Gli SSR sono utili ma vale la pena riconsiderare le versioni moderne dei relè elettromeccanici

Supponiamo che stiate lavorando ai blocchi di sistema del vostro nuovo progetto che prevede, tra gli altri requisiti, una tensione c.c. di basso livello che accende e spegne alcuni rail di alimentazione. Nessun problema: annotate la tensione del segnale di comando e il pilotaggio della corrente insieme alle specifiche del carico da commutare (di nuovo tensione e corrente) e iniziate a selezionare un relè a stato solido (SSR) idoneo.

Ma le cose cominciano presto a complicarsi. Lo stesso segnale c.c. a basso livello deve contemporaneamente interrompere una linea c.a. e attivarne un'altra oltre a dover commutare una linea da 48°Vc.c.. Il numero di SSR nella distinta base è in aumento e assicurare un comando a stato solido a tutti quanti sta diventando problematico.

Per caso un vostro collega prossimo alla pensione passa di lì e commenta: "Perché non hai pensato a un relè elettromeccanico (EMR), che potrebbe risolvere tutti i tuoi problemi in una volta sola?". Il collega ha sicuramente ragione su un fatto: non vi è mai passato per la testa; un EMR suona così… datato, quasi arcaico.

Ripensateci. Nonostante le numerose, ben note e strabilianti virtù degli SSR che non ricorderò in questa sede, ogni anno si vendono ancora decine di milioni di EMR. Mentre alcuni sono destinati alla sostituzione di vecchi elementi, molti di essi sono integrati in progetti completamente nuovi.

Perché un progettista dovrebbe scegliere un dispositivo elettromeccanico, con tutto ciò che comporta, quando esiste un prodotto equivalente allo stato solido a un prezzo paragonabile? Ve lo dico subito: sebbene gli EMR abbiano funzionalità simili, nel senso più lato del termine, a quelle degli SSR, hanno anche caratteristiche e proprietà uniche.

Come negli SSR, la bobina del relè e i suoi contatti sono isolati elettricamente (isolamento galvanico) l'uno dall'altro con un percorso della resistenza da più megaohm, ma gli EMR possono fare molte cose che gli SSR non sanno fare. Vi riassumo di seguito alcune delle proprietà speciali di un EMR.

  • Il contatto del relè equivale alla chiusura di un interruttore e la corrente che lo attraversa è o c.a. o c.c., a prescindere dal pilotaggio della bobina; la resistenza di contatto è di qualche milliohm, perciò la caduta di tensione tra i contatti è molto prossima allo zero, mentre la resistenza del contatto aperto è un traferro e pertanto pari a parecchi megaohm.
  • L'EMR è un dispositivo completamente passivo, privo di componenti attivi come LED o fototransistor, e ciò influisce sulla sua robustezza e affidabilità. A causa, almeno in parte, della sua massa meccanica e termica, è robusto dal punto di vista elettrico e meccanico e resiste ai picchi transitori, ai transitori e alle EMI che potrebbero far intervenire momentaneamente o persino danneggiare un SSR. La maggior parte degli EMR ha una capacità nominale di milioni di cicli operativi mentre i relè reed sigillati (un tipo di EMR) hanno una capacità pari a decine di milioni di cicli.
  • Nonostante la maggior parte dei relè sia contenuta in un l'alloggiamento metallico, né la bobina né la chiusura dei contatti sono messe a massa o collegate al potenziale di riferimento, perciò il relè può essere collocato ovunque in un circuito; è una circostanza che creerebbe difficoltà agli SSR in talune topologie di circuito a causa della natura attiva di tali dispositivi.
  • Mentre i contatti dei relè elementari sono normalmente aperti (NA) quando non in tensione, esistono relè standard con contatti normalmente chiusi (NC) quando non in tensione; molti hanno entrambe le opzioni, poiché dispongono dell'accoppiamento dei contatti combinato NA/NC.
  • I relè possono essere dispositivi multipolo, con più coppie di contatti NA o NC; sono disponibili con tre, quattro e anche più contatti indipendenti NA e NC e il DPDT è il più comune (Figura 1). Questi contatti multipli, che offrono persino maggior flessibilità, non devono trasportare carichi dello stesso tipo e della stessa capacità nominale. Ciò rappresenta un vantaggio perché alcuni contatti possono essere adatti ai segnali di basso livello mentre altri alla potenza.

Figura 1: La figura riproduce alcune della numerose configurazioni dei contatti dell'EMR disponibili (alcune si applicano anche agli SSR), nelle designazioni standard del settore. (Immagine per gentile concessione di Wikipedia)

Ad esempio, AGQ200A4HX di Panasonic Electric Works è un EMR per una scheda CS a montaggio superficiale. Sebbene sia stato progettato per il settore delle telecomunicazioni, non vi sono ragioni per non utilizzarlo in altri. I suoi contatti DPDT (nella terminologia del settore configurazione "2 Form C") hanno una capacità nominale indipendente di 2 A e 125°V c.a. oppure 110°V c.c., mentre la sua bobina necessita di soli 4,5°V c.c. a 31 mA (Figura 2).

Figura 2: Il relè AGQ200A4HX SMT di Panasonic è un tipico esempio di relè con ingresso c.c. a bassa tensione e contatti DPDT, ciascuno dei quali può commutare 125°V c.a. o 110°V c.c. a 2°A; lo stesso gruppo può gestire contemporaneamente carichi c.a. e c.c. (Immagine per gentile concessione di Panasonic Electric Works)

  • I relè possono essere progettati per correnti della bobina estremamente basse, di soli 10 o 20°mA, oppure molto elevate, fino a decine di ampere, con contatti dotati di capacità nominale di qualche decina di mA e pochi volt per arrivare a ordini di grandezza di gran lunga superiori per entrambi i parametri.
  • Se non si superano i limiti massimi della loro tensione e corrente nominale, gli EMR mostrano una certa "indifferenza" al tipo di segnale, potendo gestire tramite i contatti multipli segnali di potenza, segnali dati o un mix dei due. Inoltre, non è necessario che il carico sia noto o definito; basta che rientri nei limiti del progetto. È una proprietà utile quando il carico ha caratteristiche di incertezza o difficili da controllare.
  • Il malfunzionamento più comune di un EMR sinora è la mancanza di tensione della bobina, che porta un contatto NA a non chiudersi e un contatto NC a non aprirsi; la preferenza o la necessità di una di queste due opzioni potrebbe rappresentare un problema di sicurezza nell'applicazione. Al contrario, gli SSR tendono ad andare in avaria producendo un cortocircuito in uscita, circostanza che potrebbe non essere accettabile.
  • Vi sono EMR standard chiamati "relè bistabili" che conservano la posizione del contatto sotto tensione anche se l'alimentazione della bobina viene a mancare (una bobina e un segnale separati li sbloccano). È una caratteristica utile in alcune situazioni e vitale in altre che pertengono alla sicurezza.
  • Individuare i guasti del relè è molto semplice: bastano un ohmmetro per la misurazione della continuità della bobina non alimentata e della resistenza c.c. e una semplice fonte di alimentazione c.a. o c.c per alimentare la bobina.
  • Infine, e questo è un elemento di soddisfazione viscerale per alcuni progettisti, l'EMR produce un clic quando il relè si attiva o si diseccita. Alcuni progettisti, e io sono tra quelli, amano sentire quel "clic clic clic" e arrivano persino a usarlo per monitorare l'attività del sistema.

Perciò, la prossima volta che vi troverete ad affrontare un problema posto dagli SSR, non partite dall'assunto che ve ne servono di più o di tipo diverso. Versioni più moderne del venerabile relè elettromeccanico, che ha oltre 150 anni ed ha raggiunto livelli elevati di raffinatezza e di maturità, potrebbero aiutarvi a risolvere i vostri problemi con compromessi del tutto accettabili.

Informazioni su questo autore

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Bill Schweber è un ingegnere elettronico autore di tre libri di testo sui sistemi di comunicazione elettronica, oltre a centinaia di articoli tecnici, colonne di giornale e caratteristiche del prodotto. In passato ha lavorato come responsabile tecnico di siti Web tematici per EE Times, oltre che come Executive Editor e Analog Editor presso EDN.

In Analog Devices, Inc. (fornitore leader di circuiti analogici e di segnali misti), Bill si occupava di comunicazioni di marketing (pubbliche relazioni); di conseguenza, ha esperienza su entrambi i lati della funzione tecnica PR, come presentatore di prodotti, storie e messaggi aziendali ai media e come parte ricevente.

Prima del ruolo MarCom in Analog, Bill è stato redattore associato della loro rispettata rivista tecnica e ha lavorato anche nei gruppi di product marketing e di ingegneria delle applicazioni. Ancor prima di questi ruoli, Bill lavorava presso Instron Corp., occupandosi di progettazione di circuiti analogici e di potenza e integrazione di sistemi per i controlli delle macchine di prova dei materiali.

Bill ha un MSEE (Univ. of Mass) e un BSEE (Columbia University), è un ingegnere professionista registrato e detiene una licenza da radioamatore di classe avanzata. Bill ha anche pianificato, scritto e presentato corsi online su una varietà di argomenti di ingegneria, compresi i concetti di base su MOSFET, sulla selezione di ADC e sul pilotaggio di LED.

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