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Volviendo a los relés

Profundizando en un tema muy amplio

Objetivos

 

 

    • Volviendo a los relés.
    • Viendo más en detalle su funcionamiento y sus características.
    • Ventajas e inconvenientes con relación a los transistores.
    • Algunos tipos de relés .
 

Material requerido.

 Taza de café Paciencia y 20 minutos de sobra.

Más sobre los relés

 

En una sesión anterior hicimos una introducción al tema de los relés y además de presentar un poco la idea de lo que son y cómo funcionan, presentamos algunos ejemplos de cómo usarlos y de porque son importantes en muchos proyectos.

Pero quizás fue una introducción excesivamente breve y más pensada como apoyo al kit de inicio que como una sesión que nos permitiera conocer más a fondo el tema, de por sí muy extenso, y sobre el que podemos hablar largo y tendido.

Así que ha llegado el momento de volver sobre el tema y profundizar un poco más en esta cuestión, limitándonos a aquellos modelos o temas que puedan servirnos desde el mundo Arduino, porque de otro modo este sería un tema inabarcable, y no quisiera ponerme pesado, disertando sobre temas que rara vez encontraremos en la electrónica de aficionados.

 
  • Porque no pretendemos, de ningún modo, entrar en la cuestión de los relés de potencia que son un mundo propio y que sería desproporcionado en una página de Arduino.   

Lo primero que a los estudiantes de electrónica les suele sorprender sobre los relés, es que son tecnología punta… del siglo XIX.

¿Y cómo es posible que sigamos usando algo tan antiguo? Os estaréis preguntando. La respuesta es sencilla: Porque son baratos, pequeños, eficaces y largamente probados, lo que por ahora les convierte en imprescindibles en un montón de aplicaciones.

Así que vamos a empezar a ver con más detalle el curioso  mundo de los relés, el mayor superviviente tecnológico conocido hasta la fecha.

 

Cómo funcionan los relés

 

Como ya dijimos previamente, un relé es un interruptor electromecánico que se conmuta (Cambia de estado) mediante una señal eléctrica, y mira qué curioso, es digital, porque solo puede tomar el valor abierto y el cerrado, o si lo preferís, 1 o 0, o tal vez True o False.

EL principio de funcionamiento es bastante simple, aunque parece que a mucha gente le resulta difícil de entender, y se basa en las leyes de electromagnetismo (Cerrad la puerta. Que no huya nadie)

Electroiman

Este circuito que veis arriba consiste sencillamente en un núcleo de hierro dulce (Que es ferromagnético) y un cable conductor eléctrico, arrollado alrededor del núcleo, que se conecta a una batería de corriente continua.

 
  • Si queréis hacer un experimento sencillo en casa, buscar una barra sencilla de hierro y arrollad un único cable unas cuantas veces a su alrededor, siempre en la misma dirección.
  • Cuantas más vueltas deis al hilo más potente será el imán.
  • Podéis conectar una batería de 9V por ejemplo, (NO. No señor. No funciona con corriente alterna).
  • ¿Adivinais que pasaria si una corriente alterna recorre el circuito?  

Las leyes de la física dictan que si cerramos el interruptor, en el hierro se induce un campo  magnético sostenido, siguiendo las reglas de las leyes de Maxwell. Es decir se convierte en un electroimán.

Si el núcleo no está sujeto a las espiras devanadas, se desplazará lateralmente, y si está sujeto el conjunto se comporta como un imán que podemos encender y apagar, lo que aprovechamos, para construir los relés.

io23Fijaros en la imagen superior. Cuando damos tensión a la bobina, el electroimán atrae la armadura haciéndola bascular alrededor del pívot, lo que desplaza el contacto móvil hacia arriba conectando el pin Normalmente abierto con el común cerrando el circuito.

A este contacto se le llama normalmente abierto (NA), porque el circuito entre el común y el pin NA, esta normalmente abierto(o sin conexión) hasta que se activa el relé.

Por el mismo motivo hablamos del normalmente cerrado (NC), ya que el contacto está cerrado cuando el relé no está excitado.

Cuando la bobina pierde la alimentación, el efecto imán desaparece y un resorte devuelve la armadura a la posición de reposo. A este tipo de relé, sorprendentemente se le llama de armadura, vaya usted a saber porqué.

 
  • Por si no os habías dado cuenta los primeros relés datan como de 1830 y son la base de todo el sistema de telegrafía en código Morse de la época. Y los clics secos, que los de una cierta edad asociamos con el sonido del  telégrafo, es sencillamente el ruido del relé al conmutar.
  • Hay muchos tipos de relés dependiendo de su utilidad y su modo de construcción, pero el principio básico sigue siendo el mismo y este me ha parecido el más sencillo.  

Uno podría pensar que los relés deberían tener 4 contactos. Dos para la alimentación y dos para cerrar el circuito:

Rele de 4 pines

Pero aunque existen, esto tendría el problema de que habría que fabricar un modelo NC y otro NA lo que es caro (Y la pasta manda, claro)

Por eso, la mayor parte de los relés son de 5 pines. 2 se usan para conmutar el relé y los otros tres son el común y los pines NA y NC, pero al final un relé es un mecanismo, en el que una parte móvil metálica, cierra un contacto o lo abre.

Rele con NC y NA

Como la vida real tiende a ser complicada, y el ánimo de lucro siempre presente, el mercado ofrece toda una colección de variantes de la idea anterior de múltiples contactos en el mismo encapsulado con señal única como este diagrama que os muestro abajo.

 
  • Podéis estar seguros de que si alguien puede imaginar un tipo de relé por extravagante que os parezca, alguien lo fabrica y vende..   
Reles de multiples contactos

 

¿Transistor o relé?

 

Y de nuevo surge la cuestión ¿Porque usar un relé y no un transistor para conmutar un interruptor?

Pues porque cada uno tiene ventajas e inconvenientes. Dependiendo de la aplicación, un transistor o un relé pueden ser lo más indicados.

Como regla general, un transistor conmuta varios millones de veces más rápido que un relé. Si necesitas conmutar unos cuantos miles o decenas de miles de veces por segundo, ya te puedes olvidar de un relé, que al ser mecánico su velocidad se limita gravemente.

 
  • No estoy seguro a qué velocidad se puede conmutar un relé (Quizás pocas decenas de veces por segundo). Tened en cuenta que hay que excitar la bobina y eso lleva tiempo por la resistencia inductiva y después hay que vencer la inercia del contacto que es mecánico y más pesado cuanto más grande sea el relé.   

Pero un transistor es un componente electrónico discreto y pequeño, lo que hace que su capacidad de conducir corriente sea limitada, No más allá de unos pocos amperios sin entrar en transistores de potencia (Especiales y caros), mientras que un relé de un eurito conmuta tranquilamente 10 amperios sin más que ponerle unos contactos metálicos más gruesos o de mayor superficie, y los encontraras en cuanto levantes una piedra.

 
  • Así que si quieres conmutar cargas medio elevadas sin problemas de velocidad de conmutación, un relé es una solución barata y eficaz.   

Claro que precisamente el chasquido del relé, supone un golpe de partes móviles mecánicas, y una vida útil limitada, lo que significa que al cabo de N conmutaciones un relé se irá acercando a su inevitable final, mientras que un transistor puede llevar una vida alegre y pacifica muchos años.

Un relé tiene desgate mecánico cada vez que conmuta,  mientras que un transistor no sufre en absoluto con ello y lo hace millones de veces por segundo como si no tuviera importancia.

Tanto los transistores como los relés tiene la ventaja, de disponer de un circuito de baja, el control, y otra circuito de alta, la carga, por lo que se aísla eficazmente el circuito de control, normalmente de baja tensión, como nuestros Arduinos (Y por regla general caros)  del circuito de carga elevada que puede ser un motor de una cierta potencia, y muy capaz de chamuscar nuestros circuitos de control y en muchas ocasiones hasta a algún operador atolondrado.

Por eso, cuando se manejan media y alta tensión en la industria, que pueden freír a un operario si hay cualquier fuga, se suelen usar relés para conseguir aislamiento galvánico, por evidentes razones de seguridad, y  se exige aislar la tierra del circuito de potencia (De ahí el nombre de tierra o Ground en inglés) y el negativo o GND del circuito de control, garantizando así el aislamiento galvánico de los dos circuitos.

 
  • Además la industria suministra relés para conmutar tensiones e intensidades descomunales (A precios a la altura) y del tamaño de un coche pequeño.
  • Dependiendo de diferentes razones, en las que no sería practico entrar aquí, también pueden usarse en esta labor transformadores y opto acopladores que de nuevo se nos sale un poco del tema, pero puede que algún día tengamos que hablar de ellos.   

En el mundo Arduino vamos a usar relés de baja potencia, como mucho tensiones alternas alternas de 220V y máximo 5Amperios y solo se requiere más para pequeños motores.

 
  • No os conviene sobrepasar este nivel de cargas, hasta que no tengáis claro lo que estáis haciendo, porque un calambrazo a 360V os dejará incapaces de peinaros en unos días, pero si hay además 5 Amperios, la broma puede acabar en el hospital.
  • Sed prudentes hasta que tengáis claro lo que estáis haciendo.   

 

Controlando un motor mediante un relé

 

Cuando hablamos de usar un Arduino para controlar el sentido de giro de un motor de corriente continúa, dijimos que necesitábamos un H-bridge para invertirlo.

Pero en realidad este problema existía mucho antes de que se inventaran los H-bridge y el personal, que no es tonto, enseguida encontró una solución sencilla con un relé (Que te parece) mediante un circuito de lo más básico:

Invirtiendo el sentido de giro

Un sencillo interruptor contarla el sentido de giro del motor, con un simple relé y sin electrónica. Si alguien piensa que así no se puede regular la velocidad del motor, debo decirle que basta con poner un potenciómetro en serie con la alimentación y asunto resulto. Coste total 1.5 € y ya se hacía 100 años antes de inventar los Arduinos.

Existe toda una tecnología del relé hoy en desuso, que va siendo sustituida por electrónica para realizar las funciones de control, pero que aún hoy quedan muchos circuitos de control de ascensores, elevadores, luces de emergencia y puertas gobernadas por sistemas de relés.

Claro que la electrónica tiene muchas ventajas, especialmente velocidad y potencia de cómputo, pero un conjunto de relés es un sistema de computación valido, que ha sostenido la revolución industrial, 100 años antes de que la electrónica y la microelectrónica tomaran el relevo.

Hoy tendemos a mirarlos un poco r encima del hombro, pero la cantidad de ingenio que hay detrás de la tecnología de relés es un monumento a la inventiva humana, y algo que puede asombrar a cualquiera con curiosidad y un tiempo para perder, estudiando cosas en desuso.

 

Relés de estado sólido o SSR

 

En los últimos años han ido apareciendo los llamados relés de estado sólido o SSR (Solid State Relay) y son cada vez más populares debido a una magnifica combinación de las ventajas de los relés mecánicos y de la electrónica de potencia.

Aunque no son realmente relés en el sentido estricto de la palabra, ya que no conmutan por inducción, sino que son básicamente un TRIAC, combinado con un opto acoplador y electrónica, funcionan como si lo fueran.

Un diagrama típico podría ser algo así:

SSR Solid State Relay

No es fácil que en el mundo Arduino encontremos TRIACs, pero por si acaso, según la Wikipedia es:

  • Un TRIAC o Tríodo para Corriente Alterna es un dispositivo semiconductor, de la familia de los tiristores. La diferencia con un tiristor convencional es que éste es unidireccional y el TRIAC es bidireccional.

Se trata de un componente electrónico que se emplea en la industria para regular corriente alterna de potencia para alimentar motores eléctricos industriales por regulación de fase.

Si los párrafos anteriores te han sonado a griego clásico, no te preocupes mucho, les pasa a todos los estudiantes, pero seguramente significa que no tienes que preocuparte de ello porque no vives en ese planeta, que es el de la electrónica industrial de potencia.

En este mundo los ingenieros no llevan polímetros de marca fina para medir la corriente, sino más bien usan un martillo de buen tamaño y lo manejan con mucha soltura.

Como ya he abusado de vuestra paciencia mas de lo que es aconsejable, ha llegado el momento de terminar la sesión, no sin antes anunciaros que en las próximas sesiones, empezaremos a ver de qué forma nos vamos a encontrar los relés en el mundo Arduino y que podemos encontrar por por ahí a precio razonable.

 

Resumen de la sesión

 

 

    • Vimos los relés un poco más en profundidad.
    • Entramos en sus detalles y funcionamiento.
    • Vimos cuando usar transistores y cuando relés.
    • Presentamos algunos tipos