En los sistemas de control eléctrico, los relés, como elementos de conmutación ampliamente utilizados, afectan directamente la estabilidad operativa de todo el dispositivo a través de su vida útil y confiabilidad de los contactos. De hecho, la protección de contacto de los relés es más estricta que la de los MOSFET porque los relés normalmente necesitan manejar corrientes de carga más grandes, especialmente en escenarios de conmutación que involucran cargas inductivas de CC (como motores de CC, embragues de CC y válvulas de solenoide de CC). Cuando se apaga la carga inductiva, la fuerza electromotriz inversa puede alcanzar cientos o incluso miles de voltios, y la sobretensión resultante puede reducir gravemente la vida útil de los contactos eléctricos de los relés fotovoltaicos o incluso causar daños totales. Incluso con corrientes pequeñas (como alrededor de 1 A), la fuerza electromotriz inversa puede provocar la formación de arcos, lo que provoca la contaminación con óxido metálico de los contactos eléctricos de los relés de paneles solares, lo que aumenta la resistencia de los contactos y, en última instancia, provoca una falla en los contactos.
Bajo cargas de CC, las operaciones de conmutación de alta-frecuencia pueden provocar una corrosión electroquímica anormal. Cuando se produce una descarga de arco eléctrico, el nitrógeno y el oxígeno del aire reaccionan para generar productos corrosivos. Este problema es particularmente pronunciado en contactos eléctricos para aplicaciones de relés fotovoltaicos, donde los sistemas fotovoltaicos normalmente requieren encendidos y apagados frecuentes. Además, la transferencia de material también es una causa importante de fallo de contacto. Cuando una pieza de contacto se funde o se daña, el material metálico sufre una transferencia direccional, normalmente cóncava en el cátodo y convexa en el ánodo. Con el tiempo, los contactos desequilibrados pueden pegarse, impidiendo que el relé se desconecte correctamente.
En el caso de los contactos eléctricos para relés de paneles solares y los contactos plateados fijos para relés de energía solar, la corriente de irrupción de cargas de alta-corriente (especialmente cargas capacitivas e inductivas) puede generar un arco eléctrico, lo que provoca soldadura de contactos. En este caso, solo existen dos estrategias efectivas: una es emplear circuitos de protección de contactos y la otra es seleccionar materiales de contacto con resistencia a la transferencia de material, como contactos compuestos de plata-óxido de estaño, plata-tungsteno o compuestos de plata-cobre. En condiciones normales de temperatura y presión, el voltaje de ruptura de los dieléctricos clave en el aire es de 200 a 300 V. Por lo tanto, el objetivo de la supresión suele ser controlar el voltaje entre los contactos a 200 V o menos para reducir la probabilidad de formación de arcos.
Existen tres soluciones principales de circuitos maduros para proteger cargas inductivas de CC. El primero es un circuito RC en serie en el lado de la bobina del relé, adecuado para aplicaciones donde el voltaje de funcionamiento nominal del relé es menor que el voltaje de la fuente de alimentación. Este circuito utiliza la característica de que el voltaje a través de un capacitor no puede cambiar abruptamente en el momento del cierre, aplicando un voltaje más alto a la bobina para acelerar la velocidad de cierre. El segundo es un circuito RC paralelo en el lado del remache bimetálico del relé del inversor fotovoltaico. Al desconectarse, la fuerza electromotriz auto-inducida de la bobina se descarga a través del circuito RC, extendiendo el tiempo de caída de corriente y extinguiendo así el arco. El tercero, y el más común, es el circuito de diodos paralelo, utilizado principalmente para proteger el transistor controlador. Cuando el transistor está apagado, el diodo fija la fuerza electromotriz auto-inducida de la bobina a 0,7 V (transistor de silicio) o 0,2 V (transistor de germanio), evitando daños al componente del controlador.
Es importante tener en cuenta que un diodo estándar prolonga significativamente el tiempo de retorno del relé, extendiendo así la duración del arco y, a la inversa, acortando la vida útil del contacto. Un relé con un diodo conectado a la bobina puede tener un tiempo de liberación de 9,8 ms, mientras que el tiempo de retorno sin diodo es de sólo 1,5 ms. Usar un diodo Zener en serie con un diodo de señal-pequeño puede reducir el tiempo a 1,9 ms, lo que lo convierte en una mejor opción. Para aplicaciones de CC de alto-voltaje, como contactos eléctricos para relés solares de CC y contactos de plata fijos para relés HVDC de almacenamiento de energía fotovoltaica de nueva energía, el diseño adecuado del circuito de protección es particularmente importante porque los arcos de CC son más difíciles de extinguir que los arcos de CA.
Hay dos métodos de protección inutilizables que los electricistas deben evitar en aplicaciones prácticas. El primero es el uso de componentes de protección no coincidentes en escenarios de conmutación de CC de alta-frecuencia, lo que puede provocar una corrosión azul-verde de los contactos (generada por óxidos de nitrógeno debido a descargas de chispas eléctricas). El segundo es ignorar los fenómenos de transferencia de materiales y utilizar materiales inadecuados para altas-sobretensiones de corriente en contactos eléctricos para interruptores solares, que pueden provocar fácilmente soldadura y adhesión de los contactos.
Para cargas inductivas, aunque el manejo es más difícil que para cargas resistivas, el uso de una combinación adecuada de circuitos de protección y materiales de contacto puede mejorar significativamente el rendimiento. Proteger la bobina del relé es casi tan importante como proteger el contacto eléctrico oxidado del relé solar; ambos deben considerarse de manera integral. En ingeniería práctica, se recomienda conectar un circuito de extinción de arco RC-en paralelo a través de los contactos del relé y conectar simultáneamente una combinación de diodo-Zener en serie en paralelo en el lado de la bobina para equilibrar la relación entre la velocidad de entrada-, el tiempo de liberación y la vida útil del contacto.
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