Cómo usar un Relé de estado sólido con Arduino

Un relé de estado sólido o SSR (Solid State Relay) es un dispositivo de conmutación que, a diferencia de los relés mecánicos, no tiene partes móviles. Utiliza componentes electrónicos para activar o desactivar circuitos, lo que lo hace más rápido, duradero y silencioso. En esencia, al igual que los relés mecánicos, actúa como un interruptor controlado electrónicamente. Es un actuador y, al mismo tiempo, puede considerarse una interfaz entre el circuito de control (como un Arduino) y la carga que se desea controlar.

Hardware Necesario

Para seguir este tutorial, necesitarás los siguientes componentes:

• Placa Arduino
• Módulo de relé de estado sólido..
• Dispositivo a controlar (como una lámpara o un motor).

¿Cómo Funcionan los Relés de Estado Sólido?

El corazón de un SSR diseñado para manejar cargas de corriente alterna (AC) es un TRIAC (Triode for Alternating Current), un dispositivo semiconductor perteneciente a la familia de los tiristores. A diferencia de un tiristor convencional, que es unidireccional, el TRIAC es bidireccional, lo que le permite controlar el flujo de corriente en ambas direcciones. De manera simplificada, el TRIAC actúa como un interruptor electrónico que puede controlar el paso de corriente alterna. Estos tienen tres terminales principales que son fundamentales para su funcionamiento. Estos son A1 y A2 llamados terminales principales que se conectan a la carga y G que es el terminal de control. Cuando se aplica una señal en la Gate (G), se activa el TRIAC y permite el flujo de corriente entre A1 (también llamado MT1) y A2 (también llamado MT2). Una vez activado, el TRIAC se mantiene en conducción mientras la corriente a través de A1 y A2 se mantenga por encima de un nivel mínimo llamado corriente de mantenimiento (holding current), incluso si la señal en la Gate se retira.

Para cargas de corriente continua (DC), los SSR utilizan uno o varios MOSFETs conectados en paralelo para manejar corrientes más altas. Este tipo de relé está diseñado para mantener la entrada del circuito de control aislada de la salida mediante técnicas de aislamiento eléctrico. Además, suelen tener claramente identificados los terminales positivo y negativo, ya que una conexión incorrecta de la polaridad puede dañarlos.

La mayoría de los SSR integran un sistema de acoplamiento óptico para garantizar el aislamiento entre el circuito de control y la carga. El voltaje de control enciende un LED interno, que a su vez activa un fotodiodo o un sensor fotosensible. La corriente generada por este componente acciona un TRIAC, SCR o MOSFET, permitiendo conmutar la carga sin que exista conexión eléctrica directa entre ambos circuitos.

Ventajas y desventajas del SSR frente al relé mecánico

Los relés, tanto mecánicos como de estado sólido (SSR), son componentes clave en los sistemas de control eléctrico, ya que permiten manejar cargas de manera segura y eficiente mediante señales de bajo voltaje. Aunque ambos cumplen funciones similares, sus características y modos de operación son significativamente diferentes, lo que los hace más adecuados para ciertas aplicaciones. A continuación, se analizan las ventajas y desventajas de cada tipo de relé, ayudando a determinar cuál es la mejor opción según las necesidades específicas del proyecto.

Ventajas del SSR (Relé de Estado Sólido):

• Mayor durabilidad: Los SSRs no tienen partes móviles, lo que elimina el desgaste mecánico y les da una vida útil significativamente más larga que los relés mecánicos. Esto los hace ideales para aplicaciones con conmutaciones frecuentes.

• Operación silenciosa: A diferencia de los relés mecánicos, que producen un “clic” audible al activarse, los SSRs funcionan de manera completamente silenciosa, lo que resulta útil en ambientes donde el ruido debe minimizarse.

• Velocidad de conmutación: Los SSRs son mucho más rápidos que los relés mecánicos, con tiempos de respuesta de microsegundos. Esto es crucial en aplicaciones que requieren cambios rápidos, como en sistemas de control de temperatura o motores.

• Sin chispas ni arcos eléctricos: Los SSRs no generan chispas al conmutar, lo que los hace más seguros, especialmente en ambientes donde pueden existir gases inflamables o condiciones adversas.

• Aislamiento eléctrico: Gracias al uso de optoacopladores, los SSRs garantizan un aislamiento completo entre el circuito de control y la carga, reduciendo riesgos de interferencia o daño al circuito de control.

Desventajas del SSR frente al Relé Mecánico:

• Mayor costo inicial: Los SSRs son generalmente más caros que los relés mecánicos de características similares, lo que puede ser una limitación en proyectos de bajo presupuesto.

• Calor generado: Debido a las pérdidas en los semiconductores, los SSRs tienden a generar más calor en comparación con los relés mecánicos. Esto puede requerir el uso de disipadores de calor, especialmente en aplicaciones de alta corriente.

• Corriente de fuga: Incluso cuando están en estado “apagado”, los SSRs pueden permitir el paso de pequeñas corrientes (corriente de fuga), lo que puede ser un problema en aplicaciones donde se requiere un apagado absoluto.

• Mayor sensibilidad a picos de voltaje: Los SSRs pueden ser más vulnerables a daños por picos de voltaje o transitorios eléctricos, por lo que a menudo requieren circuitos de protección adicionales.

• Pérdidas internas: Los SSRs tienen una resistencia interna más alta en comparación con los contactos metálicos de los relés mecánicos, lo que puede generar una pequeña caída de voltaje y pérdida de eficiencia en aplicaciones de alta potencia.

La elección entre un SSR y un relé mecánico depende de las necesidades específicas del proyecto. Los SSRs son ideales para aplicaciones que requieren alta frecuencia de conmutación, operación silenciosa, durabilidad o seguridad adicional en entornos con riesgo de explosión o materiales inflamables. Por otro lado, los relés mecánicos son más adecuados para aplicaciones de bajo costo, donde la disipación de calor y la eficiencia sean factores críticos, o cuando las conmutaciones son menos frecuentes.

Conexiones del SSR con Arduino

Los módulos SSR generalmente tienen los siguientes pines:

• DC+: Alimentación del módulo (generalmente 5V).

• DC-: Tierra.

• CH: Pin de control donde se envía la señal desde el Arduino para activar o desactivar el relé.

• COM: Terminal común del interruptor del relé.

• NO: Conexión que estará normalmente abierta y se cerrará al activar el relé.

En los pines COM y NO va conectada la carga y suelen estar marcados con SW1. El número se refiere al número del Relay en el módulo porque estos módulos pueden tener varios en una misma placa. Lo mismo sucede en el caso del pin CH que suele venir acompañado de un número que indica cual es el SSR que se activa con ese pin.

El esquema de conexión de un relé es bastante simple. Primero, se debe conectar la carga en la terminal correspondiente del módulo. Es importante tener en cuenta que el relé actúa como un interruptor para la carga. En la mayoría de los casos, bastará con intercalar el relé en uno de los polos del circuito de la carga para controlar su encendido y apagado.

Por otra parte, se debe alimentar la parte electrónica del módulo. Esto se realiza conectando los terminales etiquetados como DC+ y DC- a los pines de 5V y GND del Arduino, respectivamente. Luego, se conecta el pin de señal CH1 a una de las salidas digitales del Arduino. Si el módulo cuenta con más de un canal, simplemente se conecta cada pin de señal adicional (CH2, CH3 , etc) a salidas digitales del Arduino como comentamos anteriormente.

Código de Ejemplo para Arduino

El siguiente código muestra cómo controlar un relé con Arduino. En este ejemplo, el relé se activa y desactiva cada segundo, encendiendo y apagando el dispositivo conectado. Este código es exactamente igual que para el caso del relé mecánico. De esta forma se evidencia la similitud entre ambos dispositivos.

 1// Ejemplo de Arduino para utilizar un Relé
 2// Más información: https://www.3dpellet.com
 3
 4// Definir el pin del relé
 5int relayPin = 7;
 6
 7void setup() {
 8  // Configurar el pin del relé como salida
 9  pinMode(relayPin, OUTPUT);
10}
11
12void loop() {
13  // Activar el relé (enciende el dispositivo)
14  digitalWrite(relayPin, HIGH);
15  delay(1000); // Esperar 1 segundo
16
17  // Desactivar el relé (apaga el dispositivo)
18  digitalWrite(relayPin, LOW);
19  delay(1000); // Esperar 1 segundo
20}

Conclusión:

La elección entre un SSR y un relé mecánico depende de las necesidades específicas del proyecto. Los SSRs son ideales para aplicaciones que requieren alta frecuencia de conmutación, silencio y durabilidad, mientras que los relés mecánicos son más adecuados para aplicaciones de bajo costo o donde la disipación de calor y la eficiencia sean críticas.