Relè elettromeccanici rispetto ai contattori: come abbinare il tipo all'applicazione

Di Steve Leibson

Contributo di Editori nordamericani di Digi-Key

Molte applicazioni richiedono la commutazione di circuiti con alto isolamento o la possibilità di commutare tensioni e correnti elevate con un segnale di controllo a bassa potenza. A volte, una soluzione basata su semiconduttori non è adeguata. In questi casi, i progettisti devono scegliere tra relè elettromeccanici e contattori essendo consapevoli della loro corretta applicazione.

I relè elettromeccanici possono commutare correnti relativamente elevate con pochi volt di segnale di controllo e offrono un buon isolamento della tensione tra il segnale di controllo e la potenza commutata. Tuttavia, carichi estremamente forti di corrente e tensioni di manovra molto elevate richiedono i contattori, che sono relè elettromeccanici alla massima potenza. La maggior parte dei progettisti conosce la vasta tipologia di relè disponibili, che vanno dai relè reed a quelli per impieghi gravosi. Al di fuori del settore dell'energia per usi industriali, sono pochi coloro che conoscono i contattori, largamente usati per la commutazione di circuiti a tensione elevata e di carichi molto elevati.

Questo articolo tratta delle differenze tra relè e contattori e delle applicazioni a cui si prestano meglio, presentando svariate soluzioni che impiegano relè e contattori e fornendo consigli pratici di progettazione per l'utilizzo di ciascuna tipologia.

Relè e contattori a confronto

Sia i relè sia i contattori sono dispositivi elettromeccanici che si servono di un solenoide elettromagnetico per l'attuazione di una o più coppie di contatti. Un relè o contattore unipolare ha un'unica coppia di contatti. Vi sono anche relè e contattori bipolari, perciò il numero di contatti può ampliarsi notevolmente. I contatti possono essere normalmente aperti o chiusi. Alcuni relè e contattori dispongono anche di contatti a due vie che associano un contatto normalmente aperto e uno normalmente chiuso.

I relè sono adatti a commutare carichi bassi e medi di corrente con tensioni relativamente basse e sono disponibili in diversi fattori di forma, incluse versioni a innesto e con montaggio su scheda studiate per essere saldate su PCB. I contattori sono progettati per carichi ad alta tensione e corrente elevata.

La scelta del relè o del contattore dipende in larga misura dal tipo di carico da commutare. Di seguito un elenco di diversi tipi di carico e di consigli per gestirli.

  • I carichi resistivi non presentano picchi transitori di corrente all'erogazione iniziale dell'energia. L'esempio più comune di un carico resistivo è un semplice riscaldatore. Se le specifiche della corrente assorbita per tale dispositivo sono di 10 A, esso può essere commutato con un relè a 10 A in completa sicurezza. Il numero di carichi completamente resistivi del mondo reale è veramente esiguo. La maggior parte di carichi combina due o più tipi di carichi.
  • Le lampade assorbono correnti elevate all'applicazione iniziale dell'energia. Il filamento di una lampadina a incandescenza ha un coefficiente di temperatura elevato. Quando è fredda, la resistenza del filamento spesso è il 5 per cento della resistenza di una lampada calda e assorbe perciò 20 volte più corrente quando fredda che quando la lampada si è riscaldata. Durante il normale funzionamento, una lampadina a incandescenza da 75 W assorbe poco più di mezzo ampere ma alla prima accensione il filamento freddo assorbe una corrente di inserzione di 13 A. Sebbene questo picco di corrente duri solo un decimo di secondo, tutti i contatti dei relè che pilotano il carico di una lampada a incandescenza devono tener conto dell'elevata corrente di inserzione.
  • Anche i carichi dei motori assorbono correnti elevate all'applicazione iniziale dell'energia. Un motore sincrono monofase da 110 V c.a. da 1/3 HP in genere assorbe appena poco più di 4 A. All'avvio o con un rotore bloccato, lo stesso motore può assorbire più di 24 A. Se il carico meccanico viene sganciato dal motore e gira senza carico, il motore può assorbire 6 A.
  • I carichi capacitivi presentano elevati picchi transitori di corrente all'accensione perché un condensatore cerca di mantenere una tensione costante al suo interno. Commutare una tensione verso un condensatore non carico equivale a pilotare momentaneamente un cortocircuito. Questa sorta di corrente elevata all'accensione può saldare i contatti del relè chiudendoli. Carichi capacitivi tipici includono uscite degli alimentatori c.c. e altre fonti di alimentazione filtrate.
  • I carichi induttivi si accendono gradualmente mentre la corrente di carico si alza lentamente all'applicazione dell'energia. Tuttavia si verificherà un picco transitorio di tensione induttiva attraverso i contatti del relè quando il carico viene interrotto perché un induttore cerca di mantenere una corrente costante al suo interno. Il picco transitorio di tensione indotta può essere sufficientemente grande da formare un arco nei contatti del relè, che li degrada corrodendo e fondendo la superficie di contatto ogni volta che viene accesa e spenta l'alimentazione. Ciò spiega perché alcuni relè hanno diodi soppressori integrati tra le loro bobine per prevenire la formazione di arco. I tipi di carichi ad alta induttanza includono gli attuatori dei solenoidi, le valvole ad azionamento elettrico e i relè.

I relè in dettaglio

Specifiche importanti dei relè includono la tensione delle bobine e il funzionamento delle bobine in c.a. o c.c., la corrente nominale di contatto e la configurazione (normalmente aperto, normalmente chiuso, multipolare), il numero di contatti e i tempi di attuazione e sgancio. È importante evitare correnti di manovra troppo piccole per azionare un relè in modo affidabile. Il corretto funzionamento dei contatti di un relè dipende in qualche misura dalla commutazione di una corrente minima specificata, spesso chiamata corrente di wiping perché brucia i contaminanti in tracce che si possono accumulare sui contatti del relè.

Il limite inferiore di un relè per la corrente che può essere commutata in modo affidabile dipende da diversi fattori come il materiale di contatto, la geometria di contatto e lo scorrimento meccanico delle superfici di contatto. Tutto ciò contribuisce alle specifiche della corrente di manovra minima di un relè. I relè con contatti dorati e quelli con contatti a Y biforcati (divisi) possono commutare in modo affidabile correnti sino a 10°milliampere.

I relè reed e in bagno di mercurio sono adatti ad applicazioni con commutazioni di basso livello. Ad esempio, i relè JWD e i relè reed JWS di TE Connectivity/Potter & Brumfield Relays sono disponibili con tensioni della bobina da 5 a 24 V c.c. e in una varietà di configurazioni unipolari e bipolari.

Il relè reed JWD-171-10 di TE Connectivity, ad esempio, ha una bobina da 24 volt con un diodo soppressore integrale e un contatto normalmente aperto con corrente di nominale di commutazione di massimo 500 mA a 20 V. I relè reed serie JWD sono studiati per il montaggio su un circuito stampato e hanno lo stesso ingombro di un circuito integrato DIP da 14 pin, sebbene abbiano solo otto pin (Figura 1).

Immagine dei relè reed serie JWD di TE Connectivity/Potter & Brumfield Relays

Figura 1: I relè reed serie JWD di TE Connectivity/Potter & Brumfield Relays con ingombro 14 pin DIP vengono proposti in numerose configurazioni in fatto di tensione della bobina e di contatti. (Immagine per gentile concessione di TE Connectivity/Potter & Brumfield Relays)

I relè reed in genere non sono classificati per la commutazione di carichi più pesanti, che richiedono un pacchetto fisicamente più grande per alloggiare contatti di maggiori dimensioni per correnti elevate. Il relè per uso generale G2R-1-DC24 di Omron Electronic Components, ad esempio, ha un valore di commutazione nominale di 10 A a 24 V. Ha una bobina da 24 V c.c. e contatti unipolari a due vie. Questo relè è in certa misura più grande dei relè reed della serie JWD di TE Connectivity ma è comunque progettato per il montaggio su una scheda a circuiti stampati (Figura 2).

Immagine del relè per uso generale G2R-1-DC24 di Omron Electronic con possibilità di montaggio su scheda

Figura 2: Il relè per uso generale G2R-1-DC24 di Omron Electronic con possibilità di montaggio su scheda ha un valore di commutazione nominale di 10 A a 24 V. (Immagine per gentile concessione di Omron Electronics)

Anche Omron propone un relè simile, G2R-1-SND-DC24(S), progettato per applicazioni a innesto con presa. Vi sono svariate prese complementari abbinabili per questo stile di relè in versioni compatibili con la guida DIN, il montaggio a pannello e il montaggio su circuito stampato a foro passante.

I contattori nei dettagli

Un contattore è l'equivalente industriale per impieghi gravosi di un relè ed è un componente standard nelle applicazioni ad uso industriale e negli stabilimenti. I contattori sono in qualche misura più robusti dei relè e sono generalmente studiati per essere montati su guide DIN standard. Alcuni hanno fori di montaggio aggiuntivi che consentono di imbullonarli direttamente su superfici piatte. Sono pensati per commutare carichi pesanti come quelli dei motori multifase frazionari e multipli, grandi carichi di riscaldamento e l'illuminazione ad uso industriale/commerciale. Di conseguenza i contattori sono progettati per ospitare fili larghi per correnti elevate.

Come le bobine dei relè, le bobine dei contattori sono proposte con specifiche c.a. o c.c. I contattori progettati per essere azionati da un controller logico programmabile (PLC) hanno in genere bobine a solenoide da 24 V c.c. ma sono anche frequenti tensioni nominali della linea c.a. per il pilotaggio della bobina, tra cui 110, 220, 240 V c.a.

Come per i relè, la bobina a solenoide elettromagnetico di un contattore attrae magneticamente un attuatore o un pistoncino che realizza il collegamento fisico tra una o più coppie dei contatti elettrici per impieghi gravosi del contattore. A differenza dei relè, i contattori vengono assemblati modularmente, in modo da facilitare la sostituzione della bobina a solenoide per modificare la tensione. I relè in genere non sono costruiti a moduli e la modifica della configurazione di un relè richiede in genere la sostituzione dell'intero relè. La costruzione modulare dei contattori consente inoltre agli utenti di modificare la gamma di contatti attuati.

I contattori in genere hanno set multipli di contatti. A volte un contattore potrà montare solo contatti per correnti elevate ma i contattori possono avere un misto di contatti per correnti basse ed elevate che servono rispettivamente per la commutazione di circuiti di potenza e di segnale. Il contatto a bassa corrente viene anche chiamato contatto ausiliario. La differenza tra i due tipi di contatti è che quelli per le correnti elevate sono fisicamente più grandi di quelli destinati alle correnti basse per lasciar fluire correnti di carico più elevate. Un contattore progettato per pilotare un motore trifase deve avere tre contatti per le correnti elevate che lasciano fluire la potenza del motore e un contatto ausiliario per la segnalazione dello stato di attuazione del motore.

Il contattore J7KNA-AR-31 24VS di Omron Automation & Safety, ad esempio, ha una bobina a solenoide da 24 V e una disposizione dei contatti quadripolare a una via (Figura 3). I contatti hanno valore nominale di 10 A con tensione di manovra massima di 600 V c.a. La serie J7KNA-AR di Omron è modulare e consente di specificare molte opzioni, tra cui la tensione della bobina, la disposizione dei contatti (sono disponibili versioni a 4, 6 e 8 poli) e il metodo di montaggio.

Immagine del contattore J7KNA-AR-31 24VS di Omron Automation and Safety

Figura 3: Il contattore J7KNA-AR-31 24VS di Omron Automation & Safety ha una bobina a solenoide da 24 V c.c. e una disposizione dei contatti quadripolare a una via. (Immagine per gentile concessione di Omron Automation and Safety)

Dal punto di vista meccanico i contattori si sono evoluti nel tempo ed oggi è possibile accoppiare meccanicamente i contattori per fornire un'attuazione multipla simultanea o un blocco meccanico che evita l'attuazione di un contattore quando uno adiacente viene attuato.

Visto che i contattori gestiscono correnti e tensioni elevate, specificare un contattore con capacità di trasporto della corrente più sostenuta rispetto a quella assolutamente necessaria può contribuire a prolungare la durata del contattore quando viene messo in funzione. I contatti più grandi non sono soggetti a una corrosione derivanti dall'attuazione così sostenuta per la loro e robustezza e la placcatura più spessa.

EV200AAANA di TE Connectivity Aerospace Defense and Marine rappresenta un esempio di contattore per correnti elevate. Tramite i suoi contatti di potenza principali può commutare carichi da 900 V e trasportare 500 A oppure interrompere una corrente di carico di 2000 A a 320 V c.c. Attraverso una serie di contatti ausiliari possono trasportare 2 A a 30 V c.c. o 3 A a 125 V c.a. Il contattore EV200AAANA ha una bobina a solenoide da 12 V c.c. Come mostra la Figura 4, questo contattore ha una struttura sigillata e non modulare. Tra le applicazioni tipiche per questo contattore vi sono la commutazione e il backup delle batterie, il controllo dell'alimentazione c.c. e la protezione dei circuiti.

Immagine del contattore sigillato e non modulare EV200AAANA di TE Connectivity

Figura 4: Il contattore sigillato e non modulare EV200AAANA di TE Connectivity può commutare 500 A con un ingresso di controllo a 12 V. (Immagine per gentile concessione di TE Connectivity)

Sono disponibili anche contattori speciali per applicazioni specifiche. Molte applicazioni ad uso industriale e commerciale, ad esempio, devono commutare i carichi dell'illuminazione che hanno correnti di inserzione molto alte e in grado di fondere saldandoli insieme i contatti di un contattore normale. L'illuminazione ad alogenuri rappresenta un carico di questo tipo, che ha requisiti elevati in fatto di corrente di inserzione. Anche gli alimentatori a commutazione presentano carichi capacitivi elevati che assorbono correnti di inserzione iniziali molto grandi. Vi sono contattori specializzati che incorporano termistori NTC che inizialmente limitano la corrente al carico ed evitano che la corrente di inserzione saldi i contatti l'uno all'altro. In alternativa, i termistori NTC per correnti elevate esterni al contattore possono essere aggiunti al circuito di alimentazione per ottenere lo stesso risultato.

Conclusione

I relè e i contattori sono componenti di grande efficacia per la commutazione dell'energia elettrica se correttamente specificati, vale a dire se dispongono di tensioni della bobina adeguate (sia in c.a. sia in c.c.) e se i contatti hanno le giuste dimensioni. I relè vengono proposti in una grande varietà di fattori di forma mentre i contattori, che sono componenti industriali maggiormente standardizzati, sono disponibili in fattori di forma più uniformi. La scelta dipende dal carico da commutare e tiene conto anche del tipo di carico (resistivo, capacitivo o induttivo).

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Informazioni su questo autore

Steve Leibson

Steve Leibson è stato System Engineer per HP e Cadnetix, Editor in Chief per EDN e Microprocessor Report, blogger tecnologico per Xilinx e Cadence (solo per citarne alcuni), e ha collaborato come esperto di tecnologia in due episodi di "The Next Wave with Leonard Nimoy". Da 33 anni collabora con molti progettisti allo sviluppo di sistemi migliori, più veloci e più affidabili.

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