Un relé o relevador es un dispositivo eléctrico que está diseñado para interpretar señales de entrada de tal manera de generar o eliminar abruptamente el contacto entre dos conductores en un circuito eléctrico es decir, es un interruptor
operado eléctricamente que además posee una gran ventaja pues permite separar eléctricamente el circuito controlador del circuito que está siendo controlado. Debido a estas características de un
nivel tan básico los relés son utilizados en una amplia gama de aplicaciones, incluyendo motores, compresores, calefactores y PLCs o controladores lógicos programables siendo estos últimos utilizados en la mayoría de los procesos industriales. De hecho, cada vez que alguno de sus
electrodomésticos hace este sonido es altamente probable que sea un relé el que está siendo activado.
Debido a esto, en este capítulo hablaremos sobre su relevancia cómo funcionan y cuáles son sus limitaciones Pero antes quiero agradecer a PBCWay por auspiciar este capítulo. PCBWay ofrece una amplia gama de servicios incluyendo PCBs simples o avanzadas con múltiples capas, rígidas o flexibles servicios de montaje de componentes e incluso servicios de prototipado con impresión 3D o mecanizado CNC con lo cual podrán realizar todas las partes de sus proyectos en un solo lugar. Así que aprovechen y pasen por su página web. Primero debemos entender por qué es importante separar eléctricamente el circuito controlador del que está siendo controlado.
Supongamos que tenemos un circuito alimentado por una batería en el cual un sensor activa un LED cada
vez que detecta un objeto. Esto puede ser útil hasta cierto punto.
pero es altamente probable que queramos realizar alguna otra acción al detectar un objeto. Por ejemplo, podríamos utilizar este mismo circuito para activar una correa transportadora en vez de solo encender un LED. En este caso, uno podría pensar que sólo cuestión de cambiar los cables que antes alimentaban al LED y conectarlos a un motor, sin embargo
si hiciéramos esto no ocurriría nada.
El circuito sería capaz de detectar el objeto y enviaría una corriente eléctrica al motor pero ésta sería tan pequeña que no tendría la potencia necesaria para moverlo. Alternativamente podríamos pensar en alimentar todo el circuito con una corriente y voltajes más altos capaces de hacer funcionar el motor pero eso nos generaría otros problemas. Los componentes del circuito de control se quemarían instantáneamente pues sólo son capaces de soportar voltajes muy bajos. Además, aun si la soportaran el circuito de control que funcionaba con corriente continua proporcionada por la batería lo estaríamos alimentando con corriente alterna y tampoco funcionaría correctamente a menos que integráramos otros componentes. Por suerte el relé permite solucionar todos estos problemas fácilmente. La señal que antes encendía el LED ahora se encargará de activar o desactivar el relé es decir, abrir o cerrar el paso de la electricidad por el circuito que alimenta el motor todo sin que ambos circuitos entren en contacto.
Existen varios tipos de relés pero para entender cómo funcionan nos centraremos en uno de los más utilizados:
los electromagnéticos o electromecánicos. Éstos se componen principalmente de tres elementos: un electroimán, un armazón móvil y una serie de contactos. Si nos enfocamos en el electroimán éste estará conectado al circuito controlador y tal como lo indica su nombre, cuando pasa una corriente eléctrica por él se formará un campo magnético comportándose de manera similar a un imán permanente. Más específicamente, esto ocurre debido a la ley de Ampere la cual nos dice que cuando existe una corriente eléctrica en un conductor ésta genera un campo magnético de forma circular alrededor de él. De esta forma, al enrollar el cable en forma
de una espiral o bobina los campos magnéticos generados por cada vuelta se suman generando un campo magnético con una mayor fuerza, un resultado que es potenciado aún más por un núcleo de hierro el cual es capaz de guiar el campo magnético por su interior. Por otro lado, el armazón móvil es
básicamente una palanca construida de un material aislante que incluye además algún material como
el hierro en uno de sus extremos.
Éste, al ser un material ferromagnético, es atraído por los campos magnéticos cercanos independiente de su polaridad. Debido a esto, cuando el electroimán es activado o desactivado el armazón móvil cambia entre dos posibles estados. Finalmente, los contactos estarán
conectados al segundo circuito y además en este caso particular se encontrarán separados el uno del otro impidiendo el paso de la corriente. Ahora, entendiendo todos los componentes podemos ver el relé en funcionamiento. Cuando una corriente eléctrica llega al electroimán éste comenzará a generar un campo magnético.
A su vez la pieza de hierro en el armazón móvil será atraída por dicho campo magnético haciendo que este cambie de posición y empuje con su otro extremo a uno
de los contactos hasta que los dos se unan,
con lo cual se cerraría el circuito y el motor comenzaría a funcionar. El principio de su funcionamiento es bastante simple e intuitivo pero aún así existen decenas de variantes de estos componentes así que ahora veremos algunas de las más importantes. La primera está relacionada a su funcionamiento como interruptor. Si bien en el ejemplo mencionamos
que ésta podía cerrar un circuito al aplicar una corriente esta no es la única opción.
En términos técnicos, al primer ejemplo se le conoce como un interruptor normalmente abierto pero también podríamos tener una variante normalmente cerrada es decir que cuando no pasa corriente por el electroimán,
sí pasa corriente por el segundo circuito y cuando el electroimán es activado,
éste separa los contactos e impide el paso de la corriente. Esta diferencia puede parecer un detalle menor. pero para ciertos casos su elección tiene una gran relevancia. Supongamos que queremos utilizar un relé normalmente cerrado en nuestra correa transportadora. Podríamos cambiar la programación del circuito controlador para que éste envíe una corriente eléctrica cuando la correa deba detenerse. Sin embargo, si por alguna razón se acaba la batería del circuito controlador uno de sus componentes falla o simplemente queremos realizar algún cambio en él y por lo tanto éste es incapaz de enviar corriente al electroimán entonces el motor funcionaría sin parar hasta que resolvamos el problema.
Además de esto, en otros contextos, la selección entre un relé normalmente abierto o normalmente cerrado puede tener implicancias energéticas. Por ejemplo, si queremos controlar una lámpara que deseamos mantener encendida por 20
horas y apagada durante 4 entonces sería mejor utilizar un relé normalmente cerrado pues sólo necesitaríamos mantener el relé energizado durante 4 horas a diferencia del normalmente abierto aunque debería estar energizado por 20 horas. Estos dos tipos de relés se conocen como
de un polo y un tiro donde la cantidad de polos hace referencia al número de diferentes circuitos o caminos que un solo interruptor puede controlar y la cantidad de tiros hace referencia a cuántos diferentes contactos o conexiones de salida pueden ser conectados al interruptor. Para que no se confundan, ahora lo veremos con algunos ejemplos. Si convertimos nuestro relé de un tiro en uno de doble tiro ahora tendremos tres conectores en el lado del circuito siendo controlado. Al analizar su funcionamiento nos daremos cuenta de que básicamente es una fusión de los dos ejemplos anteriores. Cada vez que el electroimán cambie de estado y mueva el armazón móvil lo único que hará es abrir el circuito que estaba cerrado y cerrar el circuito que estaba abierto.
En otras palabras, en el mismo relé tendremos un conector que se comporta como normalmente abierto y otro que se comporta como normalmente cerrado, siendo más versátil para distintas aplicaciones. Por otro lado, si pasamos de un relé de un polo a doble polo sería equivalente a tener dos relés iguales siendo activados simultáneamente por la misma señal de entrada en el electroimán obteniendo como resultado algo como esto. En este caso sería un relé de doble polo y doble tiro. Aquí quizás las posibles aplicaciones no son tan evidentes pero un ejemplo sería permitir cambiar
la dirección de rotación del motor. Supongamos que esta vez el motor funciona con corriente continua y por lo tanto la dirección de rotación depende directamente de la polaridad de los cables a
los que está conectado. En este caso, podemos conectar cada uno de los terminales del motor a dos de los terminales del relé uno en el conector normalmente cerrado del primer polo y el otro en el normalmente abierto del otro polo.
De esta forma cada vez que el relé cambia de estado invertirá la polaridad de la corriente que pasa por el motor y a su vez invertirá la dirección de rotación. Claramente, en este caso no tendríamos la opción de detener el motor si es que quisiéramos pero lo podemos resolver fácilmente utilizando un segundo relé de un tiro y un polo como lo habíamos hecho inicialmente.
Tal como pudimos ver un relé es un componente simple pero a su vez bastante versátil que dependiendo de su estructura interna y las conexiones que hagamos nos permite controlar máquinas eléctricas de diferentes maneras. Ahora retrocediendo un poco, si nos enfocamos en sus limitaciones Si bien los relés pueden separar circuitos de diferentes voltajes y amperajes éstos no necesariamente resistirán todas las configuraciones posibles. Si el voltaje con el cual se trabaja es demasiado alto éste podría llegar a ionizar el aire y conectar eléctricamente componentes que físicamente no se están tocando. Más específicamente, cuando los contactos se encuentran demasiado cerca esto puede generar un arco eléctrico el cual provoca un aumento considerable de la temperatura en ese lugar resultando en un peligro para el circuito y
el exterior. Además, dado que el funcionamiento de un relé electromagnético depende del movimiento de algunas piezas con propiedades elásticas el contacto no es perfecto de manera instantánea. Al analizar lo que ocurre en cámara lenta nos daremos cuenta de que al cambiar el estado del relé los conectores se conectarán y desconectarán varias veces antes de llegar a una posición estable generando lo que se conoce como efecto rebote.
Si bien en el caso de controlar un motor esto no es un mayor problema puede que para otros componentes esto sí afecte su funcionamiento como por ejemplo circuitos digitales que trabajan las frecuencias superiores a la del efecto rebote. Para ambos casos dado que el problema se relaciona directamente a los contactos del relé los cuales deben moverse físicamente para abrir o cerrar el circuito la solución más fácil sería utilizar relés de estado sólido los cuales no poseen partes móviles y por lo tanto no sufren de arcos eléctricos o del efecto rebote. Sin embargo, si queremos seguir utilizando relés electromagnéticos también tendremos algunas alternativas.
Por ejemplo, integrar lo que se conoce como un circuito RC el cual, como lo indica su nombre posee un capacitor. Tal como lo vimos en un capítulo anterior este es un componente que al ser conectado a una fuente de corriente se carga eléctricamente y luego al ser desconectado puede liberar esas mismas cargas de manera controlada. Debido a esta cualidad puede ser utilizado de dos maneras. Primero para desviar la corriente y hacer que ésta comience a cargar el capacitor en vez de formar un arco eléctrico y segundo, para estabilizar la corriente proveniente del relé. Además para el caso particular del efecto rebote se puede utilizar también un SR latch un circuito que como vimos en un capítulo anterior es capaz de cambiar entre dos estados estables al recibir una señal en alguno de sus terminales.
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