Capítulo v. Estudio de Los Relés
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LABORATORIO DE LÓGICA CAPÍTULO VI CAPÍTULO VI.- ESTUDIO DE LOS RELÉS ELECTROMAGNÉTICOS 1. Objetivos Conocer los tipos de relé Explicar la estructura de un relé Estudiar las características generales de un relé Explicar el funcionamiento de un relé electromagnético 2. Marco Teórico 2.1. Definición de relé El nombre de este componente deriva de la palabra francesa relais (en inglés relays), que significa relevador. Se trata de un componente que al recibir una excitación actúa de intermediario para alimentar o controlar a otro circuito eléctrico. Se dividen en dos grandes grupos: los electromagnéticos y los estáticos. El relé realiza también las funciones de un amplificador de potencia, pues, con una acción muy pequeña, que consiste simplemente en permitir el paso de una pequeña corriente por la bobina del electroimán, produce a su vez una acción superior, al activar el electroimán que mueve el interruptor de control de una gran corriente o tensión. Es decir, con una pequeña potencia, se puede controlar el funcionamiento de una gran potencia. Por supuesto que el relé no aporta energía. La energía la aporta la
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LABORATORIO DE LÓGICA CAPÍTULO VI
CAPÍTULO VI.- ESTUDIO DE LOS RELÉS ELECTROMAGNÉTICOS
1. Objetivos Conocer los tipos de relé
Explicar la estructura de un relé
Estudiar las características generales de un relé
Explicar el funcionamiento de un relé electromagnético
2. Marco Teórico
2.1. Definición de relé
El nombre de este componente deriva de la palabra francesa relais (en inglés relays), que
significa relevador. Se trata de un componente que al recibir una excitación actúa de
intermediario para alimentar o controlar a otro circuito eléctrico. Se dividen en dos grandes
grupos: los electromagnéticos y los estáticos.
El relé realiza también las funciones de un amplificador de potencia, pues, con una acción muy
pequeña, que consiste simplemente en permitir el paso de una pequeña corriente por la bobina del
electroimán, produce a su vez una acción superior, al activar el electroimán que mueve el
interruptor de control de una gran corriente o tensión. Es decir, con una pequeña potencia, se
puede controlar el funcionamiento de una gran potencia. Por supuesto que el relé no aporta
energía. La energía la aporta la fuente de alimentación controlada por el relé pero este es el caso
general de la mayoría de amplificadores. La gran potencia la aporta un elemento exterior que es
la fuente de alimentación.
Un relé es un sistema mediante el cual se puede controlar una potencia mucho mayor con un
consumo en potencia muy reducido.
2.2. Estructura de un relé.
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La figura N˚1 muestra la estructura de un relé:
Figura N˚1 Estructura de un Relé.
En general se puede distinguir en el esquema general de un relé los siguientes bloques de
acoplamiento:
Circuito de salida, carga o maniobra, constituido por:
Circuito excitador
Dispositivo conmutador de frecuencia
Protecciones
2.2. Características generales
Las características generales de cualquier relé son:
El aislamiento entre los terminales de entrada y de salida.
Adaptación sencilla a la fuente de control.
Posibilidad de soportar sobrecargas, tanto en el circuito de entrada como en el de salida.
Las dos posiciones de trabajo en los bornes de salida de un relé se caracterizan por:
En estado abierto, alta impedancia.
En estado cerrado, baja impedancia.
2.3. Tipos de relés
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2.3.1. Por su construcción los relés se clasifican en :
Relé de atracción de armadura
Los relés de atracción de armadura; son relés de tipo electromagnético, en donde se utiliza una
corriente eléctrica para crear un flujo magnético y atraer la armadura. El movimiento de la
armadura abre o cierra los contactos del mismo relé. Su construcción puede ser muy variada. A
su vez los relés de atracción de armadura se clasifican en: relé de tipo balancín y relé tipo
armadura.
Relé de tipo balancín
Este tipo de construcción compara el torque producido por una corriente contra el producido por
la acción de un resorte pivoteando, formando una especie de balanza. Cuando la intensidad de la
corriente es tal que se vence la acción del resorte, el relé cierra sus contactos.
Relé tipo armadura.
Al igual que en el tipo anterior; en este tipo de relé se compara la acción de la corriente contra la
fuerza que opone un resorte y la gravedad de la armadura, la cual es móvil. Cuando la intensidad
de la corriente es lo suficientemente grande, la parte fija de la armadura atrae a la parte móvil, la
cual se desplaza cerrando los contactos.
Relés electrónicos
Este tipo de relés son construidos con elementos de estado sólido para ejecutar las mismas
funciones que realizan los relés electromagnéticos, siendo la principal ventaja de estos relés su
velocidad de operación. Al igual que los otros tipos de relés su construcción puede ser muy
variada dependiendo del uso que se le va a dar.
Un tipo de construcción es el puente rectificador, comparador de fase, el cual
suministra una salida en la bobina correspondiente, dependiente de la fase entre las corrientes que
lo alimentan. Dicha salida puede ser usada para restablecer o interrumpir circuitos iguales a los
del relé electromagnético.
2.3.2. Por su funcionamiento, los relés se clasifican en:
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Relés monoestables
Son relés que vuelven a la posición de reposo una vez terminada la corriente de excitación.
Relés biestables
Son relés que permanecen en la última posición una vez desconectada la corriente de excitación.
Relés neutros
Son relés en los que el sentido de la corriente de excitación no afecta la posición de reposo o
trabajo.
Relés polarizados
Son relés en los que el sentido de la corriente de excitación influye en el tránsito de la posición de
reposo a la posición de trabajo.
2.3.3. Por su aplicación, se tienen:
Relé de desconexión retardada
Relé de conexión retardada
Este efecto también puede lograrse mecánicamente aumentando la tensión de los resortes.
Eléctricamente se recurre al uso de bobinas en oposición (a), al comenzar a circular corriente por
la bobina, su intensidad crece rápidamente en el bobinado de retardo (R) debido a su reducido
número de vueltas, en la bobina principal (P) la corriente crece lentamente y como ambas bobinas
son opuestas el relé no se conecta hasta que el campo producido en P no supere al producido en
R. Tal como lo muestra la figura Nº 2.
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Figura N˚2 Relé de conexión retardada
Eléctricamente se pude usar el circuito (b) en donde la carga del condensador produce una caída
de tensión en la resistencia que retarda la acción del relé hasta que el condensador se haya
cargado. También se puede ampliar el retardo electrónicamente.
Retardo en la conexión y en la desconexión
El circuito de la figura 4 (d) no produce ningún efecto en la conexión, pero los efectos de la
bobina en cortocircuito de la figura 4 (b) también se manifiestan en la conexión.
Relé con retención
Son llamados también de enclavamiento o biestables. Al recibir un impulso de tensión cambia el
estado de los contactos, y necesita un nuevo impulso para recuperar la posición primitiva. En el
núcleo y en la armadura se coloca un remache de material de gran remanencia magnética, al cesar
la corriente de mando y debido al magnetismo remanente, el relé continúa activado hasta que es
excitado por otra señal de sentido opuesto.
Relé estático
No poseen ninguna pieza móvil pero desempeñan la misma función que el relé. Su
funcionamiento no es electromagnético. Se les conoce con el nombre de relé de estado sólido
porque están realizados con semiconductores tales como diodos, transistores, tiristores, triac, etc.
No sufren desgaste y su velocidad de conmutación supera en mucho a los relés tradicionales.
2.3.4. Otros tipos de relé
Existen muchos otros tipos de relés, por ejemplo los relé de alterna que tienen dos núcleos con
una bobina cada uno. Los relés térmicos que no utilizan efectos magnéticos, sino que el calor
producido por la corriente eléctrica actúa sobre un par bimetal que puede ser ajustado para
obtener retardos prolongados. Los relés diferenciales (que tienen un imán permanente y que son
muy sensibles ya que operan con corrientes menores a 3 mA). Los relés reed donde los contactos
a b
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están dentro de la bobina, en el lugar que ocuparía el núcleo, protegidos por una cápsula de vidrio
y construidos con material magnetizable, al circular corriente por la bobina, el magnetismo hace
que uno de ellos se acerque al otro cerrando el contacto. Los relé de mercurio, parecidos a los
reed, pero que realizan el contacto por medio de una gota de mercurio, la baja resistencia del
contacto (2 mΩ) y la posibilidad de operar más de 1000 millones de veces los hace muy útiles.
Finalmente se mencionan los relés para circuitos impresos que tienen el mismo tamaño que un
circuito integrado y que existen en el tipo electromagnético y en el tipo estático.
2.4. Relés electromagnéticos
Son aquellos elementos que funcionan con la fuerza electromagnética que hace accionar los
contactos. Estos sirven para la protección de circuitos contra fuertes sobrecargas efectuándose
una desconexión inmediata. Su funcionamiento está basado en la fuerza producida por un
electroimán sobre una armadura metálica.
La figura 3(a) muestra la vista interna de un relé electromagnético (sin el encapsulado), la figura
3(b) es una representación gráfica de la bobina electromagnética y el juego de contactos
asociados y la figura 3(c) detalla cada una de las partes que conforman a un relé
electromagnético, a continuación se describen cada una de ellas.
.
Fig. N˚3 (a) Vista interna de un relé electromagnético
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Figura N˚3 (b).- Representación gráfica de un relé electromagnético
,
Figura N˚3 (c) Partes de un relé electromagnético
2.4.1. Partes de un relé electromagnético:
El núcleo, la armadura y la culata son de hierro dulce, de elevada permeabilidad y pequeña
remanencia, es decir que se imanta muy fácilmente en presencia de un campo magnético y pierde
rápidamente esa imantación en ausencia del mismo.
La bobina es la encargada de generar el campo magnético, es un arrollamiento de alambre de
cobre esmaltado y sus propiedades se definen en función de la cantidad de vueltas, su resistencia
y la corriente que circula. La fuerza magnética de excitación está dada por la cantidad de ampere
vuelta necesarios, el ampere vuelta se obtiene multiplicando la cantidad de vueltas por la
corriente, por lo general un relé tiene entre 300 y 500 ampere vuelta. Los contactos eléctricos
están soportados sobre láminas elásticas y son de aleación noble, de 2 mm de diámetro para
pequeñas corrientes y de 5 mm para consumo mayor que un ampere.
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Cuando circula corriente eléctrica por la bobina del relé, el núcleo se imanta y atrae a la
armadura, ésta pivotea sobre la culata y hace que los contactos se junten. En el relé deben
distinguirse dos circuitos, el de control que envía corriente a la bobina, y el controlado, del cual
los contactos forman parte. Ambos circuitos están aislados entre sí. El circuito de control es de
bajo consumo, y el controlado puede ser de alto consumo. Al primero se lo llama de excitación y
al segundo de conmutación. (Ver figura Nº 4).
Fig. Nº 4. Circuito de control y controlado de un relé.
En la figura Nº 5 se presenta las posiciones de los contactos los cuales pueden estar normalmente
abiertos (a) o normalmente cerrados (b), también pueden ser de inversión (c), además puede
haber varios juegos de contactos por cada bobina.
Fig. N º 5. Posiciones de los contactos
Es importante tomar en cuenta el hecho de que la bobina del relé, por ser una carga inductiva,
reacciona con picos de alta tensión cuando existe un cambio brusco en la corriente que circula a
través de ella. Precisamente estos cambios bruscos ocurren cuando se activa o desactiva el relé.
Generalmente, la bobina recibe corriente desde un transistor u otro dispositivo electrónico
existiendo un gran riesgo deque los picos de alta tensión provoquen daños irreparables en los
dispositivos que activan el relé. Esto se soluciona colocando un diodo en paralelo con la bobina,
logrando así drenar la corriente producida por el pico de alta tensión a través del diodo. De esta
a b c
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manera se logra proteger al transistor de la sobretensión que podría presentarse entre sus
terminales.
3.Parte Practica.
3.1. Ejercicios Resueltos.
3.1.1. Luz Intermitente con Relé.
La figura Nº 6 muestra el circuito de “Luz intermitente con Relé.
Figura Nº 6 Luz Intermitente
Funcionamiento.
Este circuito genera una señal pulsante o intermitente, que se utiliza para encender o apagar la
carga conectada en los contactos de un relé. El circuito integrado 555 se configura como astable y
el tiempo en el cual permanece su salida, en nivel bajo o alto esta determinado por la resistencia
R1 y R2 y el condensador C1.El circuito integrado 555 genera una señal que varia entre un nivel
alto (12V) y un nivel bajo (tierra =0V) .
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Cuando el pin 3 esta en un nivel alto el diodo led 1 se apaga ya que no hay diferencia de potencial
en sus extremos, por otra parte, este nivel alto provoca saturación del transistor Q1 a través de la
resistencia R3; este estado causa la circulación de corriente por la bobina del relé, logrando que
se cambie de estado su contacto normalmente abierto asociado. Cuando el contacto se cierra, se
conecta el cátodo del diodo led 2 a tierra produciéndose el encendido del mismo.
Cuando el pin 3 esta en nivel bajo se enciende el diodo led 1debido a la diferencia de potencial
existente en sus bornes. Al mismo tiempo este nivel bajo ocasiona que el transistor Q1 pase del
estado de saturación al estado de corte provocando la desenergización de la bobina y por ende el
apagado del diodo led 2 debido a que el contacto asociado a la bobina retorna a sus condiciones
iniciales, es decir; normalmente abierto.
Lista de Materiales.
Relé de 12V
C1= 10 µF/ 25V
R2= Potenciómetro de 20 kΩ
R1= 6.8 kΩ
R3= R4= 2.7 kΩ
R5= 220 Ω
Rl= 980 Ω
Led 1= diodo led rojo de 5 mm
Led 2= diodo led verde de 5 mm
Q1= transistor 2N3904
D1= diodo 1N4004
Circuito integrado 555.
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Simulación.
Se ensamblo el circuito de la figura N° 6 en el programa simulador MULTISIM 2001, como lo
muestra la figura Nº 7.
Figura Nº 7 Simulación en Multisim 2001.
La figura N° 8 muestra la grafica de salida con la punta de prueba del canal 1 conectada a la
salida del circuito integrado 555 y el potenciómetro (R2) al 25% de su valor máximo, es decir; 5
kΩ . La escala de la base de tiempo del osciloscopio es de 50 ms/div y la escala de voltaje es de 5
V/div.
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Figura N° 8 Potenciómetro al 25%
La figura N° 9 muestra la grafica de salida del mismo circuito que la grafica anterior con la punta
de prueba del canal 1 conectada a la salida del circuito integrado 555 y el potenciómetro (R2) al
50% de su valor máximo, es decir; 10 kΩ . La escala de la base de tiempo del osciloscopio es de
50 ms/div y la escala de voltaje es de 5 V/div.
Figura N° 9 Potenciómetro al 50%
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Análisis de los resultados.
A medida que se aumenta el valor del potenciómetro R2 el tiempo que dura la señal en nivel alto
se hace mas grande y a medida que se disminuye el tiempo en nivel alto se hace mas corto, este
efecto también puede lograrse disminuyendo los valores de la resistencia R1 y el condensador
C1. Teniendo en cuenta que no deben tomarse constantes de tiempo con valores muy pequeños.
3.1.2. Relé con retraso al apagado.
La figura Nº 10 muestra el circuito de “Retraso al Apagado.
Figura N° 10 Relé con retraso al apagado.
Funcionamiento
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En algunas aplicaciones industriales de control, o en ciertas aplicaciones comerciales o del
hogar, como en la activación de alarmas, se requiere un circuito capaz de activar o accionar algo
un tiempo después de que se produzca la orden inicial
En el circuito de la figura Nº 10 cumple con este objetivo, haciendo que el relé se accione un
tiempo después del cierre del interruptor S1.
Para entender su operación, suponga que el circuito ha estado desenergizado durante un algún
tiempo, por lo cual la carga en el condensador , y por lo tanto su voltaje, es cero.
Cuando se cierra el interruptor S1, el condensador comienza su descarga hacia el voltaje de
polarización de 12 V. Sin embarga, como inicialmente el voltaje del condensador, Vc, es cero, los
12V de la polarización aparecerán todos en la resistencia R, o sea a la entrada de el TTL, sea
alto . Por tanto, a la salida de la compuesta se tendrá un nivel bajo de voltaje que abrirá al
transistor, impidiendo que el relé se cierre.
A medida que el condensador se carga, su voltaje irá en aumento, haciendo que el voltaje en la
resistencia, Vr, disminuya en igual forma. Cuando este voltaje sea inferior , la compuerta Schmitt
cambiará abruptamente el estado de su salida a un uno lógico, lo que el transistor entre en
conducción, produciéndose la activación del relé.
El diodo D1, tiene como objetivo proteger al transistor del sobrevoltaje inductivo que se origina
cuando se desenergiza el relé. Estos sobrevoltajes pueden llegar a valores de más de un centenar
de voltios, lo que provocaría un daño irreparable en el transistor.
Simulación.
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Figura N° 11 Simulación de Retraso al Apagado
Figura N° 12. Respuesta del Retardo al Apagado.
Lista de materiales.
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R1: 2.2 MΩ
R2: 1 KΩ
R3: 470 Ω
C1: 10 µF
Q1: transistor 2N3904
Relé de 12V
D1: Diodo 1N4148
Diodo Led
S1: interruptor.
Circuito integrado: 7414.
4. Ejercicios Propuestos.
4.1. Comprobar el funcionamiento del circuito“sensor infrarrojo ON” ,mostrado en la figura N˚
13.
Figura N˚ 13 Sensor Infrarrojo ON.
Funcionamiento:
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El circuito utiliza un enlace óptico que es realizado por un fotodiodo y un fototransistor, mientras
que exista el enlace el fototransistor estará saturado y consecuencia el transistor activa el relé.
Cuando el enlace óptico es roto provoca que el transistor entre en corte y el relé se desactive. Al
existir el enlace el fototransistor se satura y se produce un corto circuito en sus extremos que
logra cerrar la malla base emisor del transistor pnp, la resistencia de 1 kΩ está allí para asegurar
que la corriente de base sea adecuada y así obtener una corriente de colector suficiente para
activar el relé. Las resistencias de 820 Ω y 10 kΩ están para proteger los elementos del enlace
óptico (fotodiodo y fototransistor).
Lista de Materiales:
1 transistor 2N3906
1 optoacoplador OPB814
1relé de 12V
1 diodo led
1 diodo 1N4148
1 resistencia de 820 Ω
1 resistencia de 10 kΩ
1 resistencia de 1 kΩ
1 resistencia de 100 Ω
Recomendaciones
Para la aplicación de los circuitos que utilizan sensores ópticos para la activación de relé son
bueno para pequeñas distancias y para grandes distancias se recomienda reemplazar el fotodiodo
por un rayo infrarrojo.
Se utiliza el diodo en inverso a la fuente y paralelo al relé para evitar que los picos de corriente
parásitas afecten algún elemento del circuito.
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4.2. Comprobar el funcionamiento del circuito “sensor infrarrojo OFF” mostrado en la figura N˚
14.
Figura N˚ 14 Sensor Infrarrojo OFF.
Funcionamiento:
Este sensor posee una operación inversa al circuito de la figura N˚ 12, es decir mientras exista el
enlace el relé se mantendrá desactivado, bastará con que se rompa el enlace para que este se
active. Se observa que cuando existe el enlace estará saturado y toda la corriente fluirá por la
resistencia de 10 kΩ y el fototransistor sin dejar pasar corriente a la base del transistor npn,
cuando el enlace se rompa se obtiene que toda la corriente fluye a través del transistor.
Con esto se logra una configuración del transistor llamado divisor de voltaje entonces se tiene
que:
Rth =( 10 kΩ*100 kΩ)/(10 kΩ+100 kΩ) = 9 kΩ
Vth = 7V*100 kΩ/10kΩ+100 kΩ =6,36 V
Ib = 6,36V - 0,7V/9kΩ = 0,63 mA
Ic= Ib*100 =63 mA
Lista de Materiales
1 transistor 2N3904 NPN
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1autoacoplador OPB814
1relé de 12V
1 diodo led
1 diodo 1N4148
1 resistencia de 820 Ω
1 resistencia de 10 kΩ
1 resistencia de 1 kΩ
1resistebcia de 100 Ω
4.3. Comprobar el funcionamiento el siguiente circuito Descarga del condensador mostrado en la
figura N° 15.
Figura N° 15 Descarga del condensador
Funcionamiento:
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Se basa en la descarga de un condensador en serie con un potenciómetro al presionar S, el relé se
mantendrá un instante activado, este dependerá de producto de r y c en este caso se usa un
condensador de 10 μF y un potenciómetro de 150 kΩ entonces el t = 1,5 s.
T = R * C
Lista de Materiales:
2 transistores 2N3904
1relé de 12V
1 diodo led
1 diodo 1N4148
1 condensador 100 μF
1 resistencia de 470 Ω
1 potenciómetro de 150 kΩ
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Simulación.
Figura N° 16. Simulación Descarga del Condensador.
Figura N° 17. Potenciómetro al 20%
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Figura N° 18. Potenciómetro al 40%
Figura N° 19. Potenciómetro al 60%
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Figura N° 20. Potenciómetro al 80%
