Introduzione ai relè

I relè svolgono un ruolo fondamentale in innumerevoli applicazioni e sistemi di consumo, commerciali e industriali. Spesso vengono impiegati senza preavviso nei sistemi quotidiani. Ad esempio, i relè vengono utilizzati per regolare il forno di casa, per premere il telecomando del televisore o per azionare un ascensore. Concepiti originariamente nel 1835 per stabilire collegamenti telegrafici a lunga distanza, i relè sono stati successivamente adattati per l'uso nelle centrali telefoniche e continuano a funzionare in modo affidabile, poco appariscente e con un'elevata efficienza.

Da un punto di vista pragmatico, i relè funzionano come interruttori elettrici. Utilizzano un segnale a bassa potenza per governare un circuito ad alta potenza, sia in prossimità che a distanza. Il loro design intrinseco facilita l'isolamento efficace tra il segnale a bassa potenza e il circuito ad alta potenza, spesso definito isolamento galvanico. Questo isolamento garantisce agli utenti un funzionamento sicuro e robusto dei sistemi elettrici. I relè sono versatili, in quanto possono essere utilizzati per regolare un singolo circuito o più circuiti e possono fungere da amplificatori o interruttori.

La possibilità di controllare l'alimentazione dei dispositivi da remoto si traduce anche in misure di sicurezza maggiori, soprattutto nei processi industriali che potrebbero presentare rischi fisici per gli operatori. Questi dispositivi versatili sono disponibili in un'ampia gamma di pacchetti, con diverse capacità di corrente, opzioni di montaggio e ingombri fisici, che li rendono diffusi come l'onnipresente interruttore.

Come funzionano i relè

Per una migliore comprensione dell'argomento, i relè possono essere classificati in due tipi fondamentali: elettromeccanici (EMR) e a stato solido (SSR). La distinzione fondamentale sta nella presenza o nell'assenza di componenti mobili.

Il più antico dei due tipi è quello elettromeccanico, che comprende contatti, un'armatura, una molla e un elettromagnete. Nel suo funzionamento più elementare, una molla mantiene la posizione dell'armatura. Quando viene applicata la corrente, l'elettromagnete esercita una forza attrattiva sull'armatura, facendola muovere e chiudendo una serie di contatti, consentendo così il passaggio della corrente nel circuito.

Figura 1: Struttura interna di base di un relè elettromeccanico. (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Al contrario, i relè allo stato solido, nati alla fine degli anni Cinquanta, hanno lo stesso scopo fondamentale dei relè elettromeccanici, ma sono interamente elettronici, senza parti in movimento. Comprendono un circuito di ingresso, un circuito di controllo e un circuito di uscita per regolare la corrente. Quando viene applicata una tensione superiore alla tensione di prelievo specificata, il circuito di controllo attiva il relè. Quando la tensione scende al di sotto della tensione di caduta, il relè si disattiva.

Relè elettromeccanici e relè allo stato solido

Come per qualsiasi altra tecnologia di componenti elettronici, i relè elettromeccanici e a stato solido presentano ciascuno vantaggi e svantaggi distinti che devono essere presi in considerazione.

Grazie alla loro struttura bicentenaria, i relè elettromeccanici sono dispositivi robusti e dal funzionamento semplice, che dimostrano affidabilità in una serie di applicazioni, comprese quelle che prevedono correnti elevate e ambienti pericolosi. Offrono un isolamento elettrico completo, sono in grado di sopportare elevati picchi di corrente e tensione e sono impermeabili ai disturbi elettrici, come le interferenze elettromagnetiche e le interferenze a radiofrequenza (EMI/RFI).

Tuttavia, poiché i relè elettromeccanici hanno parti in movimento, il degrado fisico si verifica nel tempo e i contatti possono deteriorarsi a causa della corrosione e dell'ossidazione. Possono essere soggetti ad archi di contatto, con conseguenti vaiolature e cortocircuiti. La loro natura meccanica li rende vulnerabili ai rimbalzi da contatto dovuti a urti e vibrazioni e possono generare un proprio rumore EMI/RFI. Inoltre, i campi magnetici esterni possono influenzare il loro funzionamento.

I relè allo stato solido, invece, offrono una vita operativa più lunga e funzionano con una potenza di controllo significativamente inferiore grazie alla loro struttura senza parti in movimento. Forniscono cicli di accensione e spegnimento più rapidi, eliminano l'arco elettrico e il rimbalzo dei contatti e non sono influenzati da urti meccanici esterni, vibrazioni o campi magnetici. I relè allo stato solido operano in un intervallo di tensione inferiore rispetto ai relè elettromeccanici, il che li rende adatti ai dispositivi elettronici ma meno adatti alle applicazioni ad alta potenza.

Tuttavia, a causa del loro design unico, i relè a stato solido possono essere soggetti a transitori di tensione o di corrente e a disturbi EMI/RFI. Tendono a generare più calore rispetto alle loro controparti meccaniche e possono essere sensibili alle temperature ambientali. In particolare, il raggiungimento di un isolamento elettrico completo tra il segnale di controllo e il carico non è intrinsecamente possibile con gli interruttori a semiconduttore standard, ma può essere realizzato utilizzando componenti optoelettronici in dispositivi fotoaccoppiati, che isolano i segnali di ingresso e di uscita.

Figura 2: Schema interno di base dei relè a stato solido. (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Tipi di relè comuni

È disponibile una vasta gamma di tipi di relè, ognuno progettato per rispondere a requisiti applicativi specifici. Vale la pena notare che i produttori possono utilizzare una terminologia leggermente diversa per le loro offerte di prodotti, ma ecco un riepilogo generalizzato dei principali tipi di relè:

• Uso generale: si tratta di comuni relè elettromeccanici che funzionano con corrente alternata o continua compresa tra 12 e 230 V e possono controllare correnti da 2 a 30 A.
• Segnale: i relè di segnale sono utilizzati per controllare carichi a bassa potenza, in genere inferiori a 2 A. Per ulteriori informazioni, è possibile consultare l'articolo "Relè di segnale - Principi base" di Same Sky.
• Potenza: i relè di potenza sono progettati specificamente per gestire carichi di elevata potenza, minimizzando la generazione di calore e riducendo gli archi elettrici. Per ulteriori informazioni, è possibile consultare l'articolo "Introduzione ai relè di potenza" di Same Sky.
• Controllo macchine: si tratta di relè robusti e resistenti destinati all'uso in grandi applicazioni industriali.
• Auto-tenuta: i relè ad auto-tenuta (o bistabili) mantengono la loro condizione ON o OFF finché non ricevono un segnale di tensione invertente.
• Reed: i relè reed sono compatti e funzionano rapidamente. Utilizzano un elettromagnete per controllare uno o più interruttori reed ermeticamente sigillati, che consentono l'immunità da contaminanti esterni o umidità.
• Commutazione a zero: questi relè attivano il carico quando viene applicata la tensione di controllo e la tensione del carico è prossima allo zero e disattivano il carico quando la tensione di controllo viene rimossa.

Figura 3: Principio base della commutazione a zero con relè. (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

• Commutazione di picco: i relè di commutazione di picco attivano il carico quando viene applicata una tensione di controllo e la tensione del carico è al suo picco. Disattivano il carico quando la tensione di controllo viene rimossa e la corrente di carico si avvicina a zero.
• Attivazione istantanea: questi relè attivano immediatamente il carico quando viene applicata la tensione di spunto.
• Ritardo temporale: i relè ritardati incorporano un timer per controllare gli eventi in base al tempo.
• Commutazione analogica: i relè a commutazione analogica gestiscono la tensione di uscita in funzione della tensione di ingresso, per ottenere tensioni di uscita infinite sempre entro la portata nominale del relè.
• Accoppiati otticamente: si tratta di relè a stato solido che garantiscono l'isolamento tra i circuiti di controllo e di potenza commutando in risposta a una sorgente luminosa interna.
• Militare/Hi-Rel: questi relè sono stati appositamente progettati per funzionare in ambienti difficili e gravosi.

I relè possono essere classificati come normalmente aperti (NA), dove i contatti sono aperti e il circuito non è alimentato e normalmente chiusi (NC), dove i contatti sono chiusi quando il circuito non è alimentato. In sintesi, i relè sono tipicamente specificati come NA o NC in assenza di alimentazione.

Valori nominali e configurazioni

I relè sono classificati in base alla loro capacità di commutare in modo sicuro l'energia elettrica attraverso il dispositivo. Questi valori sono classificati come c.a. o c.c. e sono generalmente espressi in ampere. È fondamentale che la portata nominale del relè sia pari o superiore a quella del dispositivo da controllare.

I relè sono in grado di controllare più circuiti contemporaneamente e sono designati per indicare le loro caratteristiche specifiche. Se si ha familiarità con poli e contatti, queste denominazioni includono SPST, DPDT, 3PDT e SP3T.

Oltre al numero di poli e di vie, i relè possono descrivere importanti caratteristiche utilizzando il termine "Form". Frasi come "1 Form A" o "2 Form C" evidenziano due informazioni chiave. Il tipo di "forma" indica se l'interruttore è normalmente aperto o normalmente chiuso e, nel caso degli interruttori SPDT, se sono "non circuitante (BBM)" o "circuitante (MBB)". La cifra (1 o 2) indica quanti contatti di quel tipo sono disponibili nel relè. Alcuni stili comuni includono:

• Form A - Normalmente aperto
• Form B - Normalmente chiuso
• Form C - Interruttori SPDT non circuitanti (BBM)
• Form D - Interruttori SPDT circuitanti (MBB)

Conclusione

Grazie alla loro semplicità di progettazione e all'affidabilità di funzionamento, i relè sono utilizzati in dispositivi e sistemi di un'ampia gamma di settori e mercati. Nati come componenti di base dei sistemi telegrafici e che hanno contribuito allo sviluppo dei primi computer, i relè mantengono il loro ruolo essenziale anche ai giorni nostri, garantendo il controllo sicuro ed efficiente di dispositivi alimentati elettricamente da una posizione remota.

Per soddisfare i requisiti di un ingegnere per la commutazione di correnti di basso o alto livello, Same Sky offre una selezione completa di relè di potenza e di segnale con una varietà di valori nominali e configurazioni.