Introduccin a los rels

Un rel es un dispositivo electromecnico que nos permite la conmutacin de una lnea elctrica de media o alta potencia a travs de un circuito electrnico de baja potencia. La principal ventaja y el motivo por el que se usa bastante en electrnica es que la lnea elctrica est completamente aislada de la parte electrnica que controla el rel. Es decir, podemos construir un circuito electrnico (un temporizador, una fotoclula, etc.) y, a travs de un rel, controlar cualquier tipo de aparato conectado a la red elctrica.

Diseo de un rel tpico con descripcin de sus partes

Este artculo habla de los rels usados normalmente en electrnica, es decir, rels simples en los cuales la bobina de activacin trabaja con una tensin continua mientras que a travs de los contactos podemos hacer pasar lo que queramos (tensin continua o alternada).

Como est hecho un relSubstancialmente, un rel esta compuesto por una bobina, una armadura metlica y un grupo de contactos que pueden ser conmutados a travs de un campo magntico generado por la bobina.

En la imagen animada podemos observar como trabaja un rel. Cuando el pulsador hace contacto, pasa corriente elctrica por la bobina y por lo tanto se crea un campo magntico. Este campo magntico atrae la armadura que, acercndose al ncleo de la bobina, mueve los contactos del rel efectuando la conmutacin.

Animacin que muestra el funcionamiento del rel

Caractersticas de un relLas caractersticas principales que diferencian los rels para tensin continua son:

la cantidad y el tipo de contactos

la potencia de conmutacin

la tensin de trabajo de la bobina

la corriente de la bobina (o resistencia)

Estos parmetros determinan generalmente el tamao del rel. Mayor es la cantidad de contactos y la potencia que estos pueden conmutar, mayor ser el tamao de rel. Existe una amplia variedad de rels, algunos pequeos como circuitos integrados y otros grandes como ladrillos.

Algunos tipos de rel

Cuanto ms grande y potente es el rel, ms corriente ser necesaria para activarlo y este es un factor muy importante cuando proyectamos el circuito electrnico que lo comanda.

Clasificacin de los rels en base a los contactos

Clasificacin de los rels en base al tipo de contactos

La cantidad y el tipo de contactos que un rel dispone se especifican con siglas en ingls que explico a continuacin:

SPST: rel con un solo interruptor normal (Single Pole Single Throw)

SPDT: rel con un solo conmutador de dos vas (Single Pole Double Throw)

DPST o 2PST: rel con dos interruptores normales (Double Pole Single Throw)

DPDT o 2PDT:rel con dos conmutadores de dos vias (Double Pole Double Throw)

Como se ve en el elenco, la letra inicial de la sigla puede ser reemplazada por un nmero que indica la cantidad de conmutadores. Por lo tanto 4PDT sera un rel con 4 conmutadores de dos vas cada uno.

En la figura podemos ver el diseo de un rel con dos conmutadores (DPDT) visto desde abajo. Este tipo de rel es el que yo ms uso porque es bastante verstil.

Ejemplo de contactos de un rel DPDT

No obstante este rel tenga dos conmutadores, en la mayor parte de los casos, se necesita solo uno de ellos. El segundo conmutador podemos aprovecharlo conectndolo en paralelo con el primero como se ve en la figura. Haciendo as, obtenemos dos ventajas: la primera es que mejoramos la calidad de los contactos, especialmente con rels ya muy usados. La otra ventaja es que podemos controlar corrientes ms elevadas respecto a un solo conmutador conectado. Por ejemplo, un rel con corriente mxima de 2 Amp. por contacto, conectando dos conmutadores en paralelo podemos llegar a 4 Amp.

Conexin de los dos conmutadores de un rel DPDT en paralelo

Conectando un relEl modo ms simple para controlar un rel es a travs de un pulsador o un interruptor alimentado con baja tensin continua como se ve en la figura. En el ejemplo, el rel tiene una bobina para 12VDC que es el tipo ms usado como interfaz para circuitos electrnicos de control. Como pueden ver, los cables que van al pulsador son de baja tensin y baja corriente, pudiendo por lo tanto, usarse pulsadores, interruptores y cables de conexin de baja tensin y sin peligro de electrocucin.

Conexin de una lmpara a un rel

En la figura sucesiva podemos ver una animacin del circuito anterior. El pasaje de corriente por la bobina de 12V crea un campo magntico que mueve la armadura y conmuta los contactos principales. Como pueden notar, la lmpara y los contactos del rel se encuentran conectados a la tensin de la red elctrica pero esta parte est aislada respecto a los 12V de la bobina y del pulsador.

Animacin del encendido de una lmpara a travs de un pulsador

Como explicado en la parte relacionada con los contactos, en los conmutadores tenemos un tercer contacto conocido como NC, es decir normalmente cerrado (NC: normally closed en ingls) que nos permite de trabajar al contrario, es decir, cuando el rel se activa la lmpara se apaga. En la figura animada podemos ver un rel que en condiciones de reposo (no activado) mantiene encendida una lmpara gracias al contacto NC. El mismo circuito con el rel activado apaga la lmpara mientras que la otra se enciende.

Animacin que muestra el encendido alternado de dos lmparas gracias al contacto NC

No obstante los diseos realsticos sean ms claros y fciles de entender, en electrnica se trabaja con circuitos compuestos por smbolos grficos. Lamentablemente no existe un estndar universal adoptado por todo el mundo, no obstante varios intentos de uniformar los smbolos por parte de organizaciones internacionales a lo largo del tiempo. Por suerte, las diferencias no son muy significativas y sin necesidad de mucho entrenamiento, se aprende a reconocer los componentes electrnicos sin problemas. En la figura les muestro el sistema de rel y pulsador con los smbolos que yo generalmente uso.

Smbolo de un rel

Cuanto interrumpimos la corriente que pasa por la bobina, el campo magntico presente en el rel induce en los terminales de la misma bobina, por un breve momento, una tensin muy elevada de polaridad opuesta. Este pico de tensin se conoce con el trmino extra tensin de apertura o extra corriente de apertura. La explicacin detallada del fenmeno va ms all de los objetivos de este artculo, la cosa importante es saber que existe y que a la larga, daa los contactos del pulsador.

Conexin de un diodo en paralelo con la bobina para eliminar la extra corriente de apertura

Para evitar el envejecimiento prematuro de los contactos, la solucin ms simple es la de conectar en paralelo con la bobina un diodo rectificador inversamente polarizado en modo tal que durante el funcionamiento del rel, el diodo no trabaja mientras que, cuando desconectamos el interruptor o el pulsador, el diodo absorbe dicha energa residual de polaridad opuesta. El uso de un diodo con el circuito del pulsador mostrado es muy aconsejable mientras que es fundamental si controlamos nuestro rel con un transistor porque este sobreimpulso puede daar el transistor como explicar en mi artculo Como controlar un rel con transistores. Generalmente yo uso diodos rectificadores comunes como por ejemplo el 1N4007.

Conexin del diodo supresor y de un led indicador en paralelo con la bobina

Para terminar, podemos agregar un led que nos indique cuando el rel esta accionado como se ve en la figura. La resistencia en serie, en el caso de 12V puede ser de 1,8K.

Como controlar un rel con un transistor

En este artculo explico en modo detallado como conectar un rel a un circuito electrnico digital a travs de un transistor comn. Analizaremos la funcin de cada componente asociado, el clculo de las resistencias en base a la tensiones de trabajo y a la potencia del rel usado. Para conocer mejor los rels y su funcionamiento aconsejo a los lectores de leer mi gua Introduccin a los rels.

Circuito simplificado para la conexin de un transistor a un rel

El modo ms sencillo para activar un rel con un circuito electrnico de control es a travs de un transistor NPN conectado como se ve en la figura. El transistor, conectado de este modo, cierra el circuito poniendo a masa el terminal de la bobina mientras que el otro terminal se encuentra conectado a positivo.

Esta modalidad de conexin (contacto hacia masa) tiene la ventaja de permitir el uso de rels con tensiones de alimentacin de la bobina diferentes respecto a la tensin de trabajo del circuito de control como explicar a lo largo de este artculo. Por ahora les digo que el recuadro en el dibujo representa nuestro hipottico circuito de control. Puede estar hecho con componentes lgicos discretos o con microcontroladores. Los nombres indicados (TTL, CMOS, LVTTL y LVCMOS) son las siglas que representaban las distintas tecnologas de los circuitos lgicos. A continuacin indico las tensiones de trabajo de ellas.

TTL: 5V

CMOS: entre 5V y 15V

LVTTL: 3,3V

LVCMOS: 3,3V, 2,5V o 1,8V

El sistema que analizaremos funciona correctamente con todas las tecnologas citadas.

Como funciona el circuito

Estado del circuito con tensin de control a 0 volt

El ejemplo ilustrado funciona de este modo: cuando la salida del circuito de control es baja (0V) lo ser tambin la base del transistor (indicada en la figura con la letra b) y por lo tanto este no dejar pasar corriente entre emisor y colector (indicados en la figura como e y c) para activar la bobina del rel (en la figura, la parte de los contactos del rel la he hecho con color gris porque no es importante para la descripcin del funcionamiento. Un anlisis detallado sobre los tipos de contactos de los rels y de como usarlos lo pueden ver en mi gua Introduccin a los rels.

Circulacin de corriente en el circuito con tensin de control positiva

Cuando la salida del circuito de control es alta (5V por ejemplo), se supera la tensin de umbral de la base del transistor (0,6V) y por lo tanto, empieza a circular una corriente entre base y masa. Esta corriente lleva el transistor al estado de conduccin (entre colector y emisor) cerrando el circuito de la bobina del rel y por lo tanto activndolo.

Diseo que ejemplifica el transistor como si fuese un interruptor a masa controlado

En realidad la electricidad es una corriente de electrones que circula desde el negativo hacia positivo como muestro en la figura siguiente pero generalmente se representa como una corriente de positivo a negativo porque es ms claro e intuitivo.

Circulacin real de electrones en el circuito (ver texto)

Para obtener una correcta activacin del rel es necesario que el transistor se encuentre saturado, es decir, que permita pasar toda la corriente posible como si fuera un simple interruptor cerrado. Para obtener esto, la corriente de la base debe ser suficientemente grande como explicar cuando calcularemos el valor de la resistencia de base. Solo digo ahora que los transistores no son ideales y un poco de tensin cae entre el colector y el emisor no obstante el estado de saturacin. De cualquier manera, en los casos que estamos analizando, los valores son muy pequeos (0,2V por ejemplo) y podemos no considerarla.

Como hemos visto, basta una tensin superior de 0,6V en la base para que el transistor conduzca. Por lo tanto, este circuito puede ser usado con niveles lgicos de control de 12V, 5V, 3,3V, 2,5V y 1,8V.

Como la tensin de control es independiente de la tensin con la que alimentamos el rel podemos trabajar con tensiones separadas para la parte de control y para el rel. Esto es muy til porque nos da libertad de conectar distintos tipos de rel sin necesidad de modificar la parte de control. Adems, podemos evitar interferencias generadas por la bobina del rel sobre el circuito de control (las bobinas generan picos de tensin cuando son conmutadas que se propagan a travs de las lneas de alimentacin)

Alimentacin separada del rel (12V) y del circuito logico (5V)

Podra parecer una complicacin deber usar dos tensiones de alimentacin diferentes, especialmente si trabajamos con circuitos pequeos. En realidad existe una modalidad muy simple que yo aplico en mis proyectos y que consiste en obtener la tensin de alimentacin para la parte de control directamente de la fuente que alimenta el rel, a travs de un regulador como pueden observar en la figura siguiente.

Conexin para obtener la alimentacin para el circuito lgico desde los 12V

Como proteger el transistor de la extra-tensinCuando a travs del transistor desactivamos el rel, interrumpiendo la corriente que pasa por la bobina, el campo magntico presente en ella induce en la misma, por un breve momento, una tensin muy elevada de polaridad opuesta en sus terminales. Este pico de tensin conocido como extra tensin de apertura (o extra corriente de apertura) puede daar el transistor de control.

Para resolver este problema, la solucin ms simple es la de conectar en paralelo con la bobina un diodo rectificador inversamente polarizado en modo tal que este absorba estos pico de tensin de polaridad opuesta. Generalmente yo uso diodos rectificadores comunes como por ejemplo el 1N4007 (o 1N4004/1N4005/1N4006).

Circuito con diodo de proteccin

Agregando un led indicadorLos leds indicadores siempre son muy validos, no solo por motivos estticos sino porque nos permiten de verificar al vuelo el funcionamiento del circuito. En el caso de nuestro rel, el lugar mejor donde colocarlo es en paralelo con la bobina agregando su respectiva resistencia en serie como pueden ver en la figura.

Circuito con diodo de proteccin y led indicador

Los leds indicadores de 3mm se iluminan bien con corrientes entre 3mA y 10mA. Por lo tanto si trabajamos con 12V podemos usar una resistencia de 1,8K. Con 5V podemos usar 1K.

Corriente de la bobina y tipo de transistorComo dicho anteriormente la gama de rels es inmensa, nosotros nos concentraremos en los tipos ms comunes, con corrientes de conmutacin entre 1A y 10A y tensin de alimentacin de la bobina de 5V o 12V. Para estos tipos de rels la corriente necesaria para activar la bobina es entre 20 mA y 100 mA en base a la potencia. Si la corriente de la bobina no se encuentra indicada en la hoja tcnica podemos medirla directamente con un tester en corriente y usando una fuente de alimentacin para alimentarlo.

Caractersticas de los transistores NPN usados para controlar rels. El BC337 es el ms adapto gracias a su elevada corriente de colector

Con corrientes pequeas, por debajo de los 100mA, podemos usar cualquier tipo de transistor NPN comn, por ejemplo el BC547 o el BC548 (encapsulado TO-92 o SOT-54). Sinceramente yo prefiero el BC337 (igual encapsulado) porque tiene una buena ganancia (HFE), es econmico y es capaz de controlar corrientes de hasta 600mA (0,6A) y por lo tanto sirve para la mayor parte de los rels comunes. Otro transistor indicado es el 2N2222, tambin con buena corriente de colector.

Atencin con este modelo porque existen distintos encapsulados (TO-18, TO-92A) en base al fabricante y los terminales cambian. Si necesitan ms corriente todava, pueden usar el BD137 o BD139 para corrientes de 1,5A. Es diferente el encapsulado (TO-126) y permite de agregar cmodamente un disipador.

Otros dos modelos para controlar rels. El BD139 puede entregar corriente hasta 1,5A y puede ser usado con rels muy grandes

Si la tensin de trabajo de la bobina es baja, por ejemplo 5V, la corriente que el rel necesitar ser mayor mientras que con tensiones ms altas como 12V o ms aun, la corriente ser mucho menor. Vale la siguiente regla: mayor es la tensin de trabajo de la bobina, menor ser la corriente necesaria para activarla. Por ejemplo, un rel de 24V con la misma capacidad de conmutacin de uno de 12V necesitar una corriente aproximadamente de la mitad respecto al de 12V. Por el contrario, un rel de 5V necesitar ms del doble de la corriente respecto al de 12V.

Generalmente, cuando trabajo en la proyectacin de un nuevo circuito electrnico uso el mtodo del peor caso que consiste simplemente en considerar las peores condiciones de trabajo posibles en modo tal que el sistema sea realmente seguro y robusto. Haciendo de este modo, si cambio el rel por otro de un modelo distinto, seguramente mi circuito funcionar sin necesidad de introducir otros cambios.

Clculo de la resistencia de la baseDescribir el funcionamiento detallado de los transistores va ms all del objetivo de este texto, para controlar un rel nos sirve saber solamente que la base del transistor debe superar los 0,6V para que este entre en conduccin y que la corriente que el transistor dejar pasar entre emisor y colector puede depender de la corriente que entra por la base multiplicado por la ganancia en continua caracterstica del transistor (HFE). Esta sera la frmula para obtener la resistencia de base:

Frmula para calcular la resistencia de la base

Donde:

R: resistencia de base

Vin: tensin de control

HFE: ganancia en continua del transistor

Irel: corriente del rel

Como ya descripto, la ganancia en continua de un transistor (HFE) depende del modelo de transistor y puede ser entre 50 y 300. Existen transistores con ganancias ms bajas (generalmente los de alta potencia) y con ganancias muy altas (conocidos como Darlington). Si usamos transistores comunes podemos considerar razonable una ganancia de 100.

Por lo tanto, idealmente, si la bobina de nuestro rel consume 50mA y nuestro transistor gana 100, la corriente que entrar por la base ser de 50mA / 100 = 0,5mA. Esta ser la corriente que deber entregar nuestro circuito lgico para controlar el rel.

Si aumentramos la corriente de la base, la corriente que pasa por nuestro rel no aumentar ms porque una vez que nuestro transistor se encuentra en conduccin plena (saturacin) la corriente que pasa por l no depender ms del transistor sino de la carga, en nuestro caso la bobina de rel que no dejar pasar ms de la corriente necesaria. Este punto es muy importante porque significa que si la corriente por la base no es suficiente, el transistor no dejar pasar toda la corriente necesaria para activar el rel mientras que una vez alcanzada la corriente de base necesaria, posteriores aumentos de esta no cambiarn nada. Y aqu nos conectamos con el mtodo del peor caso que mencionaba antes, nuestro circuito debe funcionar correctamente en todos los casos, es decir, si usamos transistores con mucha ganancia o con poca ganancia, si usamos rels pequeos o grandes. Debemos calcular una corriente de base que nos garantice el correcto funcionamiento. Naturalmente, no es necesario exagerar, podemos considerar un rango razonable.

Por ejemplo, aunque si la mayor parte de los transistores actuales tienen ganancias mayores de 100, nosotros podemos considerar una ganancia de nuestro transistor de 50 (valor bastante pesimista). Por otro lado, los rels comunes de tamao pequeo necesitan corrientes de bobina entre 25mA y 50mA. Nosotros consideraremos un consumo de 50mA. Haciendo as, estaremos seguros que nuestro circuito funcionar bien sin importar demasiado el transistor o el rel usados.

Ejemplo de clculo de la resistencia

Para simplificar el trabajo les propongo una tabla donde podemos encontrar el valor de resistencia para distintos tipos de rel y tensiones de control considerando el uso de un transistor con ganancia HFE = 50.

Tabla con ejemplos de resistencias de base para distintos tipos de rels y distintas tensiones de control

He hecho dos recuadros rojos para meter en resalto los valores mas frecuentes usando 5V como tensin de control. Yo personalmente, con rels pequeos de 12V uso resistencias de 4,7K mientras que bajo hasta 3,3K con rels ms grandes o cuando no se bien que tensin de control voy a usar.

La resistencia a masaAunque si no es imprescindible, es una buena costumbre agregar una resistencia entre la base del transistor y masa como se ve en la figura. Sirve fundamentalmente para evitar que el transistor pueda activar en modo errtico el rel si nuestra entrada de control se encuentra en un estado indefinido. Esta situacin se puede crear cuando un microcontrolador est en fase de inicializacin y sus salidas no se encuentran todava mapeadas (y por lo tanto en alta impedancia). Me explico mejor. Cuando encendemos un equipo con un microcontrolador, este empieza a ejecutar el programa que se encuentra grabado en su memoria (en yergo se llama firmware). La primera parte de este programa configura todas las partes internas del micro para su funcionamiento. En este trabajo de configuracin, el programa debe indicar cuales son las patitas (pins) que sern usadas como entradas y cuales como salidas. Hasta que no termina, estos pins se encuentran desconectados y por lo tanto la base de nuestro transistor tambin lo ser. Esto puede provocar activaciones errticas del rel. Con una resistencia a masa logramos garantizar que la base del transistor se encuentra siempre con un nivel de tensin bien definido. Su valor no es crtico pero conviene que sea bastante grande para no alterar el clculo de la resistencia de base. Podemos usar valores de 47K o 100K por ejemplo.

Circuito final completo

Diagrama pictrico e circuito impreso de un mdulo universal con rel

Ejemplo de un mdulo de control universal para rel con diseo del circuito impreso

Para terminar les muestro una vista pictrica y el correspondiente circuito impreso de un mdulo universal con rel en el cual usamos todo los visto a lo largo de esta gua . El mismo puede ser conectado a cualquier salida de una tarjeta con microcontrolador (Arduino, Raspberry PI u otras). Como pueden ver, la resistencia de entrada es de 3,3K para poder usarlo con circuito lgicos que trabajan con tensiones de 5V pero tambin con tensiones de 3,3V como por ejemplo la Raspberry PI.

Como conectar un rel

Posted on 7 agosto 2010 by inventable

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El modo mas simple para activar un rel es con un transistor, generalmente del tipo NPN. La corriente de excitacin de un rel depende del tipo de rel. Generalmente, cuando mas grande es el rel, mas corriente necesita. El otro elemento que influye es la tensin de excitacin. Si consideramos rels de pequeas dimensiones con contactos de salida en grado de conmutar corrientes de 2 o 4 Amp. la corriente de excitacin necesaria no va mas all de los 60 mA (0,06 Amp).

Es bastante fcil saber la corriente de excitacin porque en las hojas tcnicas de los rel se indica claramente la resistencia de la bobina. Por ley de Ohm:

I = V / RPor ejemplo, si tenemos un rel de 5V DC con una resistencia de la bobina de 100 ohms podemos calcular la corriente:

I = 5V / 100 ohms = 50 mAUna corriente de 50 mA es demasiado elevada para conectar directamente un dispositivo lgico (CMOS o TTL por ejemplo) y tambin para una salida de un microprocesador. Por lo tanto es necesario agregar un transistor que pueda manejar la corriente que el rel necesita. Se el transistor es del tipo NPN tenemos la ventaja de poder usar rel de cualquier tensin no obstante el circuito lgico sea de 5V, es decir, el transistor sirve tambin para adaptar lo niveles de tensin.

Para calcular la resistencia de base hagamos un ejemplo. Supongamos de usar un BC547, este transistor tiene una ganancia esttica (HFE) de 100 o mas. Por lo tanto, para obtener la corriente de salida de 50mA necesaria, la corriente de entrada debera ser:

Iin = Iout / Hfe => Iin = 0,05A / 100 = 0,0005 AmpPor ley de Ohm:

R = (V Vb ) / I => (5V 0,6V) / 0,0005A = 8800 ohmPara estar seguros de poder disponer de bastante corriente de salida para el rel, bajamos el valor de resistencia obtenido a la mitad o menos. La corriente de salida del dispositivo lgico que controla el transistor seguir siendo muy baja.

R = 8800 ohm / 2,5 = 3520 ohm ==> 3,3K

Como podemos observar en la figura, he agregado un diodo 1N4001 conectado en paralelo con la bobina pero polarizado al contrario. Este sirve para evitar que la extra tensin de la bobina (que se genera cuando el rel se desconecta) pueda daar el transistor.

Por ltimo, aunque si no es necesario para el funcionamiento de rel he agregado un led indicador con su respectiva resistencia.

En el caso sea necesario conectar un rel mucho mas grande y con mas consumo de corriente, conviene agregar un transistor de salida mas potente en cascada con el que ya habamos usado creando una configuracin que se llama Darlington. Esta configuracin puede ser vista como un super transistor que gana idealmente la multiplicacin de las ganancias individuales. En este ultimo caso, la corriente de entrada ser:

Iin = Iout / (HfeT1 * HfeT2)Por lo tanto la resistencia de entrada puede ser mas grande. El circuito representado en la figura puede activar rels con corriente de la bobina mxima de 0,5Amp (hablamos de rels bastante grandes).

Por ultimo, si se necesita conectar muchos rels, existe una solucin mas elegante que consiste en usar el circuito integrado ULN2003 (o otros modelos de la misma familia) que consiste en 7 grupos de transistores conectados en configuracin Darlington. El ULN2003 dispone ya de las resistencias de entrada y tambin de los diodos de proteccin.