Relé de estado sólido hecho por usted mismo: instrucciones de montaje y consejos de conexión

Un relé de estado sólido (RES) es un dispositivo de la serie de componentes electrónicos de acción no mecánica. La ausencia de mecánica brinda más oportunidades a los aficionados a la electrónica para fabricar un relé de estado sólido por sí mismos para uso personal.

Analicemos esta posibilidad con más detalle.

Construcción y principio de funcionamiento del RES

Si la mayor parte de la electrónica similar contiene tradicionalmente piezas móviles de grupos de contactos, el relé de estado sólido no tiene tales piezas en absoluto. La conmutación del circuito por el esquema del dispositivo se realiza según el principio de un interruptor electrónico. Y el papel de los interruptores electrónicos lo desempeñan generalmente los semiconductores integrados en el cuerpo del relé: transistores de potencia, triacs, tiristores.

Antes de intentar fabricar un relé de estado sólido por su cuenta, es lógico familiarizarse con la construcción básica de estos dispositivos y comprender su principio de funcionamiento.

La producción industrial fabrica relés de estado sólido de diversas configuraciones, destinados a las más variadas condiciones de aplicación práctica. La selección de modificaciones es amplia.

Al estudiar detenidamente el dispositivo, se deben destacar de inmediato las ventajas del RES:

• conmutación de carga potente;
• alta velocidad de conmutación;
• aislamiento galvánico ideal;
• capacidad de soportar brevemente altas sobrecargas.

Entre las construcciones mecánicas no es posible encontrar un relé con parámetros similares. En general, las ventajas de los relés de estado sólido respecto a sus homólogos mecánicos se expresan en una lista impresionante.

Dos dispositivos electrónicos que funcionalmente proporcionan conmutación de circuitos: a la izquierda, uno basado en una construcción de estado sólido, a la derecha – un sistema mecánico tradicional de conmutación.

Las condiciones de operación para los RES prácticamente no limitan la aplicación de estos dispositivos. Además, la ausencia de piezas mecánicas móviles favorece la vida útil de los aparatos. Por lo tanto, hay todas las razones para ocuparse de un relé de estado sólido: construir el dispositivo por usted mismo.

Sin embargo, para ser justos, junto con los aspectos positivos, cabe señalar las propiedades del relé que se caracterizan como desventajas. Así, para el funcionamiento de dispositivos potentes, generalmente se requiere un componente adicional de la estructura destinado a disipar el calor.

Para el caso de conmutación de cargas potentes, los relés de estado sólido casi siempre se complementan con potentes radiadores de enfriamiento. Esto complica un poco la aplicación de los SSR.

Los radiadores de enfriamiento de los relés de estado sólido tienen dimensiones varias veces superiores a las de los SSR, lo que reduce la comodidad y la racionalidad del montaje.

Los dispositivos SSR en funcionamiento (en estado cerrado) producen una corriente de fuga inversa y muestran una característica voltamperométrica no lineal. No todos los relés de estado sólido se pueden usar sin restricciones en las características de los voltajes conmutados.

Construcción para uso solo en circuitos donde la alimentación es de corriente continua. Por lo general, estos dispositivos se caracterizan por su pequeño tamaño y baja potencia de conmutación.

Ciertos tipos de dispositivos están diseñados para conmutar solo corriente continua. La incorporación de relés de estado sólido en el circuito generalmente requiere medidas adicionales destinadas a bloquear activaciones falsas.

Los relés de estado sólido a menudo se pueden encontrar en el tablero eléctrico general del apartamento.

¿Cómo funciona un relé de estado sólido?

La señal de control (generalmente un voltaje de bajo nivel, proveniente, por ejemplo, de un controlador) se aplica al LED de un par optoelectrónico presente en el circuito del SSR. El LED comienza a emitir luz hacia el fotodiodo, que a su vez se abre y comienza a conducir corriente.

Esquema general del SSR, que muestra claramente cómo funciona el dispositivo electrónico: 1 – fuente de voltaje de control; 2 – par optoelectrónico dentro del cuerpo del relé; 3 – fuente de corriente de carga; 4 – carga

La corriente que pasa a través del fotodiodo llega al electrodo de control del transistor clave o del tiristor. El interruptor se abre, cerrando el circuito de carga.

Así funciona la función de conmutación del dispositivo. Toda la electrónica está tradicionalmente encerrada en un cuerpo monolítico. De hecho, por eso el dispositivo recibió el nombre de relé de estado sólido.

Y sobre cómo conectar un relé de estado sólido se puede leer en este material.

Variedades de interruptores de estado sólido

Toda la gama existente de dispositivos se puede dividir condicionalmente en grupos, según la categoría de la carga conectada, las características de control y conmutación de voltajes.

Por lo tanto, en total habrá tres grupos:

1. Dispositivos que actúan en circuitos de corriente continua.
2. Dispositivos que actúan en circuitos de corriente alterna.
3. Diseños universales.

El primer grupo está representado por dispositivos con parámetros de tensiones de control operativas de 3 a 32 voltios. Se trata de una electrónica relativamente compacta, dotada de indicación LED, capaz de funcionar sin interrupciones a temperaturas de -35 / +75 ºC.

Una realización muy extendida de dispositivo electrónico para su aplicación en redes eléctricas monofásicas. También existen otras variantes de construcción, aunque con mucha menos frecuencia.

El segundo grupo son dispositivos diseñados para instalación en redes de corriente alterna. Aquí se presentan diseños de relés de estado sólido para instalación en redes de CA, controlados por tensiones de 24 a 250 voltios. Hay dispositivos capaces de conmutar cargas de alta potencia.

El tercer grupo son dispositivos de uso universal. La circuitería de este tipo de dispositivos admite ajuste manual para su uso en diversas condiciones.

Si se parte de la naturaleza de la carga conectada, se deben distinguir dos tipos de relés de estado sólido de corriente alterna: monofásicos y trifásicos. Ambos tipos están diseñados para conmutar cargas suficientemente potentes con corrientes de 10 – 75 A. Además, los valores pico de corriente a corto plazo pueden alcanzar los 500 A.

Una variante muy extendida para su aplicación en redes eléctricas trifásicas. A menudo se utiliza como regulador lineal de calentadores eléctricos potentes (resistencia calefactora).

Como carga conmutada por los relés de estado sólido, pueden actuar circuitos capacitivos, resistivos e inductivos. Los diseños de los interruptores permiten un control suave y sin ruido excesivo, por ejemplo, de elementos calefactores, lámparas incandescentes y motores eléctricos.

La fiabilidad de funcionamiento es bastante alta. Pero la estabilidad y durabilidad de los relés de estado sólido dependen en gran medida de la calidad de fabricación de los productos. Así, los dispositivos fabricados bajo una cierta marca comercial «Impuls» a menudo se caracterizan por una vida útil corta.

Por otro lado, los productos de la empresa «Schneider Electric» no dan motivo de crítica.

¿Cómo hacer un RES por sí mismo?

Teniendo en cuenta la característica constructiva del dispositivo (monolito), el circuito se monta no en una placa de baquelita, como es habitual, sino mediante montaje por puntos.

Así se ve una construcción casera de un relé de estado sólido. Hacer algo similar no es difícil. Solo se necesitan habilidades básicas de electrónica y electricidad. Los costos de materiales son bajos.

Se pueden encontrar muchas soluciones de circuitos en esta dirección. La opción concreta depende de la potencia de conmutación requerida y otros parámetros.

Componentes electrónicos para el montaje del circuito

La lista de elementos de un circuito simple para la práctica y construcción de un relé de estado sólido hecho por usted mismo es la siguiente:

1. Optocoplador tipo MOC3083.
2. Triac tipo BT139-800.
3. Transistor de la serie KT209.
4. Resistencias, diodo Zener, LED.

Todos los componentes electrónicos indicados se sueldan con montaje superficial según el siguiente esquema:

Diagrama esquemático de un relé de estado sólido de baja potencia para ensamblar usted mismo. La pequeña cantidad de componentes y el simple montaje superficial permiten soldar el circuito sin dificultad.

Gracias al uso del optoacoplador MOC3083 en el circuito de generación de la señal de control, el voltaje de entrada puede variar de 5 a 24 voltios.

Y gracias a la cadena formada por el diodo Zener y la resistencia limitadora, la corriente que pasa por el LED indicador se reduce al mínimo posible. Esta solución garantiza una larga vida útil del LED indicador.

Verificación del funcionamiento del circuito montado

El circuito ensamblado debe verificarse en cuanto a su funcionamiento. No es necesario conectar la tensión de carga de 220 voltios al circuito de conmutación a través del triac. Basta con conectar un instrumento de medición (un tester) en paralelo a la línea de conmutación del triac.

Verificación del funcionamiento del relé de estado sólido con un instrumento de medición. Si se aplica tensión de control a la entrada del dispositivo, la unión del triac debe estar abierta.

El modo de medición del tester debe configurarse en «MΩ» y aplicar alimentación (5-24V) al circuito de generación de tensión de control. Si todo funciona correctamente, el tester debe mostrar una diferencia de resistencia de «MΩ» a «kΩ».

Dispositivo de encapsulado monolítico

Para la base del cuerpo del futuro relé de estado sólido se necesitará una placa de aluminio de 3-5 mm de espesor. Las dimensiones de la placa no son críticas, pero deben cumplir con las condiciones para una disipación eficaz del calor del triac cuando este componente electrónico se calienta.

Marco para el vertido del cuerpo del futuro dispositivo. Se hace con una tira de cartón u otros materiales adecuados. Se fija sobre el sustrato de aluminio con pegamento universal.

La superficie de la placa de aluminio debe ser plana. Además, es necesario tratar ambos lados: lijar con lija fina y pulir.

En la siguiente etapa, la placa preparada se equipa con un «encofrado»: se pega un borde de cartón grueso o plástico alrededor del perímetro. Debe formarse una especie de caja que posteriormente se rellenará con resina epoxi.

Dentro de la caja creada se coloca el circuito electrónico del relé de estado sólido ensamblado con montaje superficial. Solo el triac se coloca sobre la superficie de la placa de aluminio.

Fijación del triac sobre el sustrato de aluminio. La condición principal es que este componente electrónico debe presionarse firmemente contra la base metálica. Solo así se garantiza una disipación térmica adecuada y la fiabilidad del funcionamiento.

Ningún otro componente o conductor del circuito debe tocar la base de aluminio. El triac se aplica al aluminio con la parte del cuerpo diseñada para montaje en radiador.

Se debe usar pasta térmica en el área de contacto entre el cuerpo del triac y la base de aluminio. Algunas marcas de triac con ánodo no aislado requieren obligatoriamente instalarse mediante una junta de mica.

Opción de fijación del triac a la base mediante remache. Por el lado opuesto, el remache se aplana al ras de la superficie de la base.

El triac debe presionarse firmemente contra la base con algún peso y sellarse con pegamento epoxi en el perímetro, o fijarse de alguna manera sin alterar la lisura de la parte posterior de la base (por ejemplo, con un remache).

Preparación del compuesto y relleno del encapsulado

Para la fabricación del cuerpo sólido del dispositivo electrónico se necesitará preparar una mezcla de compuesto. La composición de la mezcla se basa en dos componentes:

1. Resina epoxi sin endurecedor.
2. Polvo de alabastro.

Gracias a la adición de alabastro, el técnico resuelve dos problemas a la vez: obtiene un volumen suficiente de compuesto de relleno con un consumo nominal de resina epoxi y crea un relleno de consistencia óptima.

La mezcla debe agitarse cuidadosamente, luego se puede agregar el endurecedor y volver a agitar bien. A continuación, se vierte con cuidado el montaje 'voladizo' dentro de la caja de cartón con el compuesto creado.

Así es como se ve un ejemplar terminado de un relé de estado sólido ensamblado a mano. Algo inusual y no muy presentable, pero bastante fiable.

El llenado se realiza hasta el nivel superior, dejando en la superficie solo una parte de la cabeza del LED indicador. Inicialmente, la superficie del compuesto puede no verse completamente lisa, pero después de un tiempo la imagen cambiará. Solo queda esperar el endurecimiento completo del vaciado.

En esencia, se puede usar cualquier solución adecuada para vaciado. El criterio principal es que la composición del relleno no debe ser conductora de electricidad, además debe formarse un buen grado de rigidez después del endurecimiento. El cuerpo moldeado del relé de estado sólido es una especie de protección del circuito electrónico contra daños físicos accidentales.

Conclusiones y video útil sobre el tema

Este video muestra cómo y con qué componentes electrónicos se puede hacer un relé de estado sólido. El autor explica claramente todos los detalles de la práctica de fabricación, con los que se encontró personalmente durante el proceso de producción del conmutador electrónico:

Video sobre el problema que se puede encontrar después de comprar un SSR monofásico a vendedores de China. Al mismo tiempo, realiza una especie de revisión del dispositivo de conmutación:

La fabricación casera de relés de estado sólido – es una solución perfectamente posible, pero aplicada a dispositivos para carga de baja tensión que consumen relativamente poca potencia.

Es difícil fabricar por usted mismo dispositivos más potentes y de alto voltaje. Además, este proyecto le saldría por el mismo coste que el de un modelo de fábrica. Por lo tanto, si es necesario, es más sencillo comprar un dispositivo ya fabricado industrialmente.

Si a usted le surgen preguntas sobre el montaje del relé de estado sólido, por favor, hágalas en el bloque de comentarios, y nosotros intentaremos darle una respuesta extremadamente clara. Allí también puede compartir su experiencia en la fabricación propia del relé o proporcionar información valiosa sobre el tema del artículo.