Mando de un relé de 24 V desde una salida de 5 V que falla repetidamente
En el cuadro de una línea de llenado, una salida digital de un autómata (0/5 V, 20 mA como máximo) debe gobernar un relé electromecánico cuya bobina es de 24 V CC y 400 Ω. La conmutación se hace con un transistor NPN BD137 (hFE mínimo 25 para 60 mA, VBE = 0,7 V, VCE(sat) = 0,5 V, VCEO = 60 V) alimentado desde una fuente de 24 V, con una resistencia de base de 1 kΩ. La bobina no lleva ningún componente en paralelo. A los tres meses de servicio los transistores fallan de forma repetida; el técnico ha medido 4,2 mA en la base y observa que el relé zumba y chasquea al desactivarse. Los contactos del relé gobiernan una lámpara incandescente de 230 V CA y 100 W y, en otra versión del cuadro, un contactor cuya bobina consume 8 VA.
1. Calcula la corriente de colector, la corriente de base mínima para saturación y el valor de resistencia de base adecuado con un factor de sobreexcitación de 3. ¿Es correcta la resistencia instalada?
Read the worked answer
Corriente de colector. IC = (24 − 0,5)/400 = 58,8 mA (P = 24²/400 = 1,44 W en la bobina).
Base mínima para saturación. IB,min = IC/hFE = 58,8/25 = 2,35 mA. Con factor de sobreexcitación 3 (para garantizar saturación con hFE disperso, temperaturas bajas y envejecimiento): IB = 7,05 mA.
Resistencia. RB = (5 − 0,7)/7,05 mA = 610 Ω → valor normalizado 620 Ω (o 560 Ω), comprobando que la salida del autómata admite esa corriente (7 mA < 20 mA).
Valoración del montaje. Con 1 kΩ: IB = (5 − 0,7)/1000 = 4,3 mA, factor de sobreexcitación 4,3/2,35 = 1,83. Es marginal: el transistor queda en la frontera de la saturación, con VCE mayor de 0,5 V y disipación extra (P ≈ VCE · IC), que aumenta con la temperatura. Aunque no es la causa principal del fallo, la resistencia debería reducirse a 620 Ω para garantizar saturación franca.
2. Explica la causa más probable del fallo repetido de los transistores y del zumbido del relé, y propón la solución indicando componente, polaridad y tensión.
Read the worked answer
Causa. La bobina es una carga inductiva. Al cortar el transistor, la corriente no puede caer instantáneamente y aparece una sobretensión V = −L·di/dt que puede alcanzar cientos de voltios entre colector y emisor, muy por encima de VCEO = 60 V. El transistor entra en avalancha y se destruye (fallo repetitivo, no inmediato, porque la energía se reparte). Mientras la energía se disipa, la bobina mantiene el inducido parcialmente atraído, lo que produce el zumbido y el chasquido en la desactivación.
Solución. Diodo de rueda libre en paralelo con la bobina: cátodo al +24 V y ánodo al colector, de modo que en servicio normal queda polarizado en inversa y no conduce. Elegiría 1N4007 (1 A, 1000 V): aguanta la corriente de 60 mA y el pico, y su tensión inversa deja un margen amplio. Un 1N4148 (100 V, 200 mA) es demasiado justo. Si se necesita liberación rápida (ciclos cortos), se coloca un diodo zener en serie con el diodo, que eleva la tensión de bloqueo y acorta el tiempo de caída.
Mejora adicional. Resistencia de 10 kΩ entre base y emisor para que la corriente de fuga no polarice el transistor cuando la salida del autómata está en alta impedancia.
3. Para el contacto que gobierna la lámpara de 100 W, calcula la corriente de régimen y explica por qué puede soldarse el contacto al cerrar; propón dos soluciones.
Read the worked answer
Corriente de régimen. I = P/U = 100/230 = 0,43 A, aparentemente trivial para cualquier relé.
El problema no es el régimen, es la punta de conexión. El filamento de incandescencia está frío al cerrar y su resistencia es 10-15 veces menor que en caliente: la corriente de irrupción puede ser de 4 a 6 A durante 10-20 ms. Esa punta produce microarco y fusión local del contacto; con ciclos frecuentes, el contacto se soldadura o se erosiona y queda cerrado permanentemente, con el riesgo de que la lámpara no se apague.
Soluciones.
- Elegir un relé con categoría de empleo adecuada para carga incandescente y corriente de irrupción declarada (o sobredimensionar el contacto a 10 A/250 V CA) y añadir un snubber RC en paralelo con el contacto para amortiguar el arco de apertura.
- Sustituir el relé por un relé de estado sólido (SSR) con conmutación por cruce de cero, que limita la irrupción, o intercalar una NTC de limitación en serie con la lámpara.
Para la bobina de contContact... Para el contactor de 8 VA la corriente es 0,035 A, prácticamente despreciable, pero conviene un diodo o varistor en su bobina para no acoplar perturbaciones al resto del cuadro.