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Los relés de estado solido

Introduciendo conceptos necasarios para alterna

Los relés de estado solido

 

 

    • Introducir algunos conceptos de corriente alterna AC.
    • Presentar los tiristores y TRIACs.
    • Conocer los relés de estado solido o SSR..
    • Utilizarlos para conmutar una lámpara domestica de 220 VAC

 

 

Material requerido.

Imagen de Arduino UNO  Arduino UNO o equivalente.
Vista principalUn rele de estado solido o SSR

 

Controlando la corriente alterna AC

 

Llevamos ya unas cuantas sesiones hablando de los relés, unos apartitos que son muy sencillos a primera vista pero que parecen un tema inagotable. Primero porque llevan muchos años en el mercado (Pero muchos…muchos) y segundo porque a pesar de ser mecánicos tiene una sorprendente gama de aplicaciones.

Hemos visto en la última sesión, por ejemplo, que son ideales para conmutar corriente alterna, de la que tenemos en casa, ya que al ser un contacto metálico, es fácil diseñarlo para que soporte una intensidad que fundiría un transistor de los normales a la primera.

Y claro está, controlar la corriente alterna es un bonus importante, porque por si no lo habíais notado, toda nuestra civilización se basa en la electricidad alterna o CA (En inglés Alternate Current o AC) y confía en ella para transmitir energía barata e instantánea.

 
  • Para quienes sintáis curiosidad dedicamos un capitulo previo a hacer una pequeña introducción a los conceptos básicos de la corriente alterna aquí.  

Así que en realidad ya habíamos visto conmutar corriente alterna con un relé normal, mecánico, por lo que es razonable preguntarnos ¿Entonces porque hay todavía más tipos relés? Y más importante aún…¿Nos odian los que fabrican los reles y quieren volvernos locos? ¿De verdad aportan algo nuevo unos relés sólidos, que sabe Dios que puede ser eso?

Pues la respuesta queridos amigos es que si y mucho, porque abren toda una nueva gama de aplicaciónes en regulación de potencia en el mundo de corriente alterna (Que es la única que cuenta cuando hablamos de potencia)

En la electrónica industrial el concepto de control de potencia por regulación de fase mediante tiristores y TRIACs es la base de todo y aunque es una rama de la electrónica con la que nos castigaron duramente en aquellos lejanos, y para nada añorados, años de universidad en los que san Tiristor era el patrón de la escuela de ingeniería electrónica de Bilbao (Con mucho cachondeo por parte de los químicos y metalúrgicos).

Y es que el control de la corriente alterna, tanto monofásica como trifásica y especialmente de los motores, tiene mucho que ver con los tiristores, TRIACS y Relés de estado sólido y es buen momento para hablar de ello aunque sea de refilón.

Porque aunque la mayor parte de los Arduineros trabajarán toda la vida en baja potencia sin ningún riesgo de recibir un calambrazo, hay ocasiones en que el control de la corriente alterna es muy interesante, como por ejemplo para diseñar un dimmer efectivo de luces de AC o regular la velocidad de un motorcito de AC y seguro que esto os parece mucho más interesante.

Y para que podamos entrar en esos temas necesito dar un rodeo y empezar hablándoos de otras cosas antes.

 

Tiristores y TRIACs

 

Un relé puede conmutar con facilidad 100 amperios. Basta con hacer los contactos móviles más anchos y gruesos para que puedan transmitir semejante intensidad, aunque un relé así no conmutará con un agradable clic, sino más bien con un golpe que hará que te tiemblen las muelas (Y probablemente haya arcos eléctricos saltando por los contactos como en una peli de Frankestein).

Y aquí es donde reside su primera debilidad. Un relé es mecánico y cada vez que conmuta, golpea un contacto metálico y por eso el desgate es su mayor enemigo. Y cuanto mayor es el relé más rápida se acerca su hora final.

El otro problema es la velocidad de conmutación. Un transistor puede conmutar miles de millones de veces por segundo, pero un relé muy pocas por rápido que sea. Y cuanto más grande… más lento.

Un transistor es una buena solución pero solo a muy baja potencia. No sufre desgaste mecánico porque no hay partes móviles y además es rapidísimo conmutando, pero como no existe la felicidad completa, su capacidad de transmitir alta intensidad es muy limitada.

Naturalmente siempre hay gente insatisfecha por ahí, pidiendo sistemas de estado sólido (O sea semiconductores) que conmuten a la velocidad de los transistores con la capacidad de absorber corriente de los relés, y ya que estamos que valga para alterna y continua y además barato.

Y como siempre que hay una demanda sólida en el mercado, algún ingeniero encuentra la forma de venderte un chisme que más o menos sirve para lo que tú quieres. En este caso los tiristores.

Simbolo electronico

Este es su símbolo, y seguro de que os daréis cuenta de que se parece sospechosamente al símbolo de un diodo con una patita nueva GATE o puerta.

Sin entrar en detalles de construcción, digamos que un tiristor es similar a un diodo, porque es un semiconductor que conduce en una única dirección, pero con un interruptor o Gate, que permite o corta esa conducción, y además dispone de la velocidad del transistor en la conmutación de la puerta y se pueden construir en todos los rangos de intensidades que un ingeniero loco pueda desear.

Y da la casualidad que los tiristores son casi el sistema perfecto para controlar la potencia que entregamos a, digamos un motor, por razones que aún es pronto para desvelar, pero recordad que la corriente alterna comercial no tiene un valor constante como la continua, sino que va variando su amplitud a lo largo de un ciclo sinodal completo:

Senoide

Los valores de la tensión crecen y decrecen de una forma regular a lo largo del tiempo primero con valores positivos y después con valores negativos. Las compañías eléctricas suministran este tipo de corriente con frecuencias de 50Hz y 220 VAC en Europa y 60Hz y 125VAC en América (Mayormente)

Hay mucha gente que no comprende porque se hace una cosa tan complicada de forma general, pero tenéis que entender que la tensión AC es mucho más eficaz para transmitir energía que la continua, especialmente cuando es trifásica (Eso lo dejamos para otro día) y además pierde menos energía en las líneas de transporte, entre otras muchas ventajas, que debemos a la preclara imaginación de Nicola Tesla, un señor que sin ir a la universidad y escasamente al colegio, inventó poco menos que toda la tecnología eléctrica actual.

Pero claro está, hemos dicho que un tiristor solo conduce la corriente en una dirección, como un diodo, por lo que aun cuando la puerta está activada, el resultado de pasar la corriente de arriba por un tiristor seria poco más o menos así:

grafica de picos

Porque sencillamente cortaría toda la corriente negativa sin más como haría un diodo. Por eso cuando queremos usarlo en corriente alterna en vez de los tiristores se usan TRIACs (Triodes for alternate current) cuyo símbolo es este:

TRIAC

Donde a partir de la imagen ya podéis sospechar que básicamente es como dos tiristores en oposición, de modo que cuando uno se corta, el otro conduce y viceversa, con lo que nos encontramos con un bonito componente, que conduce en ambas direcciones (Aunque sea a medias cada vez) y que se gobierna con una única puerta.

Al final es un componente con la velocidad de los semiconductores, y la capacidad de los relés lo que hace que se vendan como rosquillas.

 

Relés de estado Solido o SSRs

 

Ahora ya podemos presentar los relés de estado sólido (En inglés Solid State Relay o SSR). Básicamente existen versiones de corriente continua y alterna.

En el primer caso suelen utilizar transistores de potencia internos y en el caso de los SSR para AC suelen incorporar TRIACS mas un opto acoplador que garantice el aislamiento galvánico del sistema de control en la Puerta, con respecto al sistema TRIAC por el que fluyen tensiones y corrientes elevadas.

 
  • Como siempre con AC, hay que recordar que el cementerio está lleno de optimistas y que no conviene muchas bromas con TRIACs y Corriente alterna hasta que no estéis seguros de lo que hacéis.
  • 220V no es una corriente peligrosa si existen los diferenciales de seguridad adecuados, pero no conozco a nadie que después de recibir una sacudida se ría y vuelva a meter los dedos en el enchufe.
  • El tema puede empeorar mucho si estáis con las manos húmedas o con zapatos sin suela de goma (O sea casi todos los baratos) tened precaución por lo menos al principio, que no quiero tratos con abogados que son mala gente.  

Por eso es relativamente fácil encontrar en el mercado Relés de estado sólido sencillos y baratos muy fáciles de incluir en nuestros proyectos cuando son necesarios, que se manejan igual que un relé mecánico, pero con la enorme virtud de conmutar con la rapidez de un transistor y que podemos usar como base para cualquier aplicación que requiera gobernar corriente alterna.

Por ejemplo vamos a montar un pequeño ejemplo que este módulo de dos SSRs que podéis encontrar en nuestra tienda: SSR

Vista principal

Es un pack de 2 SSRs opto acoplados que pueden manejar tanto tensiones de hasta 220 VAC como Continua y manejar hasta 2 Amperios. Se controla exactamente igual que un relé mecánico mediante un montaje sencillo con nuestro Arduino que puede controlarlo directamente desde un pin cualquiera de 5V.

Las conexiones son triviales y simplemente necesitas conectar tensión 5V y GND para alimentar los acoples ópticos y después se manejan el disparo de los relés con un pin cada uno:

SSR y control VAC

Podemos usar un sencillo programa de blinking LED, para conseguir el encendido y apagado de una lámpara de AC domestica normal y corriente:

void setup()
   {  pinMode (6, OUTPUT) ; }

void loop()
   {  digitalWrite(6, HIGH) ;
      delay (500) ;
      digitalWrite(6, LOW);
      delay(500);
   }

El resultado es como veréis en este mini vídeo el esperado:

 

Vale hasta aquí todo normal, y ninguna novedad que no pudiéramos hacer con un relé mecánico… pero seguro que más de uno (Y es que en esta web solo acceden personas inteligentes de fina intuición) se os ha ocurrido una sospecha.

Si estos relés son tan rápidos como los transistores… ¿No podríamos dar una señal de PWM al control del SSR? Si con una señal PWM podíamos regular la tensión eficaz que entregábamos a un motor de continua y variar su velocidad… ¿Podría hacer un atenuador de luz o dimmer para una lámpara de tensión AC?

Podría usar un programa como este: Prog_164_2

#include <Servo.h>    // Incluir la librería Servo
Servo servo1;         // Crear un objeto tipo Servo llamado servo1
int angulo = 0 ;

void setup()
   {   servo1.attach(6) ;        // Conectar servo1 al pin 6 }

void loop()
   { for(angulo  = 0; angulo  <= 180; angulo  += 1)  
         { servo1.write(angulo);
           delay(25);
         }

     for(angulo  = 180; angulo  >=0; angulo  -=1 )   
         { servo1.write( angulo );
           delay(25);
         }
   }
 
  • No os dejéis despistar por usar la librería servo. Lo único que hace es entregar una señal modulada en anchura en el pin seleccionado y eso lo mismo sirve para un servo que para un motor de continua.  

Suena bastante bien ¿No? Bien, la idea es buena pero no va a funcionar en absoluto, lastima. Aquí os dejo una muestra de lo que ocurre .

Es otro de esos ejemplos en los que una buena idea acaba siendo un desastre. ¿Adivináis porque?

La razón es que la frecuencia de la corriente de 50 Hz y la frecuencia de base de nuestra señal PWM, no están sincronizadas y eso hace que su interacción no sea estable sino fluctuante y por eso el resultado es un pequeño desastre, muy lejos de nuestras intenciones.

Para conseguir un atenuador o dimmer de AC, vamos a necesitar sincronizar la corriente AC y la señal de la puerta de nuestro SSR, que recordar es un TRIAC opto acoplado, de modo que podamos cortar o permitir la conducción en el mismo punto o fase de la senoide alterna según nos llega y hacerlo 50 veces por segundo en Europa y 60 veces por segundo en América.

Para nosotros hacer algo 50 veces por segundo parece demasiado rápido, pero para nuestros Arduino y SSRs eso es un plazo larguísimo, y necesitamos detectar los pasos por cero de la senoide de AC y disparar el corte de tensión mediante la puerta… un poco más adelante del cruce por cero.

Comprendo que ahora esto parezca un poco extraño o hasta un poco incomprensible, porque para esto vamos a necesitar un par de vueltas previas teóricas que os permita comprender a fondo el proceso. Pero esto es ya el tema de la próxima sesión.

 

Resumen de la sesión

 

 
    • Vimos que son los Tiristores y TRIACs..
    • Presentamos Los relés de estado solido o SSR.
    • Vimos cómo usarlo para por ejemplo conmutar luces u otros dispositivos domésticos de AC,  de forma simple y barata.