5.1: Construcción de relés

Una corriente eléctrica a través de un conductor producirá un campo magnético en ángulo recto con la dirección del flujo de electrones. Si ese conductor está envuelto en una forma de bobina, el campo magnético producido se orientará a lo largo de la bobina. Cuanto mayor es la corriente, mayor es la intensidad del campo magnético, siendo iguales todos los demás factores:

Los inductores reaccionan frente a los cambios de corriente debido a la energía almacenada en este campo magnético. Cuando construimos un transformador a partir de dos bobinas inductoras alrededor de un núcleo de hierro común, usamos este campo para transferir energía de una bobina a otra. Sin embargo, hay usos más simples y directos para los campos electromagnéticos que las aplicaciones que hemos visto con inductores y transformadores. El campo magnético producido por una bobina de alambre portador de corriente puede ser utilizado para ejercer una fuerza mecánica sobre cualquier objeto magnético, así como podemos usar un imán permanente para atraer objetos magnéticos, excepto que este imán (formado por la bobina) puede encenderse o apagarse encendiendo o apagando la corriente a través de la bobina .

Si colocamos un objeto magnético cerca de dicha bobina con el propósito de hacer que ese objeto se mueva cuando energizamos la bobina con corriente eléctrica, tenemos lo que se llama solenoide. El objeto magnético móvil se llama armadura, y la mayoría de las armadas se pueden mover con corriente continua (CC) o corriente alterna (CA) energizando la bobina. La polaridad del campo magnético es irrelevante con el propósito de atraer una armadura de hierro. Los solenoides se pueden usar para abrir eléctricamente pestillos de puertas, abrir o cerrar válvulas, mover extremidades robóticas e incluso accionar mecanismos de interruptor eléctrico. Sin embargo, si se usa un solenoide para accionar un conjunto de contactos de interruptor, tenemos un dispositivo tan útil que merece su propio nombre: el relé.

Los relés son extremadamente útiles cuando tenemos la necesidad de controlar una gran cantidad de corriente y/o voltaje con una pequeña señal eléctrica. La bobina de relé que produce el campo magnético solo puede consumir fracciones de un vatio de potencia, mientras que los contactos cerrados o abiertos por ese campo magnético pueden conducir cientos de veces esa cantidad de energía a una carga. En efecto, un relé actúa como un amplificador binario (encendido o apagado).

Al igual que con los transistores, la capacidad del relé para controlar una señal eléctrica con otra encuentra aplicación en la construcción de funciones lógicas. Este tema será tratado con mayor detalle en otra lección. Por ahora, se explorará la capacidad “amplificadora” del relevo.

En el esquema anterior, la bobina del relé es energizada por la fuente de bajo voltaje (12 VCC), mientras que el contacto unipolar y de un solo tiro (SPST) interrumpe el circuito de alto voltaje (480 VCA). Es muy probable que la corriente requerida para energizar la bobina del relé sea cientos de veces menor que la corriente nominal del contacto. Las corrientes típicas de bobina de relé están muy por debajo de 1 amperio, mientras que las clasificaciones de contacto típicas para relés industriales son de al menos 10

Se puede usar un conjunto de bobina/armadura de relé para accionar más de un conjunto de contactos. Esos contactos pueden estar normalmente abiertos, normalmente cerrados o cualquier combinación de los dos. Al igual que con los interruptores, el estado “normal” de los contactos de un relé es ese estado cuando la bobina está desenergizada, así como encontraría el relé sentado en una repisa, no conectado a ningún circuito.

Los contactos del relé pueden ser almohadillas al aire libre de aleación metálica, tubos de mercurio o incluso lengüetas magnéticas, al igual que con otros tipos de interruptores. La elección de los contactos en un relé depende de los mismos factores que dictan la elección del contacto en otros tipos de interruptores. Los contactos al aire libre son los mejores para aplicaciones de alta corriente, pero su tendencia a corroerse y chispas puede causar problemas en algunos entornos industriales. Los contactos de mercurio y lengüeta son sin chispa y no se corroen, pero tienden a tener una capacidad de carga de corriente limitada.

Aquí se muestran tres relés pequeños (aproximadamente dos pulgadas de altura, cada uno), instalados en un panel como parte de un sistema de control eléctrico en una planta de tratamiento de agua municipal:

Las unidades de relé que se muestran aquí se llaman “octal-base”, porque se conectan a enchufes coincidentes, las conexiones eléctricas aseguradas a través de ocho pines metálicos en la parte inferior del relé. Las conexiones de terminales de tornillo que ves en la fotografía donde los cables se conectan a los relés son en realidad parte del conjunto de enchufe, en el que cada relé está enchufado. Este tipo de construcción facilita la extracción y sustitución del (de los) relé (es) en caso de fallo.

Aparte de la capacidad de permitir que una señal eléctrica relativamente pequeña conmute una señal eléctrica relativamente grande, los relés también ofrecen aislamiento eléctrico entre la bobina y los circuitos de contacto. Esto significa que el circuito de bobina y el circuito o circuitos de contacto están aislados eléctricamente entre sí. Un circuito puede ser CC y el otro CA (tal como en el circuito de ejemplo mostrado anteriormente), y/o pueden estar en niveles de voltaje completamente diferentes, a través de las conexiones o desde conexiones a tierra.

Si bien los relés son esencialmente dispositivos binarios, ya sea completamente encendidos o completamente apagados, existen condiciones de funcionamiento donde su estado puede ser indeterminado, al igual que ocurre con las puertas lógicas semiconductoras. Para que un relé “tire” positivamente de la armadura para accionar los contactos, debe haber una cierta cantidad mínima de corriente a través de la bobina. Esta cantidad mínima se llama corriente de extracción, y es análoga al voltaje de entrada mínimo que requiere una puerta lógica garantizando un estado “alto” (típicamente 2 Voltios para TTL, 3.5 Voltios para CMOS). Sin embargo, una vez que la armadura se acerca al centro de la bobina, se necesita menos flujo de campo magnético (menos corriente de la bobina) para sostenerla allí. Por lo tanto, la corriente de la bobina debe caer por debajo de un valor significativamente menor que la corriente de extracción antes de que la armadura “caiga” a su posición cargada por resorte y los contactos reanuden su estado normal. Este nivel de corriente se denomina corriente de desconexión, y es análogo al voltaje de entrada máximo que una entrada de puerta lógica permitirá garantizar un estado “bajo” (típicamente 0.8 Voltios para TTL, 1.5 Voltios para CMOS).

La histéresis, o diferencia entre las corrientes de pull-in y drop out, da como resultado una operación similar a una puerta lógica de disparo Schmitt. Las corrientes de pull-in y drop out (y los voltajes) varían ampliamente de un relé a otro, y son especificadas por el fabricante.

Revisar

• Un solenoide es un dispositivo que produce movimiento mecánico a partir de la energización de una bobina de electroimán. La porción móvil de un solenoide se llama armadura.
• Un relé es un solenoide configurado para accionar los contactos del interruptor cuando su bobina está energizada.
• La corriente de arrastre es la cantidad mínima de corriente de bobina necesaria para accionar un solenoide o relé desde su posición “normal” (desenergizada).
• La corriente de caída es la corriente máxima de la bobina por debajo de la cual un relé energizado volverá a su estado “normal”.