La hoja de datos de un SSR indica el voltaje y la corriente máximos bajo condiciones de prueba establecidas. El panel de control añade las condiciones que generalmente determinan si el dispositivo es fiable: corriente de arranque del motor, pulsos de carga de condensadores, calor atrapado dentro del gabinete, dispositivos de potencia agrupados estrechamente y transitorios que nunca aparecen en la clasificación de carga nominal.
Es por eso que elegir un relé de estado sólido (SSR) no es un ejercicio de buscar un número de catálogo. Una selección fiable debe responder a cuatro preguntas de ingeniería:
| Decisión | Qué se debe establecer |
|---|---|
| 1. ¿Es el SSR eléctricamente compatible? | Salida de CA o CC, rango de entrada de control, polaridad, voltaje, frecuencia, disposición de fases y modo de conmutación |
| ¿Puede soportar la carga? | Corriente RMS continua, magnitud y duración de la corriente de irrupción, factor de potencia, frecuencia de conmutación y tensión transitoria |
| ¿Puede la instalación disipar su calor? | Pérdida por conducción, temperatura ambiente del panel local, curva de reducción de potencia (derating), interfaz térmica, disipador de calor, agrupamiento y flujo de aire |
| ¿Qué sucede durante una falla? | Corriente de fuga, coordinación entre semiconductor y fusible, supresión de sobretensiones, respuesta ante sobretemperatura y apagado seguro tras una falla de cortocircuito en la salida |
Siga estas cuatro decisiones en orden. No compense la falta de datos de carga o térmicos aplicando un multiplicador de corriente universal.
Esta guía asume una aplicación en paneles de control industrial o equipos OEM. Las clasificaciones del producto, el cableado, la coordinación de protecciones y el diseño térmico deben verificarse con la hoja de datos específica del SSR y la norma de equipo aplicable.
Puntos Clave
- Un Los relés de estado sólido (SSR) de salida de CA normalmente no pueden conmutar CC, debido a que la salida de un triac o tiristor depende del paso por cero de la corriente para apagarse. Un SSR de salida de CC generalmente utiliza MOSFET y debe seleccionarse según la polaridad y el voltaje de CC.
- La corriente impresa en el SSR es un máximo condicional, no una corriente de panel utilizable garantizada. La corriente permitida puede disminuir drásticamente a medida que aumenta la temperatura ambiente o empeora el rendimiento del disipador de calor.
- La corriente de carga resistiva por sí sola no es suficiente para cargas de motores, transformadores, lámparas, solenoides o capacitivas. Su corriente de arranque y la duración de la sobretensión a menudo determinan la selección.
- La selección del disipador de calor debe basarse en la pérdida de potencia y la temperatura de la unión, no en una regla universal como “usar el doble de la corriente de carga”.”
- El estado de apagado no significa aislamiento de circuito abierto. Los SSR tienen corriente de fuga y pueden fallar en cortocircuito, por lo que no deben utilizarse como único dispositivo de desconexión de mantenimiento o aislamiento de seguridad.
- Un interruptor de circuito derivado puede proteger el cable sin proteger el semiconductor. La coordinación con fusibles ultrarrápidos para semiconductores debe verificarse por separado cuando sea necesario.
Selección de SSR de un vistazo
| Elemento de selección | Qué determinar | Por qué es importante |
|---|---|---|
| Tipo de salida | Arquitectura de CA, CC o capaz de CA/CC | El dispositivo de salida incorrecto puede no apagarse o dañarse inmediatamente |
| Entrada de control | Rango de voltaje de entrada, demanda de corriente, polaridad | Una salida de PLC nominal de 24 V debe accionar de forma fiable el SSR bajo condiciones reales de caída de tensión |
| Categoría de carga | Calentador, motor, transformador, lámpara, solenoide, controlador LED, banco de condensadores | Cada carga produce una corriente de irrupción, un factor de potencia y un esfuerzo de conmutación diferentes |
| Tensión de funcionamiento | Normal, máximo, transitorio y frecuencia | El SSR debe soportar tanto la tensión constante como las perturbaciones repetitivas |
| Corriente continua | Corriente RMS en el punto de funcionamiento más desfavorable | Establece el punto de partida para la selección térmica |
| Corriente de sobretensión | Magnitud de pico, forma de onda y duración | Determina si el chip de salida sobrevive a los transitorios de arranque y de falla |
| Modo de conmutación | Cruce por cero, encendido aleatorio o control proporcional | Afecta a la EMI, al comportamiento de irrupción y al método de control |
| Diseño térmico | Pérdida de potencia, temperatura ambiente, valores R-theta, flujo de aire | Una temperatura de unión excesiva es la causa principal del fallo prematuro de los SSR |
| Comportamiento en estado de apagado | Corriente de fuga, dv/dt, carga mínima | Las cargas pequeñas pueden brillar, vibrar o parecer que permanecen energizadas |
| Protección | Fusible semiconductor, MOV, circuito snubber, TVS, disparo por sobretemperatura | Diferentes componentes abordan diferentes mecanismos de fallo |
Si primero necesita la estructura interna básica y el principio de funcionamiento, lea Entendiendo los relés de estado sólido. Esta página se centra en el dimensionamiento y la especificación en lugar de repetir la definición general.
1. Recopile los datos de carga antes de elegir un SSR
Un relé de estado sólido (SSR) no puede seleccionarse correctamente basándose únicamente en “230 V, 10 A”. Elabore un perfil de carga con al menos la siguiente información:
- Alimentación de CA o CC, incluyendo frecuencia y polaridad
- Circuito monofásico o trifásico
- Tensión de alimentación máxima normal, no solo la tensión nominal
- Potencia de carga o corriente RMS medida en estado estacionario
- Factor de potencia y eficiencia cuando corresponda
- Corriente de irrupción de arranque, carga, magnetización o filamento frío
- Duración de la sobretensión y frecuencia de conmutación
- Ciclo de trabajo y arranques esperados por hora
- Temperatura ambiente local dentro del gabinete
- Orientación de instalación, ventilación y distancia respecto a fuentes de calor adyacentes
- Método de control requerido: encendido/apagado simple, disparo por ráfagas, control de ángulo de fase o ciclo rápido
- Consecuencia de un fallo en cortocircuito de un relé de estado sólido (SSR)
Para equipos existentes, las formas de onda de corriente medida y de irrupción suelen ser más útiles que una etiqueta de potencia por sí sola. Para un diseño nuevo, obtenga los datos de corriente máxima y corriente de arranque del fabricante de la carga en lugar de depender de multiplicadores genéricos.
Estimación de la corriente de carga normal
Para una carga monofásica:
Fórmula de corriente de carga monofásica
Iload = P ÷ (V × PF × η)
Donde:
- Iload: Corriente de carga (A)
- P: Potencia (W)
- V: Voltaje (V)
- PF: Factor de potencia
- η: Eficiencia
Para una carga trifásica equilibrada:
Fórmula de corriente de carga trifásica
Iload = P ÷ (√3 × VLL × PF × η)
Donde:
- Iload: Corriente de carga (A)
- P: Potencia (W)
- VLL: Voltaje entre líneas (V)
- PF: Factor de potencia
- η: Eficiencia
Para un calentador resistivo, el factor de potencia y la eficiencia suelen estar cerca de 1. Para un motor, utilice la corriente de placa de características cuando esté disponible. Si la potencia indicada es potencia de salida mecánica, se debe incluir la eficiencia.
Elija la tecnología de salida correcta: SSR de CA o SSR de CC
La alimentación de la carga determina la etapa de salida. El voltaje del controlador no lo hace.
Por ejemplo, un relé descrito como CC a CA comúnmente acepta una señal de control de 3-32 V CC pero conmuta una carga de CA. El primer término describe la entrada; el segundo describe la salida.
| Salida de SSR | Semicondutor típico | Alimentación de carga adecuada | Limitación importante |
|---|---|---|---|
| Salida de CA | Triac o SCR en antiparalelo | Cargas de CA | Normalmente se apaga cuando la corriente de carga cruza por cero; no es adecuado para conmutación de CC convencional |
| Salida de CC | MOSFET, a veces IGBT en diseños especializados | Cargas de CC | Observe la polaridad a menos que la salida sea explícitamente bidireccional |
| Salida de CC bidireccional | MOSFET en configuración espalda con espalda | CC donde se requiere bloqueo inverso | Una mayor pérdida por conducción puede resultar de los dispositivos en serie |
| Salida de CA trifásica | Tres polos de salida de CA controlados | Cargas de CA trifásicas | El comportamiento térmico y ante fallo de fase debe evaluarse para todos los polos. |
No utilice la descripción de entrada para inferir la compatibilidad de salida. Lea la designación completa, el diagrama de terminales y la especificación de salida.
¿Puede un relé de estado sólido (SSR) de CA conmutar CC?
Por lo general, no. Un triac o un rectificador controlado de silicio (SCR) permanece bloqueado mientras la corriente se mantenga por encima de su corriente de mantenimiento. La CC no tiene un cruce por cero natural, por lo que el dispositivo puede permanecer encendido después de retirar la señal de entrada.
¿Puede un SSR de CC conmutar CA?
Solo si su salida está diseñada específicamente para corriente bidireccional. Una salida convencional de MOSFET polarizado no es un sustituto para un SSR de CA.
3. Haga coincidir la entrada de control con el PLC, controlador o sensor.
Una entrada de SSR común marcada 3-32 V CC incluye un LED y una red de limitación de corriente. Esa etiqueta general aún no garantiza la compatibilidad con todos los controladores.
Verificar:
- tensión de encendido garantizada y tensión de apagado garantizada
- corriente de entrada en todo el rango de tensión
- polaridad de entrada
- tipo de salida del controlador: fuente (sourcing), sumidero (sinking), relé, triac o transistor
- corriente de salida del PLC disponible por canal y por grupo común
- corriente residual o de fuga del controlador cuando está en estado “apagado”
- caída de tensión en cableado de control largo
- aislamiento requerido entre canales y circuitos
Para relés de estado sólido (SSR) de entrada de CA, verifique la frecuencia de entrada, el rango de activación, la tensión de liberación y la corriente de entrada. Un PLC de salida de CA o un sensor de dos hilos pueden tener una corriente de fuga suficiente para mantener activa una entrada de SSR sensible; puede ser necesaria una red de drenaje (bleed network) o un relé de interfaz correctamente diseñado.
Seleccionar por tipo de carga, no solo por corriente de funcionamiento
La misma corriente de funcionamiento de 10 A puede imponer esfuerzos muy diferentes dependiendo de la carga.
| Tipo de carga | Esfuerzo eléctrico principal | Foco de selección | Enfoque de conmutación típico |
|---|---|---|---|
| Calentador resistivo | Corriente continua y calor en el gabinete | Corriente RMS, ciclo de trabajo, disipador de calor | El cruce por cero se utiliza comúnmente para control de encendido/apagado o control por ráfagas |
| Motor o compresor | Corriente de arranque y de rotor bloqueado, ciclos frecuentes | Datos nominales del motor, duración del arranque, protección contra bloqueo, margen térmico | Siga las directrices del fabricante del SSR para cargas de motor |
| Transformador | La corriente de irrupción de magnetización depende del ángulo de conmutación y de la remanencia | Curva de sobretensión específica del transformador y método de conmutación | Utilice una solución diseñada para el propósito; no asuma que el cruce por cero es automáticamente lo mejor |
| Solenoide o válvula | Tensión de desconexión inductiva | Supresión de sobretensiones y requisito de tiempo de liberación | Salida de CA o CC adaptada a la bobina; añada la supresión adecuada |
| Lámpara incandescente o de infrarrojos | Corriente de irrupción de filamento frío | Resistencia en frío y capacidad de sobretensión repetitiva | El cruce por cero a menudo reduce las perturbaciones, sujeto a los datos de la aplicación |
| Controlador LED o entrada capacitiva | Pulso de carga de condensador, alto factor de cresta, pequeña corriente constante | Corriente de pico, duración del pulso, carga mínima, fuga | Utilice datos de carga capacitiva; los vatios de la placa de características por sí solos son insuficientes |
Cargas de calentamiento resistivas
Las cargas de calefacción suelen ser la aplicación de SSR más sencilla, pero pueden funcionar con un ciclo de trabajo elevado durante largos periodos. Esto hace que la pérdida por conducción y la temperatura de la envolvente sean más importantes que la corriente de arranque. Utilice la corriente máxima en estado caliente y la peor tensión de alimentación creíble.
Motores y compresores
No dimensione un relé de estado sólido (SSR) para motores basándose únicamente en la corriente a plena carga. Verifique la corriente de arranque, el tiempo de aceleración, los arranques por hora, la protección contra rotor bloqueado, la pérdida de fase y si se requiere inversión de giro o frenado. El amperaje nominal de un SSR de propósito general no es equivalente a una clasificación de utilización para motores.
Para aplicaciones que requieran arranque suave, limitación de corriente o aceleración controlada, un controlador de motor semiconductor o un arrancador suave pueden ser más adecuados que un simple SSR de todo o nada. La norma IEC 60947-4-2 cubre los controladores de motor semiconductores, arrancadores y arrancadores suaves dentro de su alcance.
Transformers
La corriente de irrupción de magnetización de un transformador se ve fuertemente afectada por el ángulo de cierre, el flujo residual, la impedancia de la fuente y el diseño del transformador. Cerrar exactamente en el paso por cero de la tensión puede producir una asimetría de flujo severa en algunas aplicaciones de transformadores. Seleccione un SSR o controlador con guía explícita para cargas de transformador y una envolvente de corriente de sobrecarga validada.
Controladores LED y cargas capacitivas
Una fuente de alimentación LED puede consumir solo una fracción de amperio después del arranque, pero producir un pulso de carga corto muchas veces mayor. Compare la magnitud de la irrupción y el ancho de pulso del controlador con los datos de sobrecarga repetitiva y no repetitiva del SSR. Verifique también la corriente de fuga en estado apagado, ya que puede cargar el condensador de entrada y causar parpadeos.
5. Verifique la tensión de salida y el margen de transitorios
La tensión nominal de salida del SSR debe exceder la tensión de estado estable más alta que pueda aparecer a través de la salida abierta. También debe soportar perturbaciones de línea, conmutación inductiva y transitorios repetitivos.
Revisión:
- Tensión de alimentación nominal y máxima continua
- Valor eficaz (RMS) de CA frente a tensión de bloqueo de pico
- Tensión máxima de funcionamiento de CC
- Tensión de pico repetitivo en estado de bloqueo
- dv/dt estático y de conmutación
- Entorno de sobretensiones y protección aguas arriba
- Nivel de aislamiento entre los circuitos de control y de carga
No aplique un porcentaje de margen de tensión universal a todas las tecnologías de SSR. Utilice la curva de aplicación del fabricante y coordine el SSR con el varistor de óxido metálico (MOV), el dispositivo de supresión de transitorios de tensión (TVS) o el dispositivo de protección contra sobretensiones seleccionado.
6. Dimensione la corriente del SSR a partir de la curva de reducción de potencia (derating)
La corriente impresa en un relé de estado sólido (SSR) se establece normalmente bajo condiciones térmicas específicas. Dichas condiciones pueden incluir una temperatura de carcasa particular, disipador de calor, flujo de aire, orientación de montaje o temperatura ambiente. Por lo tanto, un SSR de “40 A” podría no ser capaz de transportar 40 A de forma continua dentro de un panel de control cerrado y cálido.
Utilice el factor de corriente admisible de la curva exacta de la hoja de datos:
Fórmula de selección de corriente nominal del SSR
ISSR,nominal ≥ Icarga ÷ Fadmisible
Donde:
- Icarga: Corriente de carga continua máxima
- Fadmisible: Factor de corriente admisible
donde:
- I_{carga} es la corriente de carga RMS continua máxima;
- F_{admisible} es la fracción utilizable de la corriente de placa bajo las condiciones reales de ambiente y montaje.
Si una hoja de datos permite solo el 50% de la capacidad nominal en las condiciones de diseño, una carga continua de 18 A requiere un relé de estado sólido (SSR) con una capacidad nominal de al menos 36 A antes de realizar las comprobaciones de sobretensión y categoría de carga. Esta no es una regla de reducción de capacidad universal del 50%; es un ejemplo de cómo aplicar la curva de un fabricante.
La selección de corriente no completa el proceso. El candidato aún debe superar las comprobaciones de corriente de sobretensión, térmica, frecuencia de conmutación y coordinación de protección.
Calculadora de selección de relés de estado sólido y disipadores de calor
Utilice la calculadora de selección de relés de estado sólido y disipadores de calor VIOX para estimar la capacidad nominal de corriente del SSR requerida, la pérdida por conducción, la resistencia térmica del disipador, la temperatura de la unión, el margen de sobretensión, la corriente de fuga en estado apagado y la coordinación preliminar de I^2t de los fusibles semiconductores.
Ingrese la tecnología de salida real, el tipo de carga, el voltaje del sistema, la potencia o corriente medida, el factor de potencia, el ciclo de trabajo, la temperatura ambiente y los parámetros térmicos de la hoja de datos del SSR candidato.
[Inserte aquí la calculadora de selección de relés de estado sólido y disipadores de calor VIOX]
Solo selección preliminar: El resultado no sustituye la curva de reducción de capacidad exacta del fabricante, la clasificación de categoría de carga, la curva de corriente de sobretensión, las instrucciones de montaje, los requisitos de interfaz térmica o la tabla de coordinación de fusibles semiconductores aprobada.
Abra la calculadora completa de selección de relés de estado sólido y disipadores de calor
7. SSR de cruce por cero frente a encendido aleatorio
Esta elección se aplica principalmente a los SSR de salida de CA.
Conmutación por cruce por cero
Un SSR de cruce por cero espera hasta que el voltaje de CA esté cerca de cero antes de encenderse. Se utiliza ampliamente para calefacción resistiva y control de disparo por ráfagas, ya que puede reducir las perturbaciones conducidas y radiadas en comparación con la conmutación en ángulos arbitrarios.
No es la mejor opción en todos los casos. El comportamiento de magnetización de los transformadores, el arranque de motores y los métodos de control especializados requieren una revisión específica de la aplicación.
Conmutación de encendido aleatorio
Un SSR de encendido aleatorio comienza a conducir tan pronto como el comando de entrada y las condiciones del semiconductor lo permiten. Es necesario para el control de potencia por ángulo de fase y para aplicaciones donde el controlador debe elegir el ángulo de disparo.
| Aplicación | Punto de partida habitual | Verificación antes de la aprobación |
|---|---|---|
| Calentador resistivo, encendido/apagado simple | Cruce por cero | Periodo de ciclo, carga térmica, requisitos de EMI |
| Calentador, control de ángulo de fase | Encendido aleatorio | Compatibilidad del controlador, armónicos, filtrado EMC |
| Transformador | SSR/controlador de propósito específico | Corriente de irrupción de magnetización, remanencia, estrategia de disparo |
| Motor/compresor | SSR con capacidad nominal para motor | Corriente de arranque/bloqueo, modo de conmutación, arranques por hora |
| Carga de CC | SSR con salida de CC | La terminología de cruce por cero no es aplicable |
8. SSR monofásico frente a trifásico
Un SSR monofásico conmuta una trayectoria de corriente controlada. Un sistema trifásico puede utilizar:
- un SSR trifásico integrado;
- tres SSR monofásicos controlados conjuntamente; o
- dos polos controlados en un circuito de tres hilos cuando el diseño aplicable lo permita.
Una unidad integrada simplifica el montaje y el control coordinado, pero su calor combinado puede ser considerable. Los SSR separados pueden distribuir el calor y simplificar la sustitución, pero el diseño debe gestionar los comandos simultáneos, la detección de pérdida de fase, el enfriamiento desigual y la temperatura compartida del disipador de calor.
Para motores, no trate tres SSR de uso general independientes como un arrancador de motor completo. La protección contra sobrecargas, la protección contra cortocircuitos, el comportamiento ante la pérdida de fase, la lógica de reinicio y el aislamiento siguen requiriendo un diseño coordinado.
9. Cálculo de la pérdida de potencia del SSR y requisitos del disipador de calor
Pérdida por conducción en SSR de CA
Para una estimación preliminar utilizando una caída de tensión en estado de conducción:
Fórmula de pérdida por conducción en SSR de CA
Ppolo ≈ VON × IRMS × D
Donde:
- VON: Caída de tensión en estado de conducción
- IRMS: Corriente eficaz (RMS)
- D: Ciclo de trabajo
donde D es el ciclo de trabajo. Si el fabricante proporciona una curva de pérdida de potencia, utilice esa curva, ya que la caída de tensión no es perfectamente constante.
Pérdida por conducción de SSR MOSFET de CC
Para una salida MOSFET:
Fórmula de pérdida de SSR MOSFET de CC
Ppolo ≈ IRMS² × RDS(on) × D
Donde:
- RDS(on): resistencia en estado de conducción del MOSFET
- D: Ciclo de trabajo
Utilice la R_{DS(on)} a la temperatura de unión esperada, no solo el valor nominal a baja temperatura. La resistencia del MOSFET generalmente aumenta con la temperatura.
Resistencia térmica del disipador de calor
Para un SSR en un disipador de calor:
Fórmula de resistencia térmica del disipador de calor
RθSA,max = (TJ,objetivo − TA) ÷ P − RθJC − RθCS
Donde:
- TJ,objetivo: Temperatura de unión objetivo
- TA: Temperatura ambiente
- P: Pérdida de potencia del SSR
donde:
- TJ,objetivo es el límite de temperatura de unión de diseño, mantenido por debajo del máximo absoluto;
- TA es la temperatura del aire local alrededor del disipador de calor;
- P es la pérdida de potencia del SSR;
- R_{\theta JC} es la resistencia térmica de la unión a la carcasa;
- R_{\theta CS} es la resistencia térmica de la carcasa al disipador;
- R_{\theta SA} es la resistencia térmica requerida del disipador al ambiente en grados Celsius por vatio.
Un R_{\theta SA} más bajo significa un disipador de calor más eficaz.
Ejemplo práctico
Supongamos que un SSR de CA transporta 18 A de forma continua, tiene una caída de tensión en estado de conducción de 1.6 V y está instalado donde la temperatura ambiente local puede alcanzar los 45 grados C.
P = 1.6 \times 18 = 28.8\ W
Si el diseño apunta a una temperatura de unión de 100 grados C, R_{\theta JC}=0.5 grados C/W, y R_{\theta CS}=0.2 grados C/W:
R_{\theta SA,max} = ÷{100-45}{28.8} – 0.5 – 0.2 \approx 1.21\ ^\circ C/W
El disipador de calor seleccionado debe proporcionar 1.21 grados C/W o menos bajo la orientación real, el flujo de aire del gabinete, la altitud y las condiciones de montaje. Este ejemplo es ilustrativo; utilice los datos exactos de pérdida del SSR y las resistencias térmicas.
Varios SSR en un mismo disipador de calor
Cuando varios módulos comparten un disipador de calor, el calor total eleva la temperatura del disipador mientras cada módulo conserva su propia trayectoria de unión a carcasa:
Fórmula de temperatura de unión del SSR
TJ = TA + Ptotal × RθSA + Pmodule × (RθJC + RθCS)
Donde:
- TJ: Temperatura de unión
- TA: Temperatura ambiente
No calcule cada SSR como si tuviera todo el disipador de calor para sí mismo.
10. Tenga en cuenta la temperatura del panel, el agrupamiento y el montaje
La temperatura ambiente no es la temperatura de diseño. Mida o estime la temperatura del aire cerca del SSR y de la entrada del disipador de calor después de que el panel alcance el equilibrio térmico.
Las causas comunes de subestimar la temperatura del SSR incluyen:
- envolventes selladas expuestas a la luz solar;
- disipadores de calor montados donde la convección natural está obstruida;
- varios SSR, contactores o fuentes de alimentación agrupados estrechamente;
- aletas horizontales que no permiten desarrollar una trayectoria de flujo de aire ascendente;
- gran altitud, filtros de polvo o rendimiento reducido de aire forzado;
- compuesto térmico excesivo o mal aplicado;
- presión de montaje desigual o superficie del disipador de calor deformada.
Utilice las instrucciones del fabricante del SSR sobre par de apriete, planitud, almohadilla térmica y montaje. Más compuesto térmico no es mejor; el material de interfaz debe rellenar los huecos microscópicos sin crear una capa aislante gruesa.
¿Disipador de calor integrado o disipador de calor independiente?
Un SSR con disipador de calor para riel DIN integrado puede reducir el número de piezas y el tiempo de montaje, mientras que un disipador de calor independiente ofrece al diseñador más libertad para gestionar mayores pérdidas, cargas térmicas compartidas, flujo de aire y reemplazo. Ninguna construcción es intrínsecamente mejor.
| Configuración | Principal ventaja | Principal limitación | Mejor método de evaluación |
|---|---|---|---|
| Disipador de calor integrado | Montaje compacto e instalación simplificada | Capacidad de refrigeración fija y posible aglomeración dentro de la zona del riel DIN | Verificar la corriente admisible según la temperatura ambiente y el espaciado real del panel |
| Disipador de calor independiente | Mayor variedad de resistencia térmica, tamaño y flujo de aire | Mayor trabajo de montaje y mayor dependencia de la calidad de la interfaz | Calcular la ruta térmica completa y validar la temperatura de la carcasa |
| Disipador de calor compartido | Puede reducir el espacio en el panel para varios SSR | El calor de cada módulo aumenta la temperatura del disipador común | Utilizar la pérdida de calor total más la ruta de unión individual de cada módulo |
No elija entre estas opciones basándose únicamente en la corriente de carga. Compare el margen de temperatura de unión resultante bajo las mismas condiciones de envolvente.
11. Comprender la corriente de fuga en estado apagado y la carga mínima
Un SSR no se comporta como un entrehierro mecánico. Su semiconductor de salida y cualquier circuito snubber interno dejan pasar una pequeña corriente mientras está apagado.
Esta fuga puede causar:
- que las lámparas LED brillen o parpadeen;
- que los medidores de alta impedancia muestren voltaje “fantasma”;
- que los solenoides pequeños zumben o no se liberen;
- que las fuentes de alimentación electrónicas se carguen y reinicien periódicamente;
- que una carga parezca estar energizada durante la resolución de problemas.
Compare la fuga máxima en estado apagado del SSR con la corriente de liberación y la corriente mínima de operación de la carga. Una resistencia de purga aprobada por el fabricante puede resolver algunos problemas de carga pequeña, pero añade calor y debe estar clasificada para voltaje continuo y descarga segura. Un circuito RC snubber externo también puede aumentar la fuga.
Aísle siempre y verifique la ausencia de voltaje antes del mantenimiento. El comando de apagado del SSR no es un método de aislamiento seguro.
Coordinación de la protección alrededor del SSR
Ningún componente de protección individual aborda todas las tensiones del SSR.
| Medida de protección | Propósito principal | Precaución en la selección |
|---|---|---|
| Interruptor derivado o fusible general | Protección de cables y circuitos | Puede ser demasiado lento para proteger la unión del semiconductor |
| Fusible semiconductor rápido | Limita la energía de falla a través del SSR | Utilice la tabla de coordinación del fabricante del SSR o compare sobre una base de prueba común válida |
| MOV | Sujeta la sobretensión repetitiva u ocasional | Coordina el MCOV, el nivel de sujeción, la energía, el envejecimiento y la corriente de seguimiento |
| Snubber RC | Limita el dv/dt y la oscilación en circuitos inductivos de CA | Añade corriente de fuga en estado apagado y calor |
| Diodo de retorno | Suprime el pico inductivo de una bobina de CC | Ralentiza la liberación de la bobina y debe tener la polaridad correcta |
| Diodo TVS | Suprime los transitorios de CC a un voltaje más alto | Liberación de carga más rápida pero con mayor estrés que un diodo de retorno (flyback) |
| Interruptor o sensor térmico | Detecta el sobrecalentamiento del disipador de calor | Colóquelo donde represente la ruta térmica crítica |
| Contactor/desconectador mecánico | Proporciona aislamiento o apagado redundante | Debe coordinarse para la secuencia y la capacidad de interrupción de fallas |
Coordinación de fusibles para semiconductores
Un interruptor de caja moldeada o un interruptor magnetotérmico puede despejar una falla permitiendo aún suficiente energía para destruir un SSR. Cuando se requiera protección de semiconductores, utilice un fusible ultrarrápido recomendado por el fabricante del SSR.
Una comparación preliminar de energía de pulso puede utilizar:
Estimación de energía de pulso
I²t ≈ Ipico² × tpulso
Donde:
- Ipico: Corriente de pico
- tpulso: Duración del pulso
Sin embargo, el I²t de despeje total del fusible y el I²t de resistencia del SSR solo son significativos cuando su forma de onda, duración, temperatura inicial, tensión del sistema y condiciones de prueba son compatibles. Una tabla de coordinación aprobada es una evidencia más sólida que una comparación aislada de números de catálogo.
Selección de MOV y circuitos snubber
La tensión máxima de funcionamiento continuo del MOV debe permanecer por encima de la tensión de línea normal más alta, mientras que su nivel de protección debe mantenerse por debajo de la resistencia a transitorios relevante del SSR. Los transitorios repetitivos, la impedancia de la fuente y el comportamiento del MOV al final de su vida útil también son factores importantes.
Un circuito snubber RC es útil cuando un dv/dt excesivo o una oscilación inductiva amenazan con provocar un encendido falso o estrés en el dispositivo. Debe diseñarse como parte del circuito, no añadirse automáticamente, ya que aumenta la corriente en estado de apagado.
Utilice tendencias de temperatura, no solo un punto de disparo fijo
En equipos de funcionamiento continuo o de alta criticidad, un sensor de temperatura en el disipador de calor puede ofrecer más que un simple apagado de emergencia. Analizar la tendencia de la temperatura junto con la corriente de carga y la temperatura ambiente del panel puede revelar una obstrucción en el flujo de aire, un ventilador averiado, un disipador contaminado, una interfaz térmica suelta o un aumento en el ciclo de trabajo antes de que el SSR alcance su umbral de disparo.
Un aumento en la temperatura del disipador no es prueba de que el SSR esté defectuoso. Compare las lecturas en condiciones de carga y ambiente similares, e investigue toda la ruta térmica. Un interruptor térmico conectado solo a la entrada de control tampoco puede interrumpir una carga después de que el SSR haya fallado en cortocircuito; se requiere un dispositivo de conmutación mecánica o de aislamiento independiente cuando la evaluación de riesgos exija una interrupción positiva.
13. Diseño para los modos de fallo comunes de los SSR
Los semiconductores de potencia fallan a menudo en cortocircuito, especialmente después de sobretemperatura, corriente de irrupción, sobretensión o una limitación inadecuada de la energía de falla. La carga puede permanecer energizada incluso cuando la entrada de control está desactivada.
| Síntoma | Causas probables | Respuesta de ingeniería |
|---|---|---|
| La carga permanece totalmente encendida | Semicondutor de salida falló en cortocircuito; derivación en el cableado | Aislar la alimentación, verificar la resistencia de salida según el método de prueba del fabricante, reemplazar el SSR, investigar las causas térmicas y de sobretensión |
| La carga no se enciende | Salida abierta, excitación de entrada insuficiente, fusible fundido, falla en la carga | Medir de forma segura la tensión de entrada y salida del control, la continuidad del fusible y la corriente de carga |
| Funciona en frío, falla en caliente | Disipador de calor inadecuado, interfaz deficiente, temperatura ambiente excesiva, entrada marginal | Registrar la temperatura de la carcasa/disipador y la corriente después de la estabilización térmica |
| Disparo molesto del fusible | Corriente de irrupción de carga subestimada, fusible incorrecto, sobretensión repetitiva | Capturar la forma de onda de irrupción y revisar la coordinación entre el fusible y el relé de estado sólido (SSR) |
| Encendido falso | dv/dt excesivo, ruido de control, acoplamiento de cableado | Mejorar el enrutamiento, la supresión, el blindaje y el margen de ruido de entrada |
| La carga pequeña brilla o vibra mientras está apagada | Corriente de fuga o corriente de red de supresión (snubber) | Verificar la fuga máxima frente a las características de liberación de la carga; utilizar una red de drenaje aprobada o una arquitectura de salida diferente |
Cuando una energización continua pueda crear riesgos de incendio, movimiento, presión o de proceso, no confíe en un solo SSR para el estado seguro. Utilice una desconexión mecánica adecuada o una arquitectura con clasificación de seguridad, protección contra sobretemperatura independiente y monitoreo de fallas según lo requiera la evaluación de riesgos.
14. Especificación de adquisición de SSR
Una descripción de compra como “SSR de 40 A, entrada de 24 V” está incompleta. Utilice una especificación que permita al proveedor y al fabricante del panel evaluar la aplicación real.
| Campo de especificación | Información a solicitar o proporcionar |
|---|---|
| Aplicación | Equipo de carga, propósito de conmutación, ciclo de trabajo, arranques/ciclos por hora |
| Entrada | Nominal/rango, corriente de entrada, niveles de activación/desactivación, polaridad, tipo de salida de PLC |
| Tecnología de salida | Triac/SCR de CA, MOSFET de CC, CC bidireccional o trifásico integrado |
| Alimentación de carga | Tensión nominal y máxima, frecuencia, disposición de fases |
| Carga de datos | Corriente RMS, factor de potencia, eficiencia, forma de onda de irrupción, duración de sobretensión |
| Modo de conmutación | Compatibilidad con controladores de cruce por cero, encendido aleatorio o proporcional |
| Capacidad de corriente | Corriente continua en las condiciones especificadas de montaje y temperatura ambiente |
| Datos térmicos | Curva de pérdida de potencia, V_{ON} o R_{DS(on)}, R_{\theta JC}, requisitos de interfaz, curva de reducción de potencia (derating) |
| Datos de estado de apagado (off-state) | Corriente de fuga, carga mínima, tensión de bloqueo, dv/dt estático y de conmutación |
| Datos de sobretensión | Corriente de pico, forma de onda, duración del pulso, límites de repetición, base I^2t |
| Protección | Fusible semiconductor aprobado, guía de MOV/amortiguador (snubber), opción de sobretemperatura |
| Mecánica | Paquete, terminales, montaje, disipador de calor, par de apriete, protección contra contacto |
| Documentación | Revisión de la hoja de datos, informes de prueba, trazabilidad, evidencia de certificación aplicable |
15. Lista de verificación de auditoría de proveedores para proyectos de OEM y paneles
Antes de aprobar una familia de SSR, solicite al proveedor que proporcione:
- curvas de reducción de corriente frente a temperatura ambiente para la disposición de montaje exacta;
- datos de pérdida de potencia en el rango de corriente previsto;
- resistencia térmica de la unión a la carcasa e instrucciones de interfaz;
- curvas de corriente de sobretensión con indicación de forma de onda y duración;
- modelos de fusibles rápidos recomendados o un método de coordinación documentado;
- corriente de fuga máxima y carga mínima a temperatura de funcionamiento;
- datos de dv/dt y tensión transitoria;
- par de apriete de los terminales y requisitos de los conductores;
- trazabilidad de lotes y proceso de control de cambios;
- datos de lotes de producción para características críticas tales como corriente de fuga en estado de apagado, caída de tensión en estado de encendido, tensión de bloqueo y tensión de activación de entrada, donde se utilice control estadístico de procesos;
- evidencia de cualquier certificación o cumplimiento de normas declarado;
- muestras para la validación de aumento térmico, corriente de irrupción, fuga y respuesta ante fallos en el ensamblaje real.
Para el abastecimiento de OEM de alto volumen, los datos de capacidad estadística pueden ayudar a identificar si un parámetro se controla de manera consistente en lugar de simplemente cumplir con los límites de especificación. Si un proveedor informa un índice de capacidad de proceso como Cpk, confirme la característica medida, el tamaño de la muestra, los límites de control, la temperatura de prueba y el período del lote. Un valor de Cpk sin ese contexto no es una evidencia significativa de la fiabilidad de un relé de estado sólido (SSR).
La norma IEC 62314:2022 aborda los requisitos para los relés de estado sólido de todo o nada dentro de su alcance. Los controladores y contactores semiconductores de CA para cargas que no son de motor se incluyen en la norma IEC 60947-4-3, mientras que los controladores y arrancadores de motor semiconductores se tratan en la norma IEC 60947-4-2. Los requisitos aplicables al producto y al ensamblaje dependen de cómo se suministre e integre el SSR; un certificado de componente no certifica por sí mismo el panel terminado.
16. Errores comunes en la selección de SSR
Tratar la corriente de placa de características como corriente de panel utilizable
La corrección consiste en utilizar la curva de reducción de potencia exacta y verificar la temperatura de unión en las condiciones ambientales más desfavorables.
Ignorar la corriente de irrupción de la carga
Medir u obtener la forma de onda de la corriente de irrupción. Un valor de corriente pico sin la duración del pulso es insuficiente.
Asumir que el cruce por cero es siempre mejor
El cruce por cero es una opción predeterminada sólida para muchas aplicaciones de calefacción resistiva, pero no es una regla universal para transformadores, motores o control de ángulo de fase.
Seleccionar un disipador de calor según el amperaje nominal del SSR
Calcular la pérdida real del semiconductor y la ruta térmica completa. Dos SSR con la misma etiqueta de corriente pueden tener diferentes caídas de tensión y requisitos térmicos.
Confiar en un interruptor automático general para proteger el SSR
La protección de conductores y la protección de uniones semiconductoras son tareas de coordinación independientes.
Tratar el estado “apagado” (off) como aislamiento.
Tener en cuenta la corriente de fuga y el fallo por cortocircuito. Proporcionar un aislamiento seguro y una ruta de desconexión adecuada al riesgo.
Reemplazar un relé electromecánico (EMR) sin revisar el comportamiento del circuito.
Un relé de estado sólido (SSR) altera la fuga, el calor, el modo de fallo, la caída de tensión y el comportamiento transitorio. Si la decisión sigue siendo entre ambas tecnologías, revise Relé electromecánico frente a relé de estado sólido. antes de finalizar el diseño.
Preguntas Frecuentes
¿Es siempre más seguro un SSR con un mayor amperaje nominal?
No automáticamente. Una clase de corriente superior suele proporcionar más área de chip o margen térmico, pero el beneficio depende del diseño interno, el disipador de calor, la temperatura ambiente, los terminales, la capacidad de sobretensión y la protección. El sobredimensionamiento no puede compensar una tecnología de salida incorrecta o un montaje térmico inadecuado.
¿Se pueden conectar dos SSR en paralelo para compartir la corriente?
No conecte en paralelo salidas de SSR comunes a menos que el fabricante lo admita explícitamente. Las pequeñas diferencias en la tensión de estado encendido, la temperatura y la impedancia del cableado pueden hacer que un dispositivo transporte una corriente desproporcionada, provocando un embalamiento térmico. Utilice un SSR con la capacidad nominal correcta o un conjunto en paralelo aprobado por el fabricante.
¿Pueden varios SSR compartir un mismo disipador de calor?
Sí, si las distancias de aislamiento eléctrico, las instrucciones de montaje y el cálculo térmico combinado lo permiten. Utilice la pérdida total del módulo para calcular la temperatura del disipador de calor y, a continuación, sume el aumento de temperatura de unión a carcasa y de carcasa a disipador de cada SSR.
¿Por qué se mide tensión en la carga cuando el SSR está apagado?
La corriente de fuga en estado apagado a través del semiconductor o del circuito snubber interno puede producir una lectura en el medidor, especialmente con un multímetro digital de alta impedancia. Determine si se trata de una tensión fantasma inofensiva o de corriente suficiente para accionar la carga. Nunca asuma que el circuito es seguro al tacto basándose únicamente en la señal de control.
¿Es siempre mejor un SSR de cruce por cero para una carga de CA?
No. Se prefiere comúnmente para la conmutación de calentadores resistivos y control por ráfagas, pero el control por ángulo de fase requiere un encendido aleatorio. Las aplicaciones con transformadores y motores requieren una guía específica según la carga, ya que el ángulo de conmutación puede alterar la corriente de irrupción y el estrés electromagnético.
¿Por qué utilizar un fusible semiconductor si el circuito ya cuenta con un interruptor automático?
El interruptor automático protege principalmente el cableado y despeja las fallas del circuito. La unión de un semiconductor puede dañarse antes de que un interruptor estándar se abra. Un fusible ultrarrápido coordinado limita la energía pasante a un nivel que el SSR puede soportar.
¿Qué temperatura se considera excesiva para un SSR?
No existe una regla fiable basada en la temperatura al tacto. Utilice la temperatura máxima de la carcasa o de la unión especificada por el fabricante y diseñe basándose en un objetivo inferior que proporcione un margen operativo. Valide la temperatura ambiente local, la temperatura de la carcasa, la temperatura del disipador y la corriente una vez que el panel alcance el estado estacionario.
Regla de selección final
Un SSR fiable se selecciona desde la carga hacia atrás, no desde la corriente del catálogo hacia adelante. Primero, haga coincidir la tecnología de salida (CA o CC) y la entrada de control. Luego, califique el dispositivo según la corriente de irrupción de la carga, la reducción de potencia (derating) de la hoja de datos, el método de conmutación, las pérdidas por conducción, la temperatura de unión, el comportamiento de fuga, la protección contra transitorios y la respuesta ante fallas.
El mejor registro de adquisición no es simplemente “SSR, 40 A”. Es un punto de operación documentado que muestra la carga real, la temperatura ambiente, el disipador de calor, el perfil de sobretensión, los dispositivos de protección y la respuesta segura en caso de que la salida falle en cortocircuito.
Referencias técnicas
- IEC 62314:2022 – Relés de estado sólido
- IEC 60947-4-2:2020+AMD1:2024 – Controladores y arrancadores de motor semiconductores y arrancadores suaves
- IEC 60947-4-3:2020 – Controladores y contactores semiconductores de CA para cargas no destinadas a motores
