Los diferentes tipos de relés y sus principios de funcionamiento

El desarrollo de los relés comenzó en 1809. Como parte de la invención del telégrafo electroquímico, el relé electrolítico fue descubierto por Samuel en 1809. Más tarde, esta invención fue reivindicada por el científico Henry en 1835 para realizar una versión improvisada del telégrafo y posteriormente desarrollada en 1831. Aunque Davy descubrió el relé en 1835, los derechos de patente originales fueron concedidos por Samuel en 1840 por la invención inicial del relé eléctrico. El enfoque de este dispositivo era similar al de un amplificador digital que reproducía la señal telegráfica y permitía la propagación a mayores distancias. Este artículo explica claramente qué es un relé, los diferentes tipos de relés, cómo funcionan y muchos otros conceptos relacionados.

¿Qué es un relé?

Los relés se utilizan generalmente cuando es necesario regular un circuito mediante una señal individual de mínima potencia o cuando es necesario regular varios circuitos mediante una sola señal. El uso inicial de los relés fue en la ampliación de los circuitos telegráficos, como repetidores de señales, ya que refuerzan la onda que se recibe y se transmite a otros circuitos. La principal implementación de los relés se produjo en las centrales telefónicas y en la primera versión de los ordenadores.

Los relés son los principales dispositivos de protección y conmutación en la mayoría de los equipos de proceso o control. Todos los relés responden a una o varias magnitudes eléctricas, como la tensión o la corriente, abriendo o cerrando contactos o circuitos. Un relé es un dispositivo de conmutación que funciona para aislar o cambiar el estado de un circuito eléctrico de un estado a otro.

El relé proporciona protección al circuito para evitar que se produzcan daños. Cada relé consta de tres componentes básicos: el componente de cálculo, el componente de comparación y el componente de control. El componente de cálculo conoce la variación de la medición real y el componente de comparación evalúa la cantidad real con la de un relé seleccionado. El componente de control se encarga de la variación rápida de la capacitancia medida, como el cierre del circuito funcional de corriente.

Los relés de recuperación se utilizan para conectar diversos componentes y dispositivos dentro de la red del sistema, como el proceso de sincronización, y para restablecer diversos dispositivos inmediatamente después de la desaparición de un fallo eléctrico, y luego para conectar transformadores y fuentes de alimentación a la red. Los relés de control son interruptores que contactan para aumentar la tensión, como en el caso de los transformadores de conmutación. Los contactos auxiliares se utilizan en los disyuntores y otros dispositivos de protección para multiplicar los contactos. Los relés de monitorización controlan las condiciones del sistema, como la dirección de la corriente, y generan una alarma en consecuencia. También se llaman relés direccionales.

El tipo general de relé utiliza electroimanes para realizar la apertura y el cierre de los contactos, mientras que otros tipos de enfoque, como los relés de estado sólido, utilizan las propiedades de los semiconductores para el control sin depender de componentes móviles. Los relés con propiedades calibradas y, en algunos casos, con varias bobinas de funcionamiento, se utilizan para proteger los sistemas de circuitos eléctricos de las corrientes de sobrecarga. En los sistemas eléctricos actuales, estas operaciones las realizan dispositivos digitales que se llaman relés de protección.

Diferentes tipos de relés

En función del principio de funcionamiento y de las características estructurales, los relés son de diferentes tipos, como los electromagnéticos, los térmicos, los de potencia, los multidimensionales, etc., con diferentes potencias, tamaños y aplicaciones. La clasificación o tipos de relés depende de la función para la que se utilizan.

Algunas categorías son los relés de protección, reconexión, regulación, auxiliares y de control. Los relés de protección controlan continuamente estos parámetros: tensión, corriente y potencia; si estos parámetros violan los límites establecidos, generan una alarma o aíslan ese circuito concreto. Estos tipos de relés se utilizan para proteger equipos como motores, generadores, transformadores, etc.

En general, la clasificación de los relés depende de la capacidad eléctrica, que se activa con la corriente, la potencia, la tensión y muchas otras magnitudes. La clasificación se basa en la capacitancia mecánica, activada por la velocidad de salida de los gases o líquidos y la presión. Mientras que se basa en la capacidad térmica, activada por la potencia de calentamiento, y las otras cantidades son acústicas, ópticas y otras.

Diferentes tipos de relés electromagnéticos

Estos relés están construidos con componentes eléctricos, mecánicos y magnéticos y tienen una bobina de funcionamiento y contactos mecánicos. Por lo tanto, cuando la bobina es activada por una fuente de alimentación, los contactos mecánicos se abren o se cierran. El tipo de alimentación puede ser de CA o de CC. Estos relés electromagnéticos se clasifican además en

• Relés de CC frente a los de CA
• Tipo de atracción
• Tipo de inducción

Relé DC vs AC

Tanto los relés de corriente alterna como los de corriente continua funcionan según el mismo principio de inducción electromagnética, pero su construcción es ligeramente diferente y también depende de la aplicación para la que se elijan. Los relés de corriente continua se utilizan con un diodo de descarga libre para desenergizar la bobina, mientras que los relés de corriente alterna utilizan núcleos laminados para evitar las pérdidas por corrientes parásitas.

El aspecto más interesante de una corriente alterna es que, en cada medio ciclo, cambia el sentido de la alimentación de la corriente; en consecuencia, en cada ciclo, la bobina pierde su magnetismo, ya que la corriente nula en cada medio ciclo hace que el relé haga y deshaga continuamente el circuito. Para evitar que esto ocurra, se inserta una bobina de sombra u otro circuito electrónico en el relé de corriente alterna para proporcionar magnetismo en la posición de corriente cero.

Relés electromagnéticos

Estos relés pueden funcionar con corriente alterna o continua y atraen una varilla o un trozo de metal cuando se suministra energía a la bobina. Puede ser un émbolo que es atraído por el solenoide o una armadura que es atraída por los polos de un electroimán, como se muestra en la figura. Estos relés no tienen retardos, por lo que se utilizan para el funcionamiento instantáneo. Hay otras variantes del tipo de atracción de relé electromagnético y estos son:

• Resma equilibrada - En este caso, dos magnitudes medibles están correlacionadas debido a la presión electromagnética generada, que varía el doble que el número de amperios-vuelta. El porcentaje de corriente funcional de este tipo de relé es mínimo. El relé tiene tendencia a sobrepasarse cuando el aparato está configurado para funcionar en modo rápido.
• Armadura abatible - En este caso, la sensibilidad del relé puede mejorarse para el funcionamiento en corriente continua insertando un imán permanente. Este tipo de relé también se denomina relé de movimiento polarizado.

Estos son los diferentes tipos de relés electromagnéticos.

Relés de inducción

Se utilizan como relés de protección sólo en sistemas de CA y también pueden utilizarse en sistemas de CC. La fuerza de actuación para el movimiento de los contactos la desarrolla un conductor móvil, que puede ser un disco o una copa, mediante la interacción de los flujos electromagnéticos debidos a las corrientes de falla.

Estos relés son de diferentes tipos, como los de polos sombreados, los de vatios-hora y los de copa de inducción, y se utilizan principalmente como relés direccionales en la protección de sistemas de energía y también para aplicaciones de conmutación de alta velocidad. En función de la estructura, los relés de inducción se clasifican en

• Poste sombreado - El polo estructurado se activa generalmente por el flujo de corriente en una sola bobina que se enrolla en una estructura magnética con un entrehierro. Las inestabilidades del entrehierro desarrolladas por la corriente reguladora se dividen en dos flujos desplazados por un polo sombreado y en el espacio-tiempo. Este anillo sombreado está construido con material de cobre que rodea cada sección del poste.
• Doble bobinado también llamado contador de vatios-hora - Este tipo de relé tiene un electroimán en forma de E y un electroimán en forma de U con un disco libre para girar entre los electroimanes. El desfase entre los flujos generados por el electroimán se consigue gracias a que el flujo desarrollado por los dos electroimanes tiene valores de resistencia e inductancia diferentes para ambos circuitos.
• Vaso de inducción - Este dispositivo se basa en la teoría de la inducción electromagnética y se llama relé de copa de inducción. El dispositivo consta de dos o más electroimanes que se activan mediante la bobina del relé. La bobina que rodea al electroimán crea un campo magnético giratorio, y debido a este campo magnético giratorio, se produce una inducción de corriente en la copa, que entonces gira. El sentido de giro de la corriente es similar al de la copa.

Relé de enclavamiento magnético

Estos relés utilizan un imán permanente o piezas de gran desprendimiento para mantener la armadura en el mismo lugar donde se electrifica la bobina cuando se retira la fuente de alimentación de la misma. Un relé de enclavamiento consiste en una mínima banda metálica que discurre entre los dos bordes.

El interruptor está conectado o magnetizado a un extremo de un pequeño imán. El otro extremo está conectado a un pequeño cable que se llama solenoide. El conmutador tiene una sola entrada y dos secciones de salida en los bordes. Se puede utilizar para encender y apagar el circuito. El símbolo de relé de presión se muestra de la siguiente manera:

Relé de estado sólido

Los relés de estado sólido utilizan componentes de estado sólido para realizar operaciones de conmutación sin mover ninguna pieza. Como la energía de control necesaria es mucho menor que la potencia de salida que debe controlar este relé, la ganancia de potencia es mayor que con los relés electromagnéticos. Estos relés son de diferentes tipos: SSR acoplados al transformador, SSR fotoacoplados, etc.

La figura anterior muestra un SSR fotoacoplado en el que la señal de control es aplicada por un LED y es detectada por un dispositivo semiconductor fotosensible. La salida de este fotodetector se utiliza para activar la puerta del TRIAC o SCR que conmuta la carga.

En el tipo de relé de estado sólido acoplado al transformador, se suministra una cantidad mínima de corriente continua al devanado primario del transformador mediante un convertidor de tipo CC a CA. La corriente suministrada se convierte en corriente alterna y se incrementa para hacer funcionar el relé de estado sólido junto con el circuito de disparo. La cantidad de aislamiento entre las secciones de salida y entrada se basa en el diseño del transformador.

Sin embargo, en el escenario del dispositivo de estado sólido fotoacoplado, se utiliza un dispositivo SC fotosensible para la función de conmutación. Se suministra una señal regulada al LED y esto hace que el componente fotosensible cambie al modo de conducción detectando la luz irradiada por el LED. El aislamiento generado por el SSR es relativamente mayor que el del tipo acoplado al transformador, debido a la teoría de la fotodetección.

En general, los SSR tienen una mayor velocidad de conmutación que los relés electromecánicos. Además, al no tener componentes móviles, duran más y también generan un ruido mínimo.

Relé híbrido

Estos relés están formados por relés electromagnéticos y componentes electrónicos. Normalmente, la parte de entrada contiene el circuito electrónico que realiza la rectificación y otras funciones de control, mientras que la parte de salida incluye un relé electromagnético.

Se sabe que los relés de estado sólido gastan más energía en forma de calor y que los relés electromagnéticos tienen el problema del arqueo de los contactos. Para eliminar estos inconvenientes en los relés de estado sólido y electromagnéticos, se utiliza un relé híbrido. En un relé híbrido, tanto el relé EMR como el SST funcionan en paralelo.

El dispositivo de estado sólido absorbe la corriente de carga y elimina el problema del arco eléctrico. Entonces el sistema de control activa la bobina del EMR y el contacto se cierra. Cuando el contacto EMR se cierra, se elimina la entrada de control de estado sólido. Este relé también reduce el problema del calor.

Relé térmico

Estos relés se basan en los efectos del calor, lo que significa que un aumento de la temperatura ambiente con respecto al límite hace que los contactos cambien de una posición a otra. Se utilizan principalmente para la protección de los motores y constan de elementos bimetálicos como sensores de temperatura y elementos de control. Los relés de sobrecarga térmica son los mejores ejemplos de este tipo de relés.

Relés Reed

Los relés Reed están formados por un par de bandas magnéticas (también llamadas lengüetas) selladas dentro de un tubo de cristal. Esta lengüeta actúa como armadura y como banda de contacto. El campo magnético aplicado a la bobina es enrollado por este tubo, lo que hace que el reed se mueva para realizar la operación de conmutación.

En función del tamaño, los relés se distinguen en microminiaturizados, subminiaturizados y miniaturizados. Además, en función de su estructura, estos relés se clasifican en herméticos, sellados y abiertos. Además, en función del rango de funcionamiento de la carga, los relés se clasifican en micro, baja, intermedia y alta potencia.

También hay relés con diferentes configuraciones de pines, como los de 3, 4 y 5 pines. Los modos de funcionamiento de los relés se ilustran en la siguiente figura. Los contactos de conmutación pueden ser de tipo SPST, SPDT, DPST y DPDT. Algunos relés son del tipo normalmente abierto (NO) y otros del tipo normalmente cerrado (NC).

Relé diferencial

Estos relés actúan cuando la variación de fase entre dos o más magnitudes eléctricas del mismo tipo es superior a un rango determinado. En el caso del relé de corriente diferencial, funciona cuando existe una relación de salida entre la magnitud y la variación de fase de las corrientes que entran y salen del sistema a proteger.

En condiciones generales de funcionamiento, las corrientes que entran y salen del sistema tendrán la misma fase y magnitud, por lo que el relé está fuera de servicio. Sin embargo, cuando se produce un problema en el sistema, estas corrientes no tendrán valores de magnitud y fase similares.

Este relé está cableado de forma que la variación entre las corrientes de entrada y salida fluye a través de la bobina funcional del relé. Así, la bobina del relé se activa en caso de problema debido a la variación de la corriente. De este modo, el relé actúa y el disyuntor se abre, provocando el disparo.

En un relé diferencial, un TC se conecta al devanado primario del transformador y el otro TC al devanado secundario del transformador. El relé relaciona los valores de corriente de ambos lados y cuando se produce una desestabilización de los valores, el relé actúa.

Hay relés diferenciales de corriente, de tensión y de polarización.

Diferentes tipos de relés en la industria del automóvil

Estos son los tipos generales de relés electroquímicos que se utilizan en diversos vehículos, como coches, furgonetas, remolques y camiones. Permiten un flujo de corriente mínimo para la regulación y funcionan con un bucle de corriente más alto en los equipos de los vehículos. Están disponibles en muchos tipos y tamaños, algunos de los cuales son:

Relés de conmutación

Es el relé más común en el sector del automóvil y tiene cinco patillas con las siguientes conexiones de cableado:

• Normalmente abierto a través de los pines 30 y 87
• Normalmente cerrado a través de los pines 30 y 87a
• Conmutación por cable mediante 30 y (87 y 87a)

Cuando el relé funciona en modo de conmutación, pasa de un circuito a otro y vuelve a su estado original en función del estado de la bobina (OFF u ON).

Relés normalmente abiertos

Los relés de conmutación pueden conectarse al mazo de cables como normalmente abiertos, mientras que este tipo de relé sólo tiene cuatro patillas que permiten conectar el mazo de cables en un solo modo, es decir, normalmente abierto.

Relé de intermitentes

Cualquier tipo de relé tiene 4 o 5 pines, pero en este relé de intermitencia hay 2 o 3 pines.

En un relé intermitente de dos patillas, una de ellas está conectada al circuito de la luz y la otra a la fuente de alimentación. En cambio, en un relé intermitente de tres patillas, dos patillas están conectadas a la fuente de alimentación y a la luz, y la tercera está conectada a un indicador LED que indica que el intermitente está en estado ON. Aunque el nombre indica que se trata de un tipo de relé, pocos de ellos se comportan como un disyuntor.

Intermitente electromecánico

Este tipo de relé para automóviles contiene una placa de circuito impreso con un condensador, un par de diodos y una bobina para generar un patrón de destello igual al de un intermitente estándar. Estos relés son capaces de manejar cargas mayores, ofreciendo un mejor rendimiento que los relámpagos térmicos. Aunque se conecten más luces en este tipo de relé, el impacto en el resultado es mínimo.

Intermitente térmico

La mayoría de los relés de intermitencia se regulan térmicamente como los interruptores. El flujo de corriente a través de la bobina del intermitente genera calor y, cuando la cantidad de calor producida es suficiente, hace que los contactos se desvíen y luego se abran, interrumpiendo el flujo de corriente. Cuando se disipa la cantidad de calor, la desviación de los contactos vuelve a su estado original y se reanuda el flujo de corriente.

Este proceso de interrupción y creación continua de contactos genera el patrón de señales intermitentes. El número total de luces conectadas al intermitente térmico influye en el rendimiento.

Intermitente LED

Su ajuste y funcionalidad son totalmente electrónicos. Funcionan con placas de CI de estado sólido mínimas. El número total de luces conectadas al intermitente LED no afecta a la salida. Estos relés están diseñados para funcionar con una corriente mínima mediante LEDs sin crear ningún problema.

Además de estos, hay muchos otros relés diferentes tipos de relés para automóviles y lo son:

• En macetas
• Wig-Wag
• Falda
• Tiempo de espera
• Doble contacto abierto

Relé húmedo de mercurio

Entra en la clasificación de los relés reed que utilizan un interruptor de mercurio y cuyos contactos se humedecen con mercurio. Este metal disminuye el valor de la resistencia de los contactos y atenúa la correspondiente caída de tensión. Los daños en la carcasa pueden reducir el rendimiento de la conductividad para las señales de corriente mínima.

Sin embargo, para aumentar la velocidad de las aplicaciones, el mercurio elimina la característica de rebote del contacto y ofrece un cierre de circuito casi rápido. Estos relés son totalmente sensibles a la posición y deben instalarse según los requisitos del diseñador. Sin embargo, debido a la nocividad y al precio del mercurio líquido, los relés de mercurio se utilizan poco en las aplicaciones.

La mayor velocidad de conmutación de estos relés es una ventaja adicional. Las gotas de mercurio de cada borde se combinan y el aumento del valor de la corriente a través de los bordes se considera normalmente en picosegundos. Pero en los circuitos prácticos, podría ajustarse mediante el cableado y la inductancia de los contactos.

Relés de protección contra sobrecargas

Los motores eléctricos se utilizan ampliamente en diversas aplicaciones, como en los motores con herramientas giratorias. Como los motores son algo caros, es esencial que no se dañen.

Para evitar daños, hay que implantar relés de protección contra sobrecargas. Los relés de protección contra sobrecargas evitan la destrucción del motor observando el valor de la corriente en el motor e interrumpiendo el circuito cuando se produce una sobrecarga eléctrica o se detecta un daño en la fase. Como los relés no son más caros que los motores, ofrecen un enfoque económico para la protección de los motores.

Hay varios tipos de relés de protección contra sobrecargas: relés electromecánicos, relés electrónicos, fusibles y relés térmicos de sobrecarga. Los fusibles se utilizan ampliamente para la protección de dispositivos de baja intensidad, como en las aplicaciones domésticas. Mientras que los relés electrónicos, térmicos y electromecánicos se utilizan para salvaguardar valores de corriente más altos en dispositivos como los motores mecánicos. Las principales ventajas de utilizar relés de protección contra sobrecargas son

• Simplicidad de funcionamiento
• Se podrá acceder a kits de montaje adecuados a la aplicación para diferentes tipos de relés de sobrecarga
• Sincronización exacta con los contratistas
• Protección fiable

Relés de estado sólido

Los relés que no tienen componentes móviles se llaman relés estáticos. En estos relés estáticos, el resultado se consigue mediante piezas estáticas como circuitos electrónicos y magnéticos y otros dispositivos estáticos. El relé compuesto por relés electromagnéticos y estáticos también se llama relé estático porque las secciones estáticas reciben retroalimentación, mientras que el relé electromagnético se utiliza para la conmutación. Algunas de las ventajas de los relés de estado sólido son

• Tiempo mínimo de reinicio
• Utiliza una potencia mínima, lo que reduce la carga de los dispositivos de medición y, por tanto, aumenta la precisión
• Ofrece una salida rápida, una mayor vida útil, una mayor fiabilidad y una gran precisión
• Se minimizan las intervenciones innecesarias y, por tanto, se mejora la eficiencia
• Estos relés no tendrán problemas de almacenamiento térmico
• La amplificación de la señal de entrada tiene lugar dentro del propio relé y esto aumenta su sensibilidad
• Estos dispositivos también pueden funcionar en zonas sísmicas, lo que demuestra que también son resistentes a los choques.

Hay diferentes tipos de relés de estado sólido. Algunas de ellas son:

Relé electrónico de estado sólido

Estos relés electrónicos de estado sólido fueron los primeros que se conocieron en la clasificación de los relés de estado sólido. En 1928, un científico llamado Fitzgerald demostró una prueba de corriente portadora para proteger las líneas de transmisión. A continuación, se descubrió una secuencia de sistemas electrónicos para la mayoría de los tipos generales de relés de protección. Los dispositivos que se utilizan para la medición son válvulas electrónicas.

Relés de transductores estáticos

Este dispositivo está formado por un núcleo magnético que comprende dos secciones de bobinas, comúnmente llamadas bobinas funcionales y de control. Cada sección puede constar de un solo devanado o, si hay varios devanados, habrá una conexión magnética entre todos los tipos de devanados similares. Si hay bobinas de diferentes grupos, éstas no estarán conectadas magnéticamente.

Mientras que los devanados de control se alimentan con corriente continua, los devanados funcionales se alimentan con corriente alterna. Este relé funciona de forma que los valores de impedancia variable se representan a las corrientes que circulan por los devanados funcionales.

Relés de puente rectificador estático

Estos relés se han hecho muy populares gracias a la mejora de los diodos semiconductores. Constan de dos puentes rectificadores y un relé de bobina móvil o de hierro móvil polarizado. El tipo general de relé consiste en comparadores que dependen de los puentes rectificadores y pueden disponerse como comparadores de fase o de amplitud.

Relés de transistores

Estos son los tipos de relés de estado sólido más utilizados. El transistor que funciona como un triodo puede superar la mayoría de los inconvenientes creados por las válvulas electrónicas, por lo que son el tipo más desarrollado de relés electrónicos, los llamados SSR.

El hecho de que el transistor pueda utilizarse como instrumento de amplificación y de conmutación lo hace adecuado para todo tipo de funciones operativas. Los circuitos de transistores no sólo realizan las funciones más importantes de un relé (como la comparación de entradas, el cálculo y la asimilación), sino que también ofrecen una elasticidad esencial para cumplir los requisitos de los relés múltiples.

Además de estos, los otros tipos de SSR son:

• Relés de efecto Hall
• Relés de sobreintensidad de tiempo inverso
• Relé de sobreintensidad direccional estático
• Relé diferencial estático
• Relé remoto estático

Aplicaciones de los diferentes tipos de relés

Como hay diferentes tipos de relés, estos dispositivos encuentran aplicaciones en diversos campos: eléctrico, aeronáutico, médico, espacial y otros. Las aplicaciones son:

• Se utiliza para regular varios circuitos
• Protege los aparatos de las sobrecargas de tensión y corriente y reduce el impacto de los daños eléctricos en los circuitos
• Implementado como conmutación automática
• Se utiliza para aislar el circuito de tensión de nivel mínimo
• Los estabilizadores automáticos son una de las realizaciones en las que se implementa un relé. Cuando el nivel de tensión de alimentación no coincide con el nivel de tensión nominal, una serie de relés analiza los cambios de tensión y ajusta el circuito de carga integrando los interruptores.
• Se utiliza para regular los interruptores de los motores eléctricos. Por lo general, para encender un motor eléctrico se necesita una tensión de CA de 230 V, pero en algunas situaciones/aplicaciones puede ser necesario encender el motor con una tensión de alimentación de CC. En estos casos, se puede utilizar un relé.

Estos son algunos de los diferentes tipos de relés que se utilizan en la mayoría de los circuitos electrónicos y eléctricos. Los lectores necesitan conocer los diferentes tipos de relés, y esperamos que esta información básica les resulte muy útil. Teniendo en cuenta la enorme importancia de los relés zv en los circuitos, este artículo en particular sobre ellos merece opiniones, preguntas, sugerencias y comentarios de los lectores. Es aún más importante conocer otros temas relacionados con el relevo, como relé vs contactor, relés e interruptores, y muchos otros.