¿Qué significan el voltaje de activación y el voltaje de liberación de un relé?

Bienvenido a nuestra guía completa sobre parámetros eléctricos clave de los relés. Cubriremos los conceptos básicos de la operación de relés que son importantes para el diseño confiable de un sistema.

El voltaje de entrada-también se denomina voltaje "debe funcionar". Es el voltaje mínimo de la bobina necesario para energizar el relé. Esto mueve sus contactos desde su posición normal a la posición accionada.

El voltaje de liberación es el voltaje que "debe liberarse". Es el voltaje máximo donde un relé energizado definitivamente se desenergizará. Esto permite que sus contactos vuelvan a su estado normal de reposo.

Debe comprender estos dos parámetros para diseñar circuitos electrónicos predecibles, robustos y resistentes a fallas. Esta guía va más allá de simples definiciones. Exploraremos las implicaciones prácticas, los factores ambientales que influyen en estos valores y cómo leerlos correctamente en las hojas de datos.

En esta guía, cubriremos:

Las definiciones y la física fundamentales detrás-de la tensión de entrada y liberación.

El concepto crítico de histéresis y por qué garantiza una conmutación estable.

Factores del mundo real-como variaciones de temperatura y suministro de energía que alteran el rendimiento del relé.

Cómo leer e interpretar las especificaciones de la hoja de datos para un diseño de circuito confiable.

Reglas de diseño viables y un estudio de caso práctico.

Los fundamentos

¿Qué es el voltaje de entrada-?

La tensión-activada activa la acción mecánica del relé. Cuando se aplica voltaje a través de la bobina del relé, la corriente fluye y crea un campo electromagnético.

El voltaje de entrada-es el punto específico donde la fuerza magnética se vuelve lo suficientemente fuerte. Debe superar las fuerzas opuestas combinadas. Estos incluyen la tensión del resorte de retorno de la armadura y la presión estática de los contactos normalmente cerrados.

A este voltaje, la armadura es arrastrada hacia el núcleo de la bobina. Esto hace que los contactos móviles cambien de estado. Los contactos normalmente abiertos se cerrarán y los contactos normalmente cerrados se abrirán.

El valor en una hoja de datos es un máximo garantizado. El voltaje de activación real-de cualquier unidad de relé individual puede ser menor. La hoja de datos garantiza que el relé funcionará a este voltaje especificado o por debajo de él. Por ejemplo, "debe operar un voltaje inferior o igual a 9,6 V".

Para la mayoría de los relés de CC estándar, el voltaje de entrada-se especifica como un porcentaje del voltaje nominal de la bobina. Normalmente es del 70% o del 80%. Para un relé común de 12 VCC, el voltaje de entrada garantizado-se especificaría como menor o igual a 9,6 VCC (80 % de 12 V).

¿Qué es el voltaje de liberación?

El voltaje de liberación representa el umbral para la desactivación. A medida que se reduce el voltaje a través de una bobina energizada, el flujo de corriente disminuye. El campo magnético se debilita.

El voltaje de liberación es el punto donde la fuerza magnética se vuelve demasiado débil. Ya no puede sujetar la armadura contra la fuerza mecánica del resorte de retorno.

Con este voltaje, la fuerza de recuperación del resorte supera la atracción magnética residual. Esto aleja la armadura del núcleo. Esta acción devuelve los contactos a su estado normal,-desenergizado.

Al igual que el voltaje de entrada-, el voltaje de liberación en una hoja de datos es un mínimo garantizado. Se garantiza que el relé se liberará una vez que el voltaje de la bobina caiga a este nivel o menos. Una especificación típica podría decir "debe liberar un voltaje mayor o igual a 1,2 V".

Este valor también suele expresarse como porcentaje de la tensión nominal. Para los relés de CC, el voltaje de liberación comúnmente se especifica como 10% o más de la clasificación nominal. Para un relé de 12 VCC, el voltaje de liberación garantizado sería mayor o igual a 1,2 VCC.

El concepto de histéresis

¿Qué significan el voltaje de activación y el voltaje de liberación de un relé para un funcionamiento estable? El voltaje de activación-de un relé siempre es significativamente mayor que su voltaje de liberación. Esta diferencia entre los dos umbrales se conoce como histéresis.

Esta característica no es un defecto. Es una característica fundamental y necesaria para el funcionamiento estable del relé. La histéresis evita que el relé "vibre"-oscile rápidamente entre encendido y apagado-cuando el voltaje de control oscila cerca de un único punto de conmutación.

Imagínese si los voltajes-de entrada y liberación fueran idénticos. Cualquier pequeño ruido o fluctuación en la señal de control alrededor de ese umbral único haría que el relé se encienda y apague rápidamente. Esto provoca arcos eléctricos en los contactos, desgaste prematuro y un comportamiento impredecible del sistema.

El bucle de histéresis proporciona una banda muerta. Una vez que el relé se ha activado, el voltaje debe caer significativamente antes de que se libere. Esto garantiza una acción de conmutación limpia y decisiva.

Podemos visualizar esto con un gráfico simple que traza el estado del relé frente al voltaje de la bobina.

Este gráfico muestra claramente dos caminos separados para encender y apagar. Forman un bucle que representa la histéresis del relé.

Factores que influyen en el mundo-real

El papel de la temperatura de la bobina

El factor más influyente que afecta los voltajes de activación y liberación de un relé-en un circuito del mundo real-es la temperatura de su bobina.

La física es sencilla. Una bobina de relé está enrollada con alambre de cobre, que tiene un coeficiente de resistencia a la temperatura positivo. Para el cobre, este valor es aproximadamente +0.4% por grado Celsius.

A medida que aumenta la temperatura de la bobina, aumenta su resistencia CC. Esto sucede ya sea por un entorno ambiental elevado o por autocalentamiento-debido al funcionamiento continuo. Según la ley de Ohm (V=IR), si la resistencia (R) aumenta, se requiere un voltaje más alto (V) para producir el mismo nivel de corriente (I) necesario para generar el campo magnético de accionamiento.

A medida que la bobina se calienta, su voltaje de atracción efectivo-aumenta. Un relé que se activa de manera confiable a 9 V en un laboratorio a 25 grados puede requerir 11 V o más para funcionar dentro de un gabinete caliente a 80 grados.

El efecto sobre el voltaje de liberación es similar. Una bobina más caliente con mayor resistencia significa que el voltaje debe caer a un nivel más bajo para reducir el campo magnético lo suficiente como para que se libere la armadura. Por lo tanto, el voltaje de liberación efectivo también aumenta con la temperatura.

Una vez investigamos una falla de campo donde una unidad de control funcionó perfectamente en el laboratorio (25 grados) pero no logró activar un relé de seguridad crítico en un recinto al aire libre bajo el sol de verano (70 grados). El diseño suministró un voltaje justo por encima de la especificación de entrada en frío-. No tuvo en cuenta el aumento significativo en el voltaje de entrada-a altas temperaturas. La solución requirió rediseñar el circuito del controlador para proporcionar un voltaje de salida más alto garantizado en todas las condiciones térmicas.

Variaciones de la fuente de alimentación

La fuente de alimentación de un circuito nunca es perfecta. Sus variaciones impactan directamente en el funcionamiento del relé. Los diseñadores deben tener en cuenta estas realidades.

En primer lugar está la propia tolerancia de la oferta. Una fuente de alimentación nominal para "12 V" suele ser de 12 V ±5 % o incluso ±10 %. Un diseñador debe trabajar con el peor-caso de los casos. Si el suministro puede caer a 11,4 V (-5%), este voltaje mínimo aún debe estar cómodamente por encima del voltaje de activación máximo posible del relé, considerando los efectos totales de la temperatura.

En segundo lugar está la caída de voltaje o caída I*R. Los cables y las pistas de PCB que conectan la fuente de alimentación a la bobina del relé tienen resistencia. Incluso una pequeña resistencia en un tendido de cable largo puede causar una caída de voltaje significativa cuando la bobina consume corriente. El voltaje en la bobina del relé será menor que el voltaje en los terminales de la fuente de alimentación. Este factor debe calcularse y compensarse en el diseño.

Por último, la ondulación del voltaje es un motivo de preocupación, especialmente en las fuentes de alimentación CA-CC más simples. Si la ondulación del voltaje de CC es lo suficientemente grande, el voltaje mínimo podría caer por debajo del voltaje de retención o liberación del relé. Esto hace que el relé vibre o se suelte inesperadamente. Esto es particularmente problemático para circuitos que operan cerca del umbral de voltaje de liberación.

Impacto de supresión de bobina

Cuando un transistor corta la corriente a una carga inductiva como una bobina de relé, el colapso del campo magnético induce un gran pico de voltaje (V=-L * di/dt). Este pico puede destruir fácilmente el transistor impulsor si no se suprime.

El método de supresión más común es un simple diodo de retorno colocado en paralelo con la bobina. Cuando el transistor se apaga, el diodo proporciona un camino seguro para que la corriente inducida circule y se disipe. Esto protege al conductor.

Sin embargo, este método tiene una desventaja-importante. La corriente circulante prolonga la existencia del campo magnético. Esto mantiene la armadura del relé en estado energizado durante más tiempo. Esto aumenta drásticamente el tiempo de liberación del relé.

Este retraso puede ser inaceptable en aplicaciones que requieren una conmutación rápida. Además, la lenta caída del campo magnético también puede aumentar efectivamente el voltaje al que finalmente se libera el relé.

Para aplicaciones donde el tiempo de liberación es crítico, se requieren mejores métodos de supresión. Un diodo Zener en serie con el diodo estándar, o una red amortiguadora de resistencia-condensador (RC), puede proporcionar una ruta de caída más rápida para la corriente de la bobina.

Aquí hay una comparación de técnicas de supresión comunes:

Elegir el método de supresión correcto es un equilibrio entre proteger el componente del controlador y lograr el rendimiento de liberación del relé requerido.

Aplicación práctica y diseño

Leer una hoja de datos

La traducción de la teoría a la práctica comienza con la interpretación correcta de la hoja de datos de un relé. La sección de datos de la bobina contiene las especificaciones de voltaje críticas que rigen el diseño del circuito del controlador.

Analicemos los parámetros clave que encontrará.

Voltaje nominal de la bobina:Este es el voltaje de funcionamiento estándar previsto para uso continuo. El relé está diseñado para un rendimiento y una vida útil óptimos a este voltaje.

Debe operar (tirar-hacia adentro) Voltaje:Esto se especifica como un valor máximo (por ejemplo, menor o igual a 9,6 V). Su circuito debe suministrar al menos este voltaje en todas las condiciones (en el peor de los casos, suministro bajo, temperatura máxima) para garantizar la actuación.

Debe liberar voltaje:Esto se especifica como un valor mínimo (por ejemplo, mayor o igual a 1,2 V). Para garantizar que el relé se desenergice, el voltaje del estado "apagado" de su circuito debe estar por debajo de este nivel.

Voltaje continuo máximo:Este es el voltaje más alto que la bobina puede soportar indefinidamente sin sobrecalentarse ni sufrir daños. Superarlo puede acortar drásticamente la vida útil del relé.

A continuación se muestra un ejemplo de una tabla de datos de bobina típica para un relé "cubo de azúcar" de 12 VCC.

La lectura atenta es esencial. Tenga en cuenta que estas especificaciones básicas a menudo se dan a una temperatura de referencia, generalmente 25 grados. Como hemos comentado, estos valores cambiarán en diferentes temperaturas de funcionamiento.

Estudio de caso de diseño: UVLO

Apliquemos estos conceptos a un problema de diseño práctico: crear un circuito de bloqueo por subtensión de batería (UVLO).

El objetivo es proteger una batería de plomo-ácido de 12 V contra una descarga profunda. El circuito debe desconectar automáticamente una carga cuando el voltaje de la batería cae a un nivel crítico, por ejemplo, 11,5 V. Sólo debe volver a conectar la carga después de que la batería se haya recargado a un voltaje más saludable, como 12,5 V.

El desafío es seleccionar un relé apropiado y diseñar la lógica de control. La histéresis natural de un relé parece perfecta para esta tarea.

Nuestro análisis requiere que el relé realice dos acciones basadas en umbrales de voltaje:

El relevo debeliberar(desconecte la carga) cuando el voltaje del sistema caiga a 11,5 V.

El relevo debetirar-en(vuelva a conectar la carga) cuando el voltaje del sistema suba a 12,5 V.

En el proceso de selección, comenzaríamos buscando un relé nominal estándar de 12 VCC. Las especificaciones de la hoja de datos son nuestra guía principal. El voltaje de liberación debe estar muy por debajo de nuestro umbral de desconexión de 11,5 V. El voltaje de funcionamiento debe estar por debajo de nuestro umbral de reconexión de 12,5 V.

Sin embargo, un ingeniero profesional sabe que no debe diseñar directamente según estas especificaciones de tolerancia-amplia. En la práctica, nunca confiaríamos en los voltajes de activación y liberación imprecisos del relé-para establecer nuestros umbrales UVLO críticos. El voltaje de activación y el voltaje de liberación del relé tienen una histéresis inherente que es demasiado variable y depende en gran medida de la temperatura.

En su lugar, utilizamos las especificaciones del relé para crear una ventana de funcionamiento segura para un circuito de disparo externo mucho más preciso. Diseñaríamos un circuito comparador (usando un amplificador operacional o un CI supervisor dedicado) con un divisor resistivo preciso para establecer los umbrales de 11,5 V y 12,5 V. Este comparador luego acciona un transistor, que a su vez acciona la bobina del relé.

Para este diseño, nuestra elección de relé se guía por garantizar que no interfiera con nuestro circuito de precisión. Elegiríamos un relé con un voltaje necesario de liberación de, por ejemplo, mayor o igual a 1,2 V y un voltaje necesario de funcionamiento menor o igual a 9,6 V. Esta ventana amplia y garantizada (de 1,2V a 9,6V) nos da un amplio margen. Nuestro circuito de precisión puede funcionar de manera confiable a 11,5 V y 12,5 V, completamente inmune a las amplias tolerancias y deriva térmica del relé.

Este estudio de caso muestra cómo las propiedades del relé son una parte crucial del diseño del sistema. Pero son gestionados y controlados por inteligencia externa en lugar de depender de ellos mismos para su precisión.

Reglas generales de diseño

Para una conducción de relevos sólida, seguimos un conjunto de principios básicos que se resumen en esta lista de verificación.

Regla 1: Cuidado con los huecos.Asegúrese siempre de que el voltaje de salida mínimo garantizado del circuito controlador sea mayor que el voltaje de entrada máximo especificado-del relé. Tenga en cuenta la temperatura de funcionamiento más alta posible.

Regla 2: El extremo inferior importa.Asegúrese de que el voltaje de fuga en "estado-apagado" de su controlador, combinado con cualquier ruido del sistema, sea siempre menor que el voltaje de liberación mínimo especificado del relé. Esto evita que el relé no se desenergice-.

Regla 3: La temperatura no es tu amiga.Reduce siempre tus cálculos de voltaje para el peor-caso del entorno térmico. Una buena práctica es presupuestar al menos un aumento del 20-25 % en el voltaje de entrada al pasar de un entorno de laboratorio de 25 grados a una aplicación industrial con temperaturas de 85 grados.

Regla 4: Conduzca con autoridad.Nunca conduzca una bobina de relé directamente desde un pin de E/S de un microcontrolador estándar. Estos pines tienen una capacidad de suministro de corriente limitada y una alta impedancia de salida. Utilice un controlador dedicado, como un BJT o MOSFET, que pueda proporcionar energía limpia y de baja-impedancia a la bobina.

Regla 5: Reprimir sabiamente.Un diodo de retorno a través de la bobina es el requisito mínimo para proteger al conductor. Si su aplicación es sensible al tiempo de liberación, invierta los componentes adicionales en un diodo Zener-o una solución amortiguadora RC.

Consideraciones avanzadas

Relés de enclavamiento

Es importante diferenciar los relés estándar sin bloqueo de los relés con bloqueo, que funcionan según un paradigma diferente.

A diferencia de un relé sin-enclavamiento que requiere energía continua de la bobina para mantener su estado, un relé de enclavamiento es biestable. Cambia de estado con un breve pulso de voltaje y luego permanece en ese nuevo estado con cero consumo de energía.

Estos relés no tienen un voltaje de activación o liberación tradicional. En cambio, sus hojas de datos especifican un pulso de ajuste de voltaje para mover los contactos a la posición energizada y un pulso de reinicio de voltaje (a menudo en una bobina separada) para devolverlos a la posición normal.

El principal beneficio es un inmenso ahorro de energía. Esto hace que los relés de enclavamiento sean ideales para aplicaciones-alimentadas por batería o sensibles a la energía-donde se debe mantener un estado durante períodos prolongados.

Bobinas de CA versus CC

Los principios analizados a lo largo de esta guía se aplican principalmente a los relés de bobina de CC-. Los relés de bobina AC- están diseñados de manera diferente.

El funcionamiento de una bobina de CC se rige por su resistencia de CC y la corriente resultante. Sin embargo, el funcionamiento de una bobina de CA se basa en su impedancia a la frecuencia de línea especificada (por ejemplo, 50 Hz o 60 Hz).

Las bobinas de CA suelen incorporar un anillo de sombreado o una bobina de sombreado. Se trata de una única vuelta de cobre en cortocircuito incrustada en la cara del núcleo. Crea un flujo magnético retardado que mantiene la armadura asentada durante los cruces por cero-de la onda sinusoidal de CA. Esto evita zumbidos audibles y vibraciones de contacto.

En consecuencia, sus especificaciones de voltaje de entrada y liberación se dan en voltios CA (VAC) y deben evaluarse dentro del contexto de la estabilidad de la fuente de alimentación de CA.

Conclusión: la base de un control confiable

El voltaje de entrada y liberación son más que simples números en una hoja de datos. Definen la ventana de funcionamiento fundamental de un relé electromecánico. La histéresis creada por la brecha entre estos dos umbrales es la clave para garantizar una conmutación limpia, estable y-sin vibraciones.

Sin embargo, un diseño exitoso debe ir más allá de estos valores estáticos de temperatura ambiente-. El mensaje central de esta guía es que un circuito robusto debe tener en cuenta los factores dinámicos del mundo real-que impactan directamente el rendimiento del relé. Esto incluye especialmente los efectos significativos de la temperatura de la bobina y las variaciones en el suministro de energía.

Al ir más allá de la hoja de datos de los componentes y considerar todo el sistema-desde la fuente de alimentación y el circuito del controlador hasta el entorno térmico ambiental-los ingenieros pueden gestionar adecuadamente estos parámetros críticos. Este enfoque nos permite aprovechar las características fundamentales de los relés para construir circuitos de control que no solo sean funcionales en una mesa de laboratorio, sino que sean verdaderamente confiables en el campo.

Ver también

Proceso de producción de relés y flujo de pruebas.

Aplicación de relés en sistemas de generación de energía solar.

Cómo distinguir entre contactos normalmente abiertos y normalmente cerrados de un relé

Cómo elegir los relés y cajas de fusibles automotrices adecuados