4.2: Diseño de contacto del interruptor

Se puede construir un interruptor con cualquier mecanismo que ponga dos conductores en contacto entre sí de manera controlada. Esto puede ser tan simple como permitir que dos cables de cobre se toquen entre sí por el movimiento de una palanca, o empujando directamente dos tiras de metal en contacto. Sin embargo, un buen diseño de interruptor debe ser robusto y confiable, y evitar presentar al operador la posibilidad de descarga eléctrica. Por lo tanto, los diseños de interruptores industriales rara vez son tan crudos.

Las partes conductoras en un interruptor utilizado para hacer y romper la conexión eléctrica se denominan contactos. Los contactos suelen estar hechos de plata o aleación de plata-cadmio, cuyas propiedades conductoras no se ven comprometidas significativamente por la corrosión u oxidación de la superficie. Los contactos de oro exhiben la mejor resistencia a la corrosión, pero tienen una capacidad de carga de corriente limitada y pueden “soldar en frío” si se combinan con una alta fuerza mecánica. Cualquiera que sea la elección del metal, los contactos del interruptor están guiados por un mecanismo que garantiza un contacto cuadrado y uniforme, para obtener la máxima fiabilidad y mínima resistencia.

Contactos como estos se pueden construir para manejar cantidades extremadamente grandes de corriente eléctrica, hasta miles de amperios en algunos casos. Los factores limitantes para la ampacidad del contacto del interruptor son los siguientes:

• Calor generado por la corriente a través de contactos metálicos (mientras están cerrados).
• Chips causados cuando los contactos están abiertos o cerrados.
• El voltaje a través de los contactos abiertos del interruptor (potencial de la corriente saltando a través del espacio).

Una desventaja importante de los contactos estándar del interruptor es la exposición de los contactos a la atmósfera circundante. En un ambiente agradable, limpio y de sala de control, esto generalmente no es un problema. Sin embargo, la mayoría de los entornos industriales no son tan benignos. La presencia de químicos corrosivos en el aire puede hacer que los contactos se deterioren y fallen prematuramente. Aún más problemática es la posibilidad de que el contacto regular produzca chispas que provoquen la ignición de productos químicos inflamables o explosivos.

Cuando existen tales preocupaciones ambientales, se pueden considerar otros tipos de contactos para interruptores pequeños. Estos otros tipos de contactos están sellados del contacto con el aire exterior, y por lo tanto no sufren los mismos problemas de exposición que los contactos estándar.

Un tipo común de interruptor de contacto sellado es el interruptor de mercurio. El mercurio es un elemento metálico, líquido a temperatura ambiente. Al ser un metal, posee excelentes propiedades conductoras. Al ser un líquido, puede ponerse en contacto con sondas metálicas (para cerrar un circuito) dentro de una cámara sellada simplemente inclinando la cámara para que las sondas estén en la parte inferior. Muchos interruptores industriales utilizan pequeños tubos de vidrio que contienen mercurio que se inclinan de una manera para cerrar el contacto, y se inclinan de otra manera para abrirse. Aparte de los problemas de rotura del tubo y derrame de mercurio (que es un material tóxico), y la susceptibilidad a la vibración, estos dispositivos son una excelente alternativa a los contactos de interruptores al aire libre donde los problemas de exposición ambiental son una preocupación.

Aquí, se muestra un interruptor de mercurio (a menudo llamado interruptor de inclinación) en la posición abierta, donde el mercurio está fuera de contacto con los dos contactos metálicos en el otro extremo de la bombilla de vidrio:

Aquí, el mismo interruptor se muestra en la posición cerrada. La gravedad ahora mantiene el mercurio líquido en contacto con los dos contactos metálicos, proporcionando continuidad eléctrica de uno a otro:

Los contactos del interruptor de mercurio no son prácticos de construir en tamaños grandes, por lo que normalmente encontrará dichos contactos clasificados en no más de unos pocos amperios y no más de 120 voltios. Hay excepciones, claro, pero estos son límites comunes.

Otro tipo de interruptor de contacto sellado es el interruptor de láminas magnético. Al igual que el interruptor de mercurio, los contactos de un interruptor reed se encuentran dentro de un tubo sellado. A diferencia del interruptor de mercurio que utiliza metal líquido como medio de contacto, el interruptor reed es simplemente un par de tiras metálicas magnéticas muy delgadas (de ahí el nombre “reed”) que se ponen en contacto entre sí aplicando un fuerte campo magnético fuera del tubo sellado. La fuente del campo magnético en este tipo de interruptores suele ser un imán permanente, movido más cerca o más lejos del tubo por el mecanismo de accionamiento. Debido al pequeño tamaño de las cañas, este tipo de contacto normalmente se clasifica a corrientes y voltajes más bajos que el interruptor de mercurio promedio. Sin embargo, los interruptores de láminas generalmente manejan mejor la vibración que los contactos de mercurio, porque no hay líquido dentro del tubo para salpicar.

Es común encontrar que las clasificaciones de voltaje y corriente de contacto del interruptor de propósito general sean mayores en cualquier interruptor o relé dado si la energía eléctrica que se está conmutando es CA en lugar de CC. La razón de esto es la tendencia autoextinguible de un arco de corriente alterna a través de un entrehierro. Debido a que la corriente de la línea eléctrica de 60 Hz en realidad se detiene e invierte la dirección 120 veces por segundo, hay muchas oportunidades para que el aire ionizado de un arco pierda suficiente temperatura para dejar de conducir la corriente, hasta el punto en que el arco no se reiniciará en el siguiente pico de voltaje. DC, por otro lado, es un flujo continuo e ininterrumpido de electrones que tiende a mantener un arco a través de un espacio de aire mucho mejor. Por lo tanto, los contactos de interruptor de cualquier tipo incurren en más desgaste al conmutar un valor dado de corriente continua que para el mismo valor de corriente alterna. El problema de conmutar CC es exagerado cuando la carga tiene una cantidad significativa de inductancia, ya que habrá voltajes muy altos generados a través de los contactos del interruptor cuando se abre el circuito (el inductor hace todo lo posible para mantener la corriente del circuito en la misma magnitud que cuando el interruptor estaba cerrado).

Tanto con CA como CC, los arcos de contacto se pueden minimizar con la adición de un circuito “amortiguador” (un condensador y una resistencia cableados en serie) en paralelo con el contacto, así:

Un aumento repentino de voltaje a través del contacto del interruptor causado por la abertura del contacto será atenuado por la acción de carga del condensador (el condensador se opone al aumento de voltaje al dibujar corriente). La resistencia limita la cantidad de corriente que el condensador descargará a través del contacto cuando vuelva a cerrarse. Si la resistencia no estuviera allí, ¡el condensador podría hacer que el arco durante el cierre del contacto sea peor que el arco durante la apertura del contacto sin un condensador! Si bien esta adición al circuito ayuda a mitigar la formación de arcos de contacto, no está exenta de desventajas: una consideración primordial es la posibilidad de que una combinación de capacitor/resistencia fallida (cortocircuitada) proporcione una ruta para que los electrones fluyan a través del circuito en todo momento, incluso cuando el contacto está abierto y la corriente no lo está deseado. El riesgo de esta falla, y la severidad de las consecuencias resultantes deben considerarse contra el aumento del desgaste por contacto (y la inevitable falla de contacto) sin el circuito amortiguador.

El uso de amortiguadores en los circuitos de conmutación de CC no es nada nuevo: los fabricantes de automóviles llevan años haciendo esto en los sistemas de encendido del motor, minimizando el arco a través de los “puntos” de contacto del interruptor en el distribuidor con un pequeño condensador llamado condensador. Como cualquier mecánico puede decirle, la vida útil de los “puntos” del distribuidor está directamente relacionada con qué tan bien está funcionando el condensador.

Con toda esta discusión sobre la reducción del arco de contacto del interruptor, uno podría ser llevado a pensar que menos corriente siempre es mejor para un interruptor mecánico. Esto, sin embargo, no es necesariamente así. Se ha encontrado que una pequeña cantidad de arco periódico en realidad puede ser buena para los contactos del interruptor, ya que mantiene las caras de contacto libres de pequeñas cantidades de suciedad y corrosión. Si un contacto de interruptor mecánico se opera con muy poca corriente, los contactos tenderán a acumular una resistencia excesiva y pueden fallar prematuramente. Esta cantidad mínima de corriente eléctrica necesaria para mantener un contacto de interruptor mecánico en buen estado de salud se denomina corriente de humectación.

Normalmente, la clasificación de corriente de humectación de un interruptor está muy por debajo de su clasificación de corriente máxima y muy por debajo de su carga de corriente de funcionamiento normal en un sistema diseñado correctamente. Sin embargo, hay aplicaciones en las que puede requerirse un contacto de interruptor mecánico para manejar de manera rutinaria corrientes por debajo de los límites normales de corriente de humectación (por ejemplo, si un interruptor selector mecánico necesita abrir o cerrar una lógica digital o circuito electrónico analógico donde el valor de corriente es extremadamente pequeño). En estas aplicaciones, es muy recomendable que se especifiquen los contactos de interruptor chapados en oro. El oro es un metal “noble” y no se corroe como lo harán otros metales. Dichos contactos tienen requisitos de corriente de humectación extremadamente bajos como resultado. ¡Los contactos normales de plata o aleación de cobre no proporcionarán un funcionamiento confiable si se usan en ese servicio de baja corriente!

Revisar

• Las partes de un interruptor responsables de hacer y romper la continuidad eléctrica se llaman los “contactos”. Generalmente hechos de aleación de metal resistente a la corrosión, los contactos se hacen para tocarse entre sí por un mecanismo que ayuda a mantener la alineación y el espaciamiento adecuados.
• Los interruptores de mercurio utilizan una babosa de metal de mercurio líquido como contacto móvil. Sellado en un tubo de vidrio, la chispa del contacto de mercurio está sellada del ambiente exterior, lo que hace que este tipo de interruptor sea ideal para atmósferas que potencialmente albergan vapores explosivos.
• Los interruptores de láminas son otro tipo de dispositivo de contacto sellado, el contacto se realiza mediante dos “lengüetas” delgadas de metal dentro de un tubo de vidrio, unidas por la influencia de un campo magnético externo.
• Los contactos del interruptor sufren mayor coacción al conmutar CC que a la CA. Esto se debe principalmente a la naturaleza autoextinguible de un arco de CA.
• Una red de resistencia-condensador llamada “amortiguador” se puede conectar en paralelo con un contacto de interruptor para reducir la formación de arcos de contacto.
• La corriente de humectación es la cantidad mínima de corriente eléctrica necesaria para que un contacto de interruptor lleve para que sea autolimpiante. Normalmente, este valor está muy por debajo de la clasificación de corriente máxima del interruptor.