Cómo regular la corriente o el voltaje de forma segura y eficiente con los SSR

Por Bill Schweber

Colaboración de Editores de Digi-Key de América del Norte

A medida que los controles electrónicos se extienden a las aplicaciones comerciales, médicas, industriales y del consumidor, hay una mayor necesidad de circuitos de voltaje bajo o corriente baja para cambiar a circuitos de voltaje alto o corriente alta. A pesar de que los relés electromecánicos (EMR) tienen su lugar, a menudo se prefieren los relés de estado sólido (SSR) porque son de menor tamaño, de bajo costo, de velocidad alta, de ruido eléctrico y audible bajos y confiables.

Aunque pueden ser populares, los diseñadores necesitan entender los matices de funcionamiento físico y eléctrico y las características de los SSR a fin de aplicarlos de forma correcta y, así, poder ajustar el SSR adecuado a la entrada, salida, carga y situación termal de la aplicación para asegurar un diseño exitoso.

Este artículo hablará de los matices de los SSR, cómo aplicarlos de forma correcta, e introducirá algunas de las últimas soluciones de SSR para los problemas de cambiar corrientes y voltajes más altos.

Conceptos básicos de los SSR

Los SSR tienen varios nombres, dependiendo del fabricante o del proveedor. Por ejemplo, Omron los llama relés MOSFET, mientras que Toshiba los llama fotorrelés (tabla 1).

Fabricante Nombre en el catálogo
Toshiba Fotorrelé
Matsushita Electric Works Fotorelés MOS
OKI Electric Industry Relé MOSFET
OKI Electric Industry Fotointerruptor MOS
Okita Works Fotorrelé DMOS-FET
HP Relé de estado sólido
OMRON Relé MOSFET

Tabla 1: Aunque el principio de funcionamiento principal es el mismo, los diferentes proveedores utilizan varios nombres para sus SSR, algunos de los cuales resaltan su implementación de SSR única y patentada. (Fuente de la imagen: Omron Corp.)

Independientemente de la nomenclatura usada, el principio de funcionamiento es el mismo y es una extensión del optoacoplador ampliamente conocido y usado (también llamado optoaislador). En su forma más simple, hay un LED en el lado de la entrada y un fototransistor en el lado de salida, separados por un camino óptico en el orden de milímetros (figura 1). Dependiendo de los niveles de voltaje y corriente, puede que se use un SCR o Triodo para Corriente Alterna (TRIAC) fotosensible en lugar de un fototransistor.

Diagrama de la distribución física del optoacoplador

Figura 1: La distribución física del optoacoplador es aparentemente simple: un LED convierte la energía eléctrica en fotones, que a su vez dan energía al fototransistor para que tenga una caída VBE baja y, de esta forma, el camino óptico asegura el aislamiento galvánico. (Fuente de la imagen: Technogumbo)

Cuando el LED tiene energía, los fotones que este genera dan energía al fototransistor, que después toma el modo conductor, lo que permite que la corriente llene la carga. Esto se conoce como el estado de “encendido”. Cuando el LED está apagado, el fototransistor está en modo apagado o no conductor y parece un circuito abierto bueno (pero no perfecto).

El aislamiento galvánico entre el LED y el fototransistor a menudo está en el rango de varios miles de voltios debido a la separación LED/fototransistor, así como a la barrera aislante ópticamente transparente. Tenga en cuenta que el aislamiento es un parámetro de perturbación de voltaje, que no es lo mismo que la resistencia desde la entrada hasta la salida, lo que está en el orden de 1000 a 1 millón de megaohmios (lo que a menudo se llama, a la ligera, resistencia “infinita”). El tiempo de cambio entre los estados de encendido y apagado se especifica a menudo en algunos microsegundos.

Sin embargo, un SSR completo es más que un LED y un fototransistor o SCR/TRIAC fotosensible. También requiere circuitos y funciones adicionales tanto en el lado de entrada LED como en el lado de salida fotosensible (figura 2).

Diagrama de SSR que requiere circuitos y funciones adicionales

Figura 2: Un SSR completo requiere circuitos y funciones adicionales tanto en el lado de entrada LED como en el lado de salida fotosensible. (Fuente de la imagen: Omron Corp.)

Aunque los SSR son dispositivos relativamente sencillos, hay algunas consideraciones de diseño relacionadas con la entrada y la magnitud y el tipo de la carga aislada, así como de las circunstancias especiales al utilizar un SSR.

Al seleccionar un SSR, el diseñador necesita saber el nivel y el tipo de entrada (CA o CC) y las características de carga, lo que incluye la corriente máxima, el voltaje máximo y el tipo (CA o CC). Hay SSR disponibles que pueden ser controlados con voltajes desde bajos a mucho más altos, aunque las entradas de voltaje bajo sean cada vez más comunes y compatibles con la electrónica moderna por razones tanto de seguridad como de eficiencia.

Si el controlador de entrada es CC, es posible que controle la entrada LED del SSR directamente. Si es CA, el diseñador necesita añadir un rectificador de puente delante del SSR. Es probable que un SSR idéntico con el puente ya integrado a la unidad esté disponible. A menudo, la opción de la rectificación interna es una opción sabia porque evita tener que lidiar con problemas de diseño sutiles y, a la vez, proporciona un desempeño de entrada/salida especificado. La sensibilidad de entrada típica para un SSR abarca hasta 6 milivatios (mW).

El lado de salida del SSR es, de alguna forma, más complicado que el de entrada, dependiendo de la naturaleza de la carga. Si la salida del SST es solamente un transistor, FET o SCR único, puede conducir solo en una dirección y, por lo tanto, solo puede usarse con carga CC. Algunos ejemplos de esto incluyen calentadores de alimentación no lineal. Para cargas CA, se usa un emparejamiento de TRIAC o SCR. Los proveedores a menudo ofrecen SSR similares con salidas CC solamente o CA. En general, los SSR con salida CA también se pueden usar para CC. Los índices de salida abarcan un amplio rango de unos pocos a decenas y miles de voltios o amperios.

Opciones de SSR: Contactos NC/NO y multipolo

El SSR estándar tiene una distribución de salida única normalmente abierta (NO). Sin embargo, hay varias aplicaciones que necesitan lo contrario, una configuración normalmente cerrada (NC), con una etapa de salida que abra cuando se aplique la energía a la etapa de entrada. Asimismo, hay diseños que simultáneamente necesitan acción tanto NO como NC e incluso una combinación de un NO, un NC y quizás algunos otros polos de contacto.

Para cubrir la necesitad de polos múltiples, así como de contactos NO y NC, los usuarios podrían agregar un circuito de salida a la medida. Sin embargo, hay al menos cuatro problemas para este enfoque. En primer lugar, se trata a menudo de un escenario de voltaje alto o corriente alta, así que el diseño tiene varios desafíos inherentes. En segundo lugar, necesita cumplir y recibir la aprobación de varios estándares normativos de seguridad. En tercer lugar, es otra cosa que hacer en un proyecto. En cuarto lugar, verificar el desempeño resultante es una tarea complicada.

Alternativamente, los usuarios pueden invertir la señal de entrada mediante circuito pequeño de modo que el SSR NO estaría cerrado sin ninguna señal y abierto cuando se aplique una señal de entrada. Sin embargo, esto presenta posibles riesgos de seguridad con respecto al estado de salida del SSR cuando la energía del lado de entrada falle, ya que el relé de salida se vuelva a su estado NO “nativo”. Recuerde que la energía de entrada de un SSR y los suministros de energía de salida son independientes, según la definición de aislamiento. Por lo tanto, puede que el diseñador no sea capaz de garantizar un modelo de salida a prueba de fallos seguro.

En situaciones en las que se necesita más de un polo único, se pueden controlar múltiples SSR en series o paralelos. Esta es una solución viable, pero requiere una consideración cuidadosa de la corriente y del voltaje requeridos, así como de las consecuencias de una falla del dispositivo en una topología de serie o paralela. Usar varios SSR también agrega a la BOM y ocupa más espacio en la placa.

Ya que los proveedores reconocen estas necesidades de NO/NC y multipolos, han agregado circuitos adicionales dentro del SSR para proporcionar distribuciones de salida diferentes con certificaciones y pruebas completas. Muchos de estos SSR están disponibles a través de familias con especificaciones similares, excepto por las especificaciones de la configuración de salida que simplifica su selección y su uso.

Por ejemplo, IXYS Integrated Circuits Division ofrece tres SSR con desempeño casi idéntico y aislamiento de entrada/salida de 3,750 VRMS, pero con estructuras de salida diferentes:

• El LAA110 contiene dos relés NO (1 forma A) unipolares, cada uno clasificado para 350 voltios/120 mA (CA o CC) y está disponible en receptáculos de 8 clavijas DIP, SMT y paquetes planos (figura 3).

Diagrama de un LAA110 de IXYS

Figura 3: El LAA110 de IXYS es un SSR básico de dos canales con dos entradas independientes y sus respectivas salidas NO. (Fuente de la imagen: IXYS)

• El LCC110 tiene una pareja de contactos NO/NC (1 forma C) operados por una entrada única con las mismas clasificaciones y paquetes que el LAA110 (figura 4).

Diagrama del LCC110 de IXYS

Figura 4: El LCC110 de IXYS es un SSR básico de dos canales con entrada única que controla un polo de salida NO y un polo de salida NC. (Fuente de la imagen: IXYS)

• El LBA110 incluye dos relés independientes: un relé unipolar normalmente abierto (1 forma A) y un relé unipolar normalmente cerrado (1 forma B) también con las mismas clasificaciones generales y opciones de paquete (figura 5).

Diagrama de un IXYS LBA110

Figura 5: Otro miembro de la familia es el IXYS LBA110, un SSR de dos canales con entradas separadas para cada uno de los polos de salida NO y NC. (Fuente de la imagen: IXYS)

Hay un conjunto similar de opciones para la mayoría de las familias de SSR de energía alta. Conectar múltiples salidas SSR en paralelo para lograr una clasificación requerida puede ser tentador si la clasificación de corriente de un SSR único de corriente baja no es adecuada. Aunque, en general, esta no es una buena práctica de ingeniería, por varias razones.

Primero, incluso los SSR con la misma clasificación nominal no coinciden perfectamente. Como tal, un SSR puede terminar manejando más corriente que el otro, cargándolo más allá de sus límites térmicos y de corriente, lo que causaría una falla prematura. Segundo, si uno de los múltiples SSR falla por cualquier razón, los otros llevarían una corriente excesiva y fallarían en secuencia de cadena. Por estas razones, es mejor seleccionar un SSR único con una clasificación de salida adecuada.

Protección y límites de los SSR

Aunque los SSR son bastante resistentes, hay situaciones en las que necesitan algo de protección adicional. Para los SSR reguladores de cargas CA resistivas (no inductivas), como los calentadores de bombillas incandescentes, puede que sea necesario especificar que un SSR sincrónico regula la salida de encendido/apagado solamente en los cruces cero de la línea CA, independientemente del tiempo de la señal de control de entrada (figura 6).

Gráfico del diseño del SSR sincrónico para regular su salida solamente en cruces cero de la línea CA

Figura 6: Un SSR sincrónico está diseñado para regular su salida solamente en cruces cero de la línea CA para minimizar la generación EMI: a) formas de onda de un SSR no sincrónico para una carga resistiva; b) formas de onda de un SSR sincrónico para una carga resistiva. (Fuente de la imagen: Crydom, vía Omega Engineering)

Regular solamente en cruces cero minimizará o eliminará la línea y el ruido emanados que resultan de iniciar o terminar la forma de onda de salida de CA a mitad del ciclo. Sin embargo, los diseñadores deben estar conscientes de que los SSR de cruce cero podrían no apagarse con cargas altamente inductivas. Para controlar esto, los proveedores de SSR también ofrecen los llamados SSR de conmutación aleatoria que se encienden/apagan en el instante en que la transición de entrada lo requiera. De nuevo, el diseñador debe entender la carga y elegir el SSR adecuado del catálogo del proveedor.

También hay consideraciones térmicas debido a las pérdidas internas al usar un SSR. Incluso cuando la salida esté encendida, hay una caída pequeña pero crítica en el elemento activo, así como la habría para un MOSFET que opere un motor, por ejemplo. El SSR disiparía el calor resultante. Como tal, los proveedores ofrecen SSR con especificaciones que definen la temperatura de funcionamiento permitida en la carga máxima, junto con las curvas de reducción térmica. Se puede modelar el ambiente térmico de los SSR utilizando herramientas estándares. Los SSR más grandes, con un calor generado más elevado, pueden necesitar una distribución disipadora de calor más complicada, mientras que los SSR más pequeños a menudo pueden utilizar disipadores de calor IC estándares.

Los SSR para cargas más grandes con requisitos de disipación de calor más elevados también tienen configuraciones físicas cada vez más grandes. Los SSR están disponibles en receptáculos que abarcan desde SOIC de 6 conductores para cargas más pequeñas hasta módulos grandes para cargas más grandes, así como en paquetes con montaje en panel, en riel o independientes.

Por ejemplo, el SSR LH1510 de Vishay, un dispositivo SPST-NO (1 forma A), está clasificado para operar hasta 200 voltios a 200 mA y se aloja en un paquete estándar SMT o DIP de 6 conductores (figura 7). Se puede usar con cargas CA o CC (figura 8). A pesar de su tamaño disminuido, este SSR ofrece clasificaciones de aislamiento de 5300 VRMS continuos y 8000 VRMS de pico transitorio.

Imagen de un SSR de energía baja LH1510 de Vishay

Figura 7: El SSR de energía baja LH1510 de Vishay, un dispositivo SPST-NO, está clasificado para operar hasta 200 voltios a 200 mA y está disponible en un paquete de montaje en superficie de 6 conductores, así como en receptáculos DIP. (Fuente de la imagen: Semiconductores Vishay)

Diagrama de un LH1510 de Vishay que puede configurarse para los requisitos de una salida CA/CC o salida de solo CC

Figura 8: Debido al número de paquetes de terminar disponibles, se puede configurar el LH1510 para los requisitos de una salida CA/CC o salida de solo CC, pero con especificaciones ligeramente diferentes para cada modo. (Fuente de la imagen: Semiconductores Vishay)

En contraste, la serie de relés de montaje en panel de salida CA EL240A de Crydom/Sensata Technologies es compatible con clasificaciones de salida de 5 A, 10 A, 20 A y 30 A a 24 a 280 voltios CA, con opciones para entradas de controlador de 5, 12 y 24 voltios CC. Para esta cantidad de energía, los SSR vienen en módulos más grande que miden 36.6 × 21.1 × 14.3 milímetros (mm) con terminales de conexión rápida (figura 9). Tenga en cuenta que el tamaño físico en general no indica aislamiento, ya que este módulo más grande tiene una clasificación de aislamiento de 3,750 VRMS, un poco menos que el paquete más pequeño de 6 conductores de Vishay.

Imagen de la serie de EL240A SSR de Crydom/Sensata Technologies

Figura 9: La serie de EL240A SSR de Crydom/Sensata Technologies es compatible con corrientes de hasta 30 A y entradas de controlador de hasta 24 voltios CC. (Fuente de la imagen: Crydom/Sensata Technologies)

La carga de la serie EL240A se puede conectar a cualquier pata de salida, lo que proporciona flexibilidad de diseño (figura 10). El tamaño más grande de estos módulos permite al proveedor agregar un indicador LED (que también se muestra en la figura 10) para hacer una evaluación visual rápida del estado de entrada del SSR.

Diagrama de la serie EL240A de Crydom/Sensata

Figura 10: Se puede conectar la carga a cualquier pata de salida de la serie EL240A, lo que proporciona flexibilidad de diseño. (Fuente de la imagen: Crydom/Sensata Technologies)

Vea también más allá del SSR

Como con todos los dispositivos relacionados con energía, hay problemas más allá de la energía externa máxima, el voltaje, la corriente y la disipación térmica. También se debe ajustar el cableado físico del SSR, las barras de bus o las trayectorias de la placa del circuito impreso para llevar la carga de corriente sin exceder la caída IR. Del mismo modo, se deben ajustar y clasificar adecuadamente todas las conexiones al SSR, bien sea mediante cables discretos, enchufes o soldadura de placa.

Incluso a niveles de corriente baja, el SSR puede regular voltajes más altos. En este caso, la preocupación es la seguridad del usuario, lo que incluye la distancia eléctrica y fuga mínimas versus el voltaje (figura 11). Dichos requerimientos están definidos por los estándares IEC/UL 60950-1, IEC 60601-1, EN 60664-1:2007 y VDE 0110-1, entre muchos otros.

Diagrama de fuga vs. distancia eléctrica

Figura 11: La fuga (arriba) es el camino más corto entre dos partes conductoras, o entre una parte conductora y la superficie de fijación del equipo, medido a través del aire. La distancia eléctrica (abajo) es el camino más corto entre dos partes conductoras, o entre una parte conductora y la superficie de fijación del equipo, medido a lo largo de la superficie del aislamiento entre ellas. (Fuente de la imagen: Optimum Design)

La fuga se define como el camino más corto entre dos partes conductoras, o entre una parte conductora y la superficie de fijación del equipo, medido a través del aire. La distancia eléctrica se define como el camino más corto entre dos partes conductoras, o entre una parte conductora y la superficie de fijación del equipo, medido a lo largo de la superficie del aislamiento entre ellas. Cumplir con los requisitos para estos dos parámetros ayuda a asegurar que no haya cortocircuitos, chispas o exposición del usuario a voltajes altos.

Aunque se puede clasificar el SSR por sí mismo para proporcionar varios miles de voltios de aislamiento, es importante que cualquier conexión al SSR mantenga el requisito de la distancia y así los voltajes en uso puedan certificarse.

Los SSR también pueden necesitar protección externa. Un SSR de carga CA puede tener impulsos parásitos de voltaje altos cuando se desconecten sus cargas inductivas propias o cercanas, lo que dañaría la estructura de salida del SSR. La solución más común es colocar uno o más elementos protectores como varistores de óxido metálico (MOV) o supresores de voltaje transitorio (TVS) a lo largo de las terminales de carga del SSR como abrazaderas de voltaje (figura 12).

Diagrama de salida del SSR que pueda necesitar protección externa contra impulsos parásitos de voltaje

Figura 12: La salida del SSR puede necesitar protección externa contra impulsos parásitos de voltaje, como aquellos generados por la regulación de las cargas inductivas. Un MOV o un TVS pueden proporcionar esta protección. (Fuente de la imagen: Phidgets, Inc.)

Ajustar estos dispositivos requiere análisis de la magnitud de v = L(di/dt) de la carga. Si la clasificación del voltaje del MOV es muy alta, este no protegerá contra los picos de valor bajo, lo que puede causar daño de igual manera. Por otro lado, si es muy baja, será “iniciada” frecuentemente y los MOV se degradarán y desgastarán con picos de sobrevoltaje repetidos.

Además, la regulación de encendido/apagado de una carga inductiva que utilice un SSR de CA con una salida de TRIAC o tiristor causará un transitorio de voltaje dV/dt que, a su vez, puede resultar en un encendido defectuoso del SSR. Aunque esta ignición falsa no daña el SSR como lo hace un impulso parásito de voltaje inducido por el dV/dt, es, de igual manera, un problema. Para evitar que esto ocurra, se agrega también un circuito con amortiguadores RC para suprimir el incremento repentino del voltaje visto por el TRIAC (figura 13).

Diagrama del amortiguador RC de la salida del SSR

Figura 13: Un amortiguador RC de la salida del SSR evita un encendido falso debido a las cargas inductivas. (Fuente de la imagen: Omron Corp.)

La situación para los SSR de CC es similar, pero, en cierto modo, más simple. Si la carga es inductiva, el pico de corriente que este genera cuando se apaga puede dañar la salida ahora abierta del SSR. La solución estándar es conectar un diodo con su cátodo en la terminal positiva para proporcionar un camino alrededor del SSR de modo que la corriente fluya y se disipe (se usa la misma técnica con las bobinas de los EMR y los solenoides).

Conclusión

Los relés de estado sólido son componentes extremadamente útiles y poderosos para la regulación de encendido y apagado de cargas CA y CC, al tiempo que proporcionan aislamiento eléctrico entre el control y la carga. Son inherentemente resistentes y directos para aplicar, pero los diseñadores deben evaluar de forma cuidadosa la entrada, la salida, la carga y la situación térmica para elegir el SSR adecuado y emplearlo a modo de cumplir de manera eficiente sus capacidades de desempeño.

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Acerca de este autor

Bill Schweber

Bill Schweber es un ingeniero electrónico que ha escrito tres libros sobre sistemas de comunicaciones electrónicas, así como cientos de artículos técnicos, columnas de opinión y características del producto. Anteriormente, se desempeñó como administrador técnico de sitios web para diferentes sitios de temas específicos de EE Times, así como editor ejecutivo y editor analógico en EDN.

En Analog Devices, Inc. (un proveedor líder de circuitos integrados analógicos y de señales mixtas), Bill trabajó en comunicaciones de mercadeo (relaciones públicas); como consecuencia, ha estado en ambos lados de la función técnica de relaciones públicas, ha presentado productos, historias y mensajes de la compañía a los medios y también ha sido destinatario de estos.

Antes de ocupar el puesto de MarCom en Analog, Bill fue editor asociado de su respetada revista técnica y también trabajó en sus grupos de mercadeo de productos e ingeniería de aplicaciones. Antes de dichas funciones, Bill trabajó en Instron Corp., donde realizaba prácticas de diseño analógico y de circuitos de alimentación e integración de sistemas para los controles de máquinas de prueba de materiales.

Tiene una maestría en Ciencias en Ingeniería Eléctrica (MSEE) (Universidad de Massachusetts) y una licenciatura en Ingeniería Eléctrica (BSEE) (Universidad de Columbia), es un ingeniero profesional registrado y posee una licencia de radio para aficionados de clase avanzada. Además, Bill planificó, escribió y presentó cursos en línea sobre una variedad de temas de ingeniería, incluidos los conceptos básicos de MOSFET, la selección de ADC y los LED de conducción.

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