Los relés se utilizan comúnmente con fines de conmutación. Existen muchos tipos de relés, como relés electromagnéticos, relés térmicos, relés de láminas, relés de estado sólido y relés híbridos. Un relé es básicamente un interruptor mecánico operado electrónicamente destinado a ser utilizado para conmutación. Los relés electromagnéticos también son de varios tipos, como relés de tipo atracción, relés de tipo inducción y relés de enclavamiento magnético. Este tutorial trata sobre relés de enclavamiento magnético que deben usarse para cambiar la carga entre dos fuentes de alimentación de CC. Cambiar de una fuente de CC a otra lleva algún tiempo, por lo que corta el suministro a la carga durante un corto período de tiempo. Este tutorial analiza cómo reducir el tiempo de conmutación para que la carga no experimente ninguna interrupción durante la fase de transición del relé.
Componentes necesarios –
Figura 1: Componentes necesarios para el reductor de tiempo de conmutación del relé
Conexiones de circuito –
Se utiliza un relé de tipo enclavamiento. El relé está destinado a conmutar entre dos fuentes de alimentación. Ambas fuentes de alimentación se consideran de 12V. Por lo tanto, se puede utilizar una batería de 12 V como fuente de energía. La energía de las baterías se regula a 5 V CC mediante 7805 IC. Para esto, se aplica energía de entrada al pin 1 del IC y el pin 2 está conectado a tierra. Luego, la energía se extrae del pin 3 del IC. Hay dos IC 7805 utilizados en el circuito para regular el suministro de energía de las dos fuentes. Una de las fuentes de alimentación reguladas está conectada al punto Normalmente Abierto (NO) del relé, mientras que la otra entrada de alimentación regulada está conectada al punto Normalmente Cerrado (NC) del relé. Una resistencia de carga (que se muestra como R1 en el diagrama del circuito) está conectada al punto común (C) del relé. Para una conmutación rápida de la respuesta del relé, se conecta un condensador (que se muestra como condensador C5) en paralelo a la carga R1.
Al ensamblar el circuito, se deben tomar las siguientes precauciones:
1. No exceda el límite de voltaje de entrada del IC regulador de voltaje, ya que esto puede dañar el IC. Consulte la hoja de datos de IC como referencia.
2. El voltaje nominal de la fuente de alimentación CC de entrada (12 V en este circuito) debe ser mayor que el voltaje de salida máximo requerido. Esto se debe a que el IC 7805 sufre una caída de voltaje de alrededor de 2V.
3. El voltaje utilizado para energizar el relé (12 V en este circuito) debe ser igual o mayor que el voltaje nominal del relé. De lo contrario, el relé no se activará.
4. Utilice siempre el condensador en la entrada del regulador IC (como los condensadores C1 y C3 en el diagrama del circuito), ya que puede lidiar con el ruido de la red y reducir las ondulaciones no deseadas. Utilice también un condensador cerámico (como los condensadores C2 y C4 en el diagrama del circuito) en paralelo con un condensador polarizado de alto valor. Esto reducirá la ESR general.
5. Los condensadores utilizados en el circuito deben tener una tensión nominal más alta que la tensión de alimentación de entrada. De lo contrario, los condensadores pueden comenzar a perder corriente debido al exceso de voltaje en sus placas y explotar.
6. Los diodos D1 y D2 deben usarse como diodo de protección para que puedan evitar que el capacitor externo C5 se descargue a través de los circuitos integrados del regulador de voltaje durante un cortocircuito de entrada. Esto salvará los circuitos integrados 7805 de la contracorriente.
7. Se debe utilizar un diodo Flyback (que se muestra como Diodo D3 en el diagrama del circuito) en el relé para evitar cualquier contracorriente en el circuito.
8. Utilice el vatio apropiado de resistencia como carga para evitar daños a la resistencia.
9. Si se debe consumir una corriente alta en la salida, los circuitos integrados del regulador de voltaje se calentarán. Por lo tanto, monte un disipador de calor adecuado en los circuitos integrados del regulador para disipar el exceso de calor.
Fig. 2: Prototipo de relé de enclavamiento magnético de conmutación rápida
Cómo funciona el circuito –
El tipo de relé considerado son los relés de enclavamiento magnético. En este tipo de relé, el pin común (C) permanece normalmente cerrado (NC) cuando sus pines de entrada no están energizados. Cuando se suministra energía al pin de activación o al pin de entrada del relé, el relé se activa. Luego, el pin común del relé se cambia al pin Normalmente Abierto (NO) y lleva algún tiempo cambiar del pin NC al pin NO o viceversa.
En los circuitos inversores, este relé se utiliza para cambiar la carga de una fuente de alimentación a otra. Nuestra fuente de alimentación de 12 V energiza el relé y también proporciona entrada al IC 7805 (que se muestra junto al diodo D1 en el diagrama del circuito). En este estado, la carga está conectada al IC 7805. Siempre que se interrumpe el suministro de entrada de 12 V, el relé se desactiva. Ahora la carga está conectada al otro IC 7805 (que se muestra junto al diodo D2 en el diagrama del circuito), que está alimentado por otra fuente de 12 V, pero la carga experimenta cierta interrupción al cambiar de un IC 7805 a otro. Esto corta la energía a la carga por un corto período de tiempo que es igual al tiempo de conmutación del relé. Pero este tiempo de conmutación se puede reducir mediante el uso de condensadores.
Un condensador tiene principalmente dos funciones básicas. La función más conocida de los condensadores es filtrar la señal de CC de picos y ondulaciones de voltaje no deseados. Por lo tanto, este tipo de condensadores se denominan condensadores de filtrado. Otra función del capacitor que es de gran importancia, pero menos discutida, es el uso del capacitor como depósito. El término depósito explica todo sobre esto. Dado que el condensador almacena algo de carga, esta carga acumulada puede proporcionar algo de energía. Por tanto, el condensador también se utiliza para retener carga eléctrica o para actuar como fuente de energía. Debido a este hecho, el condensador utilizado como depósito de carga se denomina condensador de depósito.
Para una conmutación rápida de relés, se puede utilizar un condensador de depósito que pueda manejar respuestas transitorias rápidas en la salida. Este condensador, si se conecta en paralelo a la carga, almacenará algo de carga. La carga almacenada se puede utilizar para proporcionar energía adicional a la carga durante el período de transición del relé de NO a NC o viceversa. Por lo tanto, se utiliza un condensador en paralelo a la carga (que se muestra como resistencia R1 en el diagrama del circuito). El valor del condensador del depósito requerido se puede calcular de la siguiente manera:
Corriente máxima consumida por la carga (I)
Esto se puede calcular usando la ley de ohmios.
V = I*R
Dónde
V = voltaje de salida
I = corriente consumida por la carga
R = resistencia de carga
En el circuito, se utiliza una carga de 50 ohmios, por lo que la corriente máxima consumida por la carga es
Yo = V/R
yo = 5/50
Yo = 100 mA
Tensión máxima de ondulación de salida (dv)
El voltaje de ondulación máximo es el cambio de voltaje máximo permitido en la salida para el cual el capacitor es capaz de alcanzar el voltaje deseado en la salida.
En el circuito, se supone que el voltaje de ondulación máximo es de 100 mV. Entonces,
dv = 100mV
Tiempo de respuesta transitoria del condensador (dt)
Este es el período de tiempo durante el cual se debe suministrar energía a la carga a través del capacitor. Este tiempo transitorio debe ser igual al tiempo de conmutación del relé para que pueda compensarse mediante el uso del condensador.
Para calcular el tiempo de conmutación del relé, se puede observar la forma de onda de salida de carga (sin el uso de un condensador) en el CRO. Se observa una forma de onda como la que se muestra a continuación:
Fig. 3: Gráfico que muestra el tiempo de conmutación del relé en condiciones normales
Como se puede ver en la forma de onda anterior, en un punto el voltaje a través de la carga es cero. Por lo tanto, este tiempo de conmutación debe reducirse utilizando un condensador. Como se observa en el CRO, el tiempo de conmutación del relé es de alrededor de 3 ms.
Por lo tanto, utilizando los valores anteriores de corriente de carga máxima (I), voltaje de ondulación máximo (dv) y tiempo de respuesta transitoria (dt), el valor del capacitor requerido para reducir el tiempo de conmutación se puede calcular de la siguiente manera:
Yo = C*(dv/dt)
Dónde,
Tensión de ondulación máxima permitida, dv = 100 mV
Tiempo de respuesta transitorio, dt = 3 ms
Corriente de salida deseada, I = 100 mA
C = Capacitancia
Poniendo todos los valores,
C = (0,1*0,003)/0,1
C = 3mF
Según disponibilidad, se pueden utilizar tres condensadores de 1000 uF conectados en paralelo para obtener 3 mF en total.
Probando el circuito –
Después de conectar un capacitor de 3 mF en paralelo con la carga y observar la forma de onda de salida en CRO, se observa la siguiente forma de onda de voltaje:
Fig. 4: Gráfico que muestra el tiempo de conmutación del relé reducido después de conectar el condensador del depósito
Este gráfico muestra claramente que el tiempo de conmutación del relé ahora es insignificante y ni siquiera se puede medir. Ahora la carga no sufrirá ningún tipo de discontinuidad en el suministro eléctrico y siempre recibirá un suministro de voltaje constante.
Limitación del método del condensador –
Como todo circuito tiene algún defecto junto con sus ventajas. También hay algunas desventajas de este circuito. Como se ve, solo consume 100 mA de corriente, el valor del capacitor requerido es 3 mF, que es muy grande. Si es necesario consumir una corriente elevada, el valor del condensador requerido será muy grande. Entonces esto encarece el circuito. Además, los condensadores de alto valor no se consiguen fácilmente.
En el siguiente tutorial, aprenderá cómo probar el MOSFET.
