Caso práctico: Conmutación automática de energía

Nivel: Medio – Implementar un relé SPDT para alternar automáticamente entre una fuente de alimentación principal y una batería de respaldo.

Objetivo y caso de uso

En este caso práctico, construirás un circuito de gestión de energía utilizando un relé de un polo y dos tiros (SPDT, por sus siglas en inglés). El circuito conmutará automáticamente una carga conectada a una batería de respaldo siempre que falle la fuente de alimentación principal.

Esta topología de conmutación automatizada es muy útil en varias aplicaciones del mundo real:
* Sistemas de alimentación ininterrumpida (SAI/UPS) para enrutadores y equipos de red críticos.
* Sistemas de alarma y seguridad que requieren funcionamiento continuo durante cortes de energía de la red.
* Dispositivos de monitorización médica que deben permanecer funcionales durante el transporte de pacientes.
* Sistemas de energía solar que cambian automáticamente a la energía de la batería después del atardecer.

Resultado esperado:
* Cuando la fuente principal (V_MAIN) está activa, la bobina del relé se energiza y la carga se conecta al contacto Normalmente Abierto (NO) alimentado por la fuente principal.
* Cuando la fuente principal falla (cae a 0 V), el relé se desenergiza, transfiriendo sin problemas la carga al contacto Normalmente Cerrado (NC) alimentado por la batería de respaldo.
* El voltaje de la carga (V_LOAD_OUT) permanece continuo, salvo por un pequeño retraso de conmutación mecánica.
* Un indicador LED visual informa con éxito la presencia de la fuente de alimentación principal.

Público objetivo: Aficionados y estudiantes de electrónica de nivel intermedio que aprenden sobre relés electromecánicos y redundancia de energía.

Materiales

• V1: Fuente de CC de 12 V, función: fuente de alimentación principal
• V2: Fuente de CC de 9 V, función: fuente de batería de respaldo
• K1: Relé SPDT de 12 V, función: interruptor automático de energía
• D1: Diodo 1N4007, función: diodo flyback para proteger contra picos de voltaje de la bobina del relé
• D2: LED rojo, función: indicador de alimentación principal
• R1: Resistencia de 1 kΩ, función: limitación de corriente del LED
• R2: Resistencia de 100 Ω, función: carga simulada del sistema

Guía de conexionado

• V1: Conecta el terminal positivo a V_MAIN y el terminal negativo a 0 (GND).
• V2: Conecta el terminal positivo a V_BACKUP y el terminal negativo a 0 (GND).
• K1 (Bobina): Conecta un lado a V_MAIN y el otro lado a 0 (GND).
• D1: Conecta en paralelo a la bobina K1. Conecta el cátodo a V_MAIN y el ánodo a 0 (GND).
• K1 (Contacto NO): Conecta el terminal Normalmente Abierto a V_MAIN.
• K1 (Contacto NC): Conecta el terminal Normalmente Cerrado a V_BACKUP.
• K1 (Contacto COM): Conecta el terminal Común a V_LOAD_OUT.
• R2: Conecta entre V_LOAD_OUT y 0 (GND).
• R1: Conecta entre V_MAIN y NODE_LED.
• D2: Conecta el ánodo a NODE_LED y el cátodo a 0 (GND).

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

[ V1: 12 V Main ] --(V_MAIN)--> [ K1 Coil || D1 (Rev) ] --> GND
                                       |
                                 (Magnetic Link)
                                       v
[ V1: 12 V Main ] --(V_MAIN)--> [ K1: NO Contact ] --+
                                                    |
                                                  (COM)--> [ V_LOAD_OUT ] --> [ R2: 100 Ω Load ] --> GND
                                                    |
[ V2: 9 V Backup ] -(V_BACKUP)-> [ K1: NC Contact ] -+

[ V1: 12 V Main ] --(V_MAIN)--> [ R1: 1 kΩ ] --(NODE_LED)--> [ D2: Red LED ] --> GND

Diagrama eléctrico

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Mediciones y pruebas

1. Conecta y activa tanto V1 (12 V) como V2 (9 V).
2. Mide el voltaje en V_MAIN y V_BACKUP con un multímetro para verificar que ambas fuentes sean estables.
3. Mide el voltaje en V_LOAD_OUT. Debería indicar aproximadamente 12 V. El relé debería emitir un «clic» audible al encenderse, y el LED indicador (D2) debería estar brillantemente iluminado.
4. Desconecta V1 para simular un corte de energía (V_MAIN cae a 0 V).
5. Mide el voltaje en V_LOAD_OUT nuevamente. Ahora debería indicar aproximadamente 9 V, confirmando que la carga se ha transferido exitosamente a la batería de respaldo. El LED debería apagarse.
6. Vuelve a conectar V1. Observa el relé haciendo clic nuevamente a medida que V_LOAD_OUT vuelve a 12 V.

Netlist SPICE y simulación

Netlist SPICE de referencia (ngspice) — extractoNetlist SPICE completo (ngspice)

* Automatic power switching
.width out=256

* Power Sources
V1 V_MAIN 0 PULSE(12 0 200u 1u 1u 200u 500u)
V2 V_BACKUP 0 DC 9

* K1 Relay Coil (modeled as series inductor and resistor)
L_K1 V_MAIN K1_COIL_INT 1m
R_K1 K1_COIL_INT 0 400

* K1 Relay Contacts (modeled as voltage-controlled switches)
* Normally Open (NO) contact between V_MAIN and V_LOAD_OUT, controlled by V_MAIN
S_K1_NO V_MAIN V_LOAD_OUT V_MAIN 0 Relay_NO
* Normally Closed (NC) contact between V_BACKUP and V_LOAD_OUT, controlled by inverted V_MAIN
S_K1_NC V_BACKUP V_LOAD_OUT 0 V_MAIN Relay_NC

* D1 Flyback Diode (Anode to 0, Cathode to V_MAIN)
D1 0 V_MAIN 1N4007

* ... (truncated in public view) ...

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* Automatic power switching
.width out=256

* Power Sources
V1 V_MAIN 0 PULSE(12 0 200u 1u 1u 200u 500u)
V2 V_BACKUP 0 DC 9

* K1 Relay Coil (modeled as series inductor and resistor)
L_K1 V_MAIN K1_COIL_INT 1m
R_K1 K1_COIL_INT 0 400

* K1 Relay Contacts (modeled as voltage-controlled switches)
* Normally Open (NO) contact between V_MAIN and V_LOAD_OUT, controlled by V_MAIN
S_K1_NO V_MAIN V_LOAD_OUT V_MAIN 0 Relay_NO
* Normally Closed (NC) contact between V_BACKUP and V_LOAD_OUT, controlled by inverted V_MAIN
S_K1_NC V_BACKUP V_LOAD_OUT 0 V_MAIN Relay_NC

* D1 Flyback Diode (Anode to 0, Cathode to V_MAIN)
D1 0 V_MAIN 1N4007

* Main Power Indicator
R1 V_MAIN NODE_LED 1k
D2 NODE_LED 0 DLED

* Simulated System Load
R2 V_LOAD_OUT 0 100

* Component Models
.model 1N4007 D(IS=7.02767n RS=0.0341512 N=1.80803 EG=1.05743 XTI=5 BV=1000 IBV=5e-08 CJO=1e-11 VJ=0.7 M=0.5 FC=0.5 TT=1e-07)
.model DLED D(IS=1e-15 RS=10 N=2.0)
.model Relay_NO SW(vt=6 vh=0.5 ron=0.05 roff=10Meg)
.model Relay_NC SW(vt=-6 vh=0.5 ron=0.05 roff=10Meg)

* Analysis Directives
.op
.tran 1u 500u
.print tran V(V_MAIN) V(V_LOAD_OUT) V(V_BACKUP) V(NODE_LED) I(L_K1)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Análisis: The simulation shows V_MAIN starting at 12V, during which V_LOAD_OUT is approximately 12V. At t=200us, V_MAIN drops to 0V, and V_LOAD_OUT seamlessly switches to the 9V backup supply. When V_MAIN recovers at t=400us, V_LOAD_OUT returns to 12V.

Show raw data table (557 rows)

Index   time            v(v_main)       v(v_load_out)   v(v_backup)     v(node_led)     l_k1#branch
0	0.000000e+00	1.200000e+01	1.199400e+01	9.000000e+00	1.653685e+00	3.000000e-02
1	1.000000e-08	1.200000e+01	1.199400e+01	9.000000e+00	1.653685e+00	3.000000e-02
2	2.000000e-08	1.200000e+01	1.199400e+01	9.000000e+00	1.653685e+00	3.000000e-02
3	4.000000e-08	1.200000e+01	1.199400e+01	9.000000e+00	1.653685e+00	3.000000e-02
4	8.000000e-08	1.200000e+01	1.199400e+01	9.000000e+00	1.653685e+00	3.000000e-02
5	1.600000e-07	1.200000e+01	1.199400e+01	9.000000e+00	1.653685e+00	3.000000e-02
6	3.200000e-07	1.200000e+01	1.199400e+01	9.000000e+00	1.653685e+00	3.000000e-02
7	6.400000e-07	1.200000e+01	1.199400e+01	9.000000e+00	1.653685e+00	3.000000e-02
8	1.280000e-06	1.200000e+01	1.199400e+01	9.000000e+00	1.653685e+00	3.000000e-02
9	2.280000e-06	1.200000e+01	1.199400e+01	9.000000e+00	1.653685e+00	3.000000e-02
10	3.280000e-06	1.200000e+01	1.199400e+01	9.000000e+00	1.653685e+00	3.000000e-02
11	4.280000e-06	1.200000e+01	1.199400e+01	9.000000e+00	1.653685e+00	3.000000e-02
12	5.280000e-06	1.200000e+01	1.199400e+01	9.000000e+00	1.653685e+00	3.000000e-02
13	6.280000e-06	1.200000e+01	1.199400e+01	9.000000e+00	1.653685e+00	3.000000e-02
14	7.280000e-06	1.200000e+01	1.199400e+01	9.000000e+00	1.653685e+00	3.000000e-02
15	8.280000e-06	1.200000e+01	1.199400e+01	9.000000e+00	1.653685e+00	3.000000e-02
16	9.280000e-06	1.200000e+01	1.199400e+01	9.000000e+00	1.653685e+00	3.000000e-02
17	1.028000e-05	1.200000e+01	1.199400e+01	9.000000e+00	1.653685e+00	3.000000e-02
18	1.128000e-05	1.200000e+01	1.199400e+01	9.000000e+00	1.653685e+00	3.000000e-02
19	1.228000e-05	1.200000e+01	1.199400e+01	9.000000e+00	1.653685e+00	3.000000e-02
20	1.328000e-05	1.200000e+01	1.199400e+01	9.000000e+00	1.653685e+00	3.000000e-02
21	1.428000e-05	1.200000e+01	1.199400e+01	9.000000e+00	1.653685e+00	3.000000e-02
22	1.528000e-05	1.200000e+01	1.199400e+01	9.000000e+00	1.653685e+00	3.000000e-02
23	1.628000e-05	1.200000e+01	1.199400e+01	9.000000e+00	1.653685e+00	3.000000e-02
... (533 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

• Desajuste del voltaje de la bobina del relé: Usar un relé de 5 V en una línea de 12 V hará que la bobina se sobrecaliente y falle rápidamente. Asegúrate siempre de que el voltaje nominal de la bobina del relé coincida exactamente con el voltaje de la fuente principal.
• Omitir el diodo flyback: No instalar el diodo polarizado en inversa a través de la bobina del relé puede resultar en picos de alto voltaje cuando la alimentación principal se desconecta abruptamente, lo que podría dañar los componentes en paralelo en el bus de alimentación principal.
• Invertir los contactos NO y NC: Conectar la batería de respaldo al contacto NO y la fuente principal al contacto NC resultará en un sistema inoperativo cuando falle la alimentación principal. Verifica el pin-out del relé antes de soldar o alimentar el circuito.

Solución de problemas

• Síntoma: La carga pierde energía por completo cuando cae la fuente principal.
  • Causa: La batería de respaldo está agotada o conectada al terminal Normalmente Abierto (NO) en lugar del terminal Normalmente Cerrado (NC).
  • Solución: Mide el voltaje de la batería de forma independiente y luego verifica su conexión al terminal NC del relé.
• Síntoma: El relé traquetea o zumba continuamente en lugar de conmutar limpiamente.
  • Causa: La fuente de alimentación principal no puede proporcionar suficiente corriente tanto para la bobina del relé como para la carga, lo que hace que el voltaje caiga repetidamente por debajo del umbral de retención del relé.
  • Solución: Actualiza la fuente de alimentación principal a una de mayor capacidad de corriente, o añade un condensador de suavizado grande en la línea V_MAIN.
• Síntoma: El indicador LED no se enciende, pero la conmutación funciona.
  • Causa: El LED está insertado con polaridad inversa, o la resistencia limitadora de corriente está desconectada.
  • Solución: Verifica que el lado plano (cátodo) del LED esté conectado a tierra (GND).

Posibles mejoras y extensiones

• Añade un condensador electrolítico grande (por ejemplo, 1000 µF) en paralelo con la carga (R2) para suavizar la breve interrupción de energía (caída de tensión o microcorte) causada por el tiempo de conmutación mecánica de los contactos del relé.
• Reemplaza el relé mecánico por un circuito de compuerta OR de diodos de estado sólido (usando diodos Schottky) para una conmutación completamente continua y sin retrasos, sin partes móviles.

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Carlos Núñez Zorrilla

Electronics & Computer Engineer

Ingeniero Superior en Electrónica de Telecomunicaciones e Ingeniero en Informática (titulaciones oficiales en España).

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