la onda sinusoidal de CA y, como tales, son muy adecuados cuando las cargas son altamente inductivas y cuando debe controlarse la corriente de irrupción.

Estilo de montaje:

• Montaje en panel: Son unidades más pesadas y se colocan sobre un chasis o un disipador de calor. Se utilizan para conmutar corrientes elevadas (normalmente de 10 A a más de 100 A), que a menudo se expresan en amperios.
• Montaje en PCB: Pueden ser más pequeños, con frecuencia en formato “Single In-line Package” (SIP) o “Dual In-line Package” (DIP) y se pueden soldar directamente a una placa de circuito impreso para conmutar corrientes más bajas utilizando terminales de relé más pequeños.

Cuándo utilizar un SSR: Ventajas y aplicaciones

Las características únicas de los relés de estado sólido los hacen excelentes en un amplio espectro de aplicaciones en las que los relés electromecánicos no son aplicables. La necesidad de alta fiabilidad y conmutación rápida, bajo nivel de ruido y precisión son los factores que impulsan el uso de un SSR.

Estas son algunas de las aplicaciones más comunes:

• Calefacción industrial y control de temperatura: Se trata de una aplicación SSR tradicional. La temperatura exacta debe controlarse en hornos industriales, máquinas de moldeo de plástico y procesamiento de semiconductores. Los SSR permiten que un controlador PID encienda o apague un elemento calefactor con la frecuencia suficiente en algunos momentos (un método conocido como proporción de tiempo) para permitir un control increíblemente estable del elemento calefactor, siendo imposible de controlar con un EMR de desgaste lento.
• Control de la iluminación: Los SSR se utilizan para controlar sistemas de iluminación teatral y arquitectónica a gran escala que requieren un funcionamiento silencioso y sonoro. Son ideales para hacer frente a la alta corriente de irrupción de las lámparas incandescentes o LED y la capacidad de conmutación rápida los hace ideales para edificios más pequeños, y el efecto sin parpadeo adecuado para la regulación.
• Equipos médicos: En los equipos médicos orientados al paciente, el silencio es esencial para el confort y la tranquilidad. Además, los SSR son muy fiables (mucho más que los relés) y apenas producen EMI, lo que es vital para el funcionamiento seguro de equipos tan sensibles como las máquinas de diálisis o las incubadoras, sin entorpecer el trabajo de otros equipos de monitorización sensibles.
• Automatización industrial (salidas de PLC): Durante la automatización de fábricas, los controladores lógicos programables (PLC) pueden necesitar controlar mecanismos y dispositivos como motores, solenoides, válvulas y actuadores. Los SSR actúan como interfaz entre las salidas de baja tensión de los PLC y la maquinaria de alta potencia, lo que garantiza una larga vida útil sin mantenimiento en un entorno de fábrica ruidoso y con altas vibraciones eléctricas.
• Hogares y electrodomésticos inteligentes: Los electrodomésticos que son inteligentes y controlados de la casa son realmente perfectos con SSR de montaje en PCB debido a su naturaleza silenciosa de funcionamiento y tamaño, que no causará ese molesto sonido audible de un relé mecánico.

Cómo seleccionar el SSR adecuado para su proyecto

Seleccionar el SSR adecuado no es sólo cuestión de ajustar la impedancia de la tensión y la corriente; debe planificarse cuidadosamente para que sea seguro, fiable y funcione bien. Un fallo en el ajuste de uno de los parámetros fundamentales puede provocar la destrucción prematura del relé o de la carga de control. Estos son los puntos clave que hay que tener en cuenta:

1. Tipo de carga (CA o CC): La primera y principal decisión es definir qué tipo de carga debe utilizarse. Hay que adecuar el relé a la carga como se ha explicado anteriormente. La aplicación de un SSR DC en una carga AC o las dos no funcionará.
2. Tensión de funcionamiento: Cuando se utilice alimentación trifásica, elija un SSR con una tensión nominal máxima de funcionamiento numéricamente alta para disponer de un margen de seguridad sobre la tensión nominal del sistema de alimentación contra sobretensiones de línea, transitorios y fugas de corriente de los semiconductores-electrodos de transferencia de calor. Un SSR típico y seguro sería un SSR de 480 V o 600 V con una línea de 240 V CA.
3. Corriente de carga máxima y reducción: La corriente nominal se aplica a una temperatura ambiente (por ejemplo, 25 o C). Pero cuando la temperatura es alta, la capacidad de transporte de corriente del SSR se reduce. Es lo que se denomina derating. Es necesario descargar la hoja de datos del fabricante de los relés y encontrar la curva de reducción y elegir un relé con una capacidad de corriente que sea cómodamente superior a su límite superior de corriente de carga a las temperaturas a las que es probable que utilice el equipo (es seguro suponer que tiene la intención de equipar el equipo con un ventilador para eliminar el aire caliente). Una regla empírica sería elegir un SSR con una corriente nominal que sea al menos el 50% de la corriente en estado estacionario de la carga.
4. Requisitos del disipador de calor: Todos los SSR que funcionan a más de unos pocos amperios se calientan y necesitan algún medio para disipar el calor. La resistencia térmica del dispositivo se especifica en la hoja de datos (en C/W). Debe seleccionarse un disipador de calor adecuado y asegurarse de que la temperatura de la unión interna no supere la temperatura máxima permitida en el SSR (el límite máximo suele ser 125C). El uso insuficiente del disipador de calor es la razón más frecuente que provoca el fallo del SSR.
5. Tensión de la señal de control: Asegúrese de que la tensión de control suministrada por su circuito lógico (por ejemplo, 5 V desde un Arduino, 24 V desde un PLC) se encuentra dentro del rango de entrada especificado del SSR (por ejemplo, 3-32 V CC).
6. Tipo de conmutación (paso por cero o aleatoria): Cuando utilice el SSR con un circuito lógico (por ejemplo, un Arduino, PLC), asegúrese de que la tensión de control se encuentra dentro de los límites de entrada indicados (por ejemplo, 3-32V CC) del SSR.

Evaluando estos parámetros con el enfoque cuidadosamente elegido y comparándolos con la hoja de datos proporcionada por el fabricante, estará seguro de integrar un SSR en su aplicación para que funcione con una larga e impresionante vida útil.

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