Cómo elegir un relé: Electromecánico, Reed, SSR o FET

Los relés electromecánicos son quizás los relés más utilizados en aplicaciones ATE hoy en día. Están hechos de una bobina, un mecanismo de armadura y contactos eléctricos. Cuando la bobina es energizada, el campo magnético inducido mueve la armadura que abre o cierra los contactos. Ver la figura 1.

^{Figura 1: Relé electromecánico: La corriente a través de la bobina crea un campo magnético que mueve la armadura entre los contactos}

Los relés electromecánicos admiten una amplia gama de características de señal, desde baja tensión/corriente hasta alta tensión/corriente y desde frecuencias de CC a GHz. Por esta razón, casi siempre puede encontrar un relé electromecánico con características de señal que coincidan con los requisitos dados del sistema. Los circuitos de accionamiento en los relés electromecánicos están aislados galvánicamente de los contactos del relé, y los contactos en sí también están aislados entre sí. Este aislamiento hace que los relés electromecánicos sean una excelente opción para situaciones en las que se requiere aislamiento galvánico.

Los contactos en los relés electromecánicos tienden a ser más grandes y más robustos que algunos otros tipos de relés. Los contactos más grandes les dan la capacidad de soportar corrientes de sobretensión inesperadas causadas por capacitancias parásitas presentes en su circuito, cables, etc. Sin embargo, una compensación desafortunada es que los contactos más grandes requieren tamaños de paquete más grandes, por lo que no se pueden colocar tan densamente en un módulo de conmutación.

Si bien la construcción mecánica de los relés electromecánicos permite mucha flexibilidad en la capacidad de conmutación, tienen una limitación importante: la velocidad. En comparación con otros relés, los relés electromecánicos son dispositivos relativamente lentos, los modelos típicos pueden conmutar y estabilizarse en un tiempo de 5 a 15 ms. Esta velocidad de funcionamiento puede ser demasiado lenta para algunas aplicaciones.

Los relés electromecánicos suelen tener una vida útil mecánica más corta que otros tipos. Los avances tecnológicos han aumentado su vida útil mecánica, pero los relés electromecánicos todavía no tienen tantas posibles actuaciones como un relé de láminas comparable. Como con cualquier relé, la cantidad de energía que se conmuta y otras consideraciones del sistema pueden tener un impacto significativo en la vida útil general del relé. De hecho, la vida útil mecánica de un relé electromecánico puede ser menor que la de un relé de láminas, pero su vida útil eléctrica bajo una carga similar (particularmente una carga capacitiva) podría disminuir a una velocidad mucho más lenta que la de un relé de láminas. Los contactos más grandes y robustos de un relé electromecánico a menudo pueden durar más que un relé de láminas comparable.

Los relés electromecánicos están disponibles en variedades con y sin enganche. Los relés sin enganche requieren un flujo continuo de corriente a través de la bobina para mantener el relé activado. Estos se utilizan a menudo en aplicaciones donde el relé debe cambiar de nuevo a un estado seguro en caso de un corte de energía. Los relés de retención utilizan imanes permanentes para mantener la armadura en su posición actual, incluso después de que se elimine la corriente de accionamiento de la bobina. Para aplicaciones de muy baja tensión, los relés de enganche son preferibles porque la falta de calentamiento de la bobina minimiza la fuerza electromotriz térmica (FEM) que puede afectar a sus mediciones.

Los relés electromecánicos se utilizan en una amplia variedad de módulos de conmutación. Su robustez los hace muy adecuados para muchas aplicaciones, particularmente donde la velocidad de conmutación no es la mayor preocupación, y su versatilidad significa que puede usarlos en todo tipo de configuraciones de conmutación, incluidos los de propósito general, multiplexores y matrices.

Los relés reed, al igual que los relés electromecánicos, tienen contactos físicos que se accionan mecánicamente para abrir/cerrar una ruta. Para los relés reed, sin embargo, los contactos son mucho más pequeños y de menor masa que los utilizados en los relés electromecánicos. Los relés reed secos están hechos de bobinas enrolladas alrededor de conmutadores reed. El conmutador reed está compuesto por dos láminas ferromagnéticas superpuestas (llamadas reeds) selladas herméticamente dentro de una cápsula de vidrio que se rellena con un gas inerte. Las cañas tienen contactos en sus extremos superpuestos. Cuando la bobina es energizada, los dos reeds se juntan de tal manera que sus contactos completan una ruta a través del relé. Cuando la bobina se desactiva, la fuerza elástica en los reeds separa los contactos. Ver la figura 2.

^{Figura 2: Relé reed seco: La corriente a través de la bobina crea un campo magnético que atrae los dos contactos reed entre sí.}

Debido a que los contactos son más pequeños y menos masivos y al diferente mecanismo de accionamiento diferente, un relé reed puede conmutar aproximadamente 10 veces más rápido que un relé electromecánico con especificaciones equivalentes. La vida útil mecánica de los relés reed también es mucho mayor que la de un relé electromecánico. La contrapartida, sin embargo, es que los contactos más pequeños en el relé reed lo hacen mucho más susceptible a sufrir daños por arco eléctrico al cerrar un circuito. Cuando un arco salta a través de los contactos, puede derretir una pequeña sección de la superficie de contacto. Si los contactos siguen cerrados cuando la sección fundida vuelve a solidificarse, los contactos pueden soldarse entre sí. La fuerza elástica de los reeds a menudo no es suficiente para romper mecánicamente la soldadura después de que se haya desconectado la corriente de accionamiento, lo que deja al relé inutilizable. Los relés electromecánicos también pueden dañarse por la formación de arcos, pero la energía requerida para causar esto es mucho mayor.

Debido a que los relés reed son tan susceptibles a sufrir daños en los contactos, las corrientes de irrupción procedentes de la capacitancia del sistema pueden ser especialmente peligrosas. Las corrientes de entrada se pueden controlar con una impedancia en serie, como una resistencia o ferrita, entre el relé y la capacitancia. Cualquier capacitancia en el sistema puede contribuir a las corrientes de entrada, ya sea en un dispositivo reactivo en prueba o desde un cable blindado.

Los materiales ferromagnéticos a partir de los cuales se construyen los relés reed hacen que tengan una FEM térmica más alta que un relé electromecánico equivalente. Por lo tanto, los relés reed no son ideales para aplicaciones de tensión extremadamente baja, ya que su FEM térmica puede introducir suficiente ruido como para causar errores en sus mediciones.

El pequeño tamaño y la alta velocidad del relé reed lo convierten en una excelente opción para muchas aplicaciones de conmutación. Los relés reed se encuentran más a menudo en módulos de matriz y multiplexores que en módulos de uso general.

Los SSR se construyen utilizando un dispositivo MOSFET fotosensible con un LED para accionar el dispositivo. Véase la figura 3.

^{Figura 3: Relé de estado sólido (SSR): La luz del LED encapsulado acciona el MOSFET fotosensible y permite que la corriente fluya a través de él.}

Los SSR son una alternativa más rápida a los relés electromecánicos porque su tiempo de conmutación depende del tiempo necesario para encender y apagar el LED, aproximadamente 1 ms y 0.5 ms, respectivamente. Debido a que no hay piezas mecánicas, su expectativa de vida es mayor que la de un relé electromecánico o reed.

Los SSR son útiles para aplicaciones de alta tensión porque el accionamiento por LED proporciona una barrera de aislamiento galvánico entre los circuitos de control y el MOSFET. Debido a que el MOSFET está haciendo la conmutación, sin embargo, no hay barrera galvánica entre sus contactos. Cuando no hay accionamiento de puerta en el MOSFET, el canal de drenaje-fuente en el MOSFET tiene una resistencia muy alta que proporciona la desconexión entre los contactos.

Debido a que la conexión se realiza a través de un transistor en lugar de metal físico como en los relés electromecánicos y reed, la resistencia de contacto de un SSR es mayor. Aunque las mejoras tecnológicas mejoran continuamente la resistencia de contacto de los SSR, todavía no es raro encontrarlos en producción hoy en día con resistencias de 100 Ohmios o más.

Los SSR no son tan robustos como los relés electromecánicos. Al igual que los relés reed, son muy susceptibles a las sobrecorrientes y a sufrir daños cuando se utilizan con niveles de señal superiores a sus valores nominales. Aunque no hay contactos metálicos para soldar, el daño al MOSFET puede hacer que el relé sea inutilizable. Los SSR son comunes en matrices y multiplexores. 

Al igual que los SSR, los interruptores FET no son dispositivos mecánicos. Los interruptores FET utilizan una serie de transistores CMOS para implementar la conmutación. A diferencia de los SSR, los circuitos de control accionan las compuertas de los transistores directamente en lugar de accionar un LED. El accionamiento directo de la compuerta del transistor permite velocidades de conmutación mucho más rápidas porque el tiempo de encendido y apagado del LED no es un problema. En general, los interruptores FET son los más rápidos de los interruptores discutidos aquí. Además, debido a que no hay piezas mecánicas ni LED en el encapsulado, los conmutadores FET pueden ser muy pequeños. Sin embargo, un inconveniente importante del interruptor FET es que carece de una barrera de aislamiento físico y, por lo tanto, solo puede usarse con señales de baja tensión.

Debido a que están basados en FET, los conmutadores FET comparten muchas de las ventajas y desventajas de los SSR. Por ejemplo, tienen una vida útil de conmutación más alta, pero también una resistencia de paso mucho mayor que un relé electromecánico o reed.

Los conmutadores FET se utilizan con mayor frecuencia en configuraciones de multiplexor para aplicaciones de mayor velocidad y baja tensión.

Los relés electromecánicos proporcionan una buena solución integral, aunque tienen limitaciones en el tamaño del paquete, la velocidad de conmutación y la vida útil mecánica. Los relés reed mejoran el tamaño, la densidad y la velocidad del encapsulado, pero son menos robustos en situaciones donde pueden estar presentes sobrecorrientes. Los SSR son una buena alternativa a los relés mecánicos, pero tienen mayores resistencias de trayectoria y no están completamente aislados entre los contactos. Los interruptores FET proporcionan una solución rápida y de bajo costo, pero tienen la limitación de trabajar solo con tensiones bajas.

Para cualquier aplicación, considere todos los parámetros del sistema antes de elegir un tipo de relé determinado. El uso de esta información le permitirá hacer las concesiones apropiadas para su aplicación.