Rele

	RELÈ

		Generalità e principio di funzionamento
		Caratteristiche principali
		Classificazione
		Tipo dei contatti e sigle internazionali per il riconoscimento
		Materiale dei contatti

		Numerazione standard dei contatti
		Dimensionamento dei contatti in base al tipo di carico
		Come sopprimere le extratensioni sui contatti generati dai carchi induttivi
		Comportamento della bobina
		Sopperssione delle extratensioni provocate dalla bobina
		Schemi per pilotare la bobina di un relè
		Relè passo-passo
		Relè reed

Relè - Generalità e principio di funzionamento

Inventato da Joseph Henry nel 1885, il relè è un dispositivo pilotato a distanza che consente di commutare più circuiti, sia separatamente, sia in gruppo o in sequenza.
Il relè è un componente elettrico che viene azionato da un elettromagnete che apre o chiude uno o più gruppi di contatti.
Questo dispositivo è, quindi, in grado di pilotare in uscita un circuito di potenza superiore rispetto al circuito di ingresso.

Quando la corrente passa nella bobina, si crea un campo magnetico che attira l'ancora, come indicato dalla freccia rossa verticale (relè eccitato).
L'ancora resta "attaccata" alla testa del magnete fino a quando viene interrotta la tensione nella bobina, e spinge il contatto centrale (C) come indicato dalla freccia orizzontale.

In questo modo il relè commuta i contatti, (NC) si apre e di conseguenza (NA) si chiude.

La definizione dei contatti è la seguente:
C = Comune
NC = Normalmente chiuso
NA= Normalmente aperto

Quando viene a mancare la tensione di alimentazione della bobina tutto il meccanismo torna allo stato iniziale.
Nell'immagine è rappresentato un relè diseccitato, ovvero con la bobina disalimentata.

Relè - Caratteristiche principali

Le caratteristiche principali di un relè sono le seguenti:

Separazione galvanica tra circuito di comando e circuito di potenza

Possibilità di gestire più contatti con un solo dispositivo

Separazione dei circuiti di potenza che è possibile realizzare con relè a più poli

Separazione dei circuiti con tensioni diverse in AC e in DC

Interfaccia tra circuiti elettronici e circuiti di potenza

Funzioni di commutazione, ritado, e condizionamento del segnale

I relè offrono innumerevoli vantaggi e molte funzionalità, per scegliere il milgliore relè più adatto alla vostra applicazione, vi consilgliamo di consultare il sito Omron Electronics che è il maggior produttore di relè a livello mondiale.

Relè - Classificazione

I relè sono disponibili in una vasta gamma di versioni, ma si possono suddividere in tre macro categorie, e li possiamo classificare in base alla tensione e alla corrente di commutazione dei contatti.

Questi due parametri sono molto importanti nella scelta del relè per poi soddisfare i requisiti richiesti dall'applicazione.

Suddivisione delle categorie:

Relè di segnale
Sono normalmente utilizzati per commutare segnali audio e tensioni per carichi resistivi con correnti fino a 2A, e con tensioni basse (max 230V).
Questi componenti sono tipicamente utilizzati in dispositivi elettronici ad esempio: computer, citofoni, sistemi di misura e impianti di telecomunicazione.

Relè di potenza
Sono in grado di commutare tensioni fino a 600V e correnti al massimo di 100A, si usano principalmente per attivare elettrodomestici e/o montati su circuito stampato (corrente max 16A).

Con corrente massima di commutazione dei contatti di 30A, sono indicati per i quadri elettrici industriali.
I relè di potenza trovano anche applicazione nel campo dell'automazione industriale, ventilazione e condizionamento,

Contattori
Sono dispositivi con elevate capacità di commutazione in corrente, sono di dimensioni superiori ai comuni relè e vengono utilizzati per il pilotaggio di motori elettrici.
Normalmente, sono trifase, e dispongono di quattro contatti; la bobina ha un assorbimento piuttosto elevato rispetto al relè normale.

Relè - Tipo contatti e sigle internazionali di riconoscimento

Nella tabella sotto sono riportate le configurazioni dei contatti e la loro sigla, la maggior parte dei costruttori utilizza la nomenclatura USA sia per i relè che per tutti i tipi di switch.

La traduzione della sigla è semplice ed è cosi composta:

SPST = Single Pole Single Throw (interruttore singolo polo)
DPST = Double Pole Single Throw (interruttore doppio)
nPST = Number Pole Single Throw (dove n è il numero degli interruttori, ad es. 4PST definisce quattro interruttori singoli).

L'estensione -NO o -NC indica se il contatto è normalmente aperto o normalmente chiuso.

SIMBOLO	DESCRIZIONE	EU	USA
	Normalmente aperto	NO	SPST-NO nPST-NO
	Doppio contatto normalmente aperto	NO	DPST-NO nPST-NO
	Normalmente chiuso	NC	SPST-NC nPST
	Doppio contatto normalmente chiuso	NC	DPST-NC nPST-NC
	Scambio	C	SPDT nPDT
	Doppio Scambio	C	DPDT nPDT

Relè - Materiale dei contatti

Durante la commutazione del contatto, le correnti di spunto elevato producono alte temperature che possono fondere l'argento, inoltre l'argento tende a depositare uno strato non conduttivo di solfuro, quindi per evitare questi problemi la maggior parte dei costruttori ed in particolare Omron Electronics, utilizzano per la costruzione dei contatti leghe metalliche che risolvono i problemi provocati dall'impiego dell'argento puro.

Nella tabella sottostante sono indicate le leghe utilizzate e le loro caratteristiche.

MATERIALE	DESCRIZIONE
AgPd (argento-palladio)	Offre una elevata resistenza all'ossidazione chimica e alla corrosione, predisposto ad assorbire gas organici ed a produrre polimeri nei circuiti a secco; per questo motivo viene placcato con oro.
Ag (argento)	Conduttanza elettrica e termica superiori a quelle di tutti gli altri metalli, bassa resistenza dei contatti, ma predisposto a formare pellicole di solfuro (in ambienti solforosi) creando falsi contatti a tensioni e correnti ridotte.
AgNi (argento-nichel)	Conduttanza analoga all'argento ed. eccellente resistenza alla formazione di archi.
AgSnO2 (argento-ossido di stagno)	Eccellenti caratteristiche di deposizione di metalli come per l'AgCdO ma, come nel caso dell'argento, è predisposto alla formazione di pellicole di solfuro in ambienti solforosi.
AgSnIn (argento-stagno-indio)	Eccellente resistenza alla deposizione di metalli e all'usura.
AgW (argento-tungsteno)	Punto di fusione elevato ed eccellente durezza, ottima resistenza agli archi ed alla deposizione e trasferimento di metalli, ma la resistenza dei contatti risulta elevata e ha una scarsa resistenza agli agenti atmosferici.

Una caratteristica molto importante da tenere in considerazione, è la resistenza elettrica dei contatti, soprattutto nella commutazione di segnali in bassa tensione, perchè con l'aumentare della restenza si pregiudica il corretto trasferimento del sengale.
Per ovviare a questo problema, la placcatura in oro dei contatti è la soluzione ideale, nell'immagine (notevolmente ingrandita) si può osservare un contatto di scambio placcato oro.

Questa soluzione, offre anche protezione alla formazione di eventuali strati non conduttivi di ossido che si posso formare in caso di presenza di umidità e gas organici.

Relè - Numerazione standard dei contatti

Nell'esempio abbiamo riportato un relè a quattro scambi, questo perchè negli impianti o nei quadri di automazione industriale è molto frequente l'utilizzo di questi tipi di relè.

Il numero del terminale indica esattamente il tipo, e a quale contatto si riferisce; anche i progettisti, utilizzano questo tipo di nomenclatura, seguito dal numero del relè, perchè durante la stesura degli schemi, i contatti vengono distribuiti su più pagine e quindi risultano facilmente riconoscibili.

Nel caso in cui il relè sia composto da 1 o due scambi, vale la numerazione dei contatti a partire da sinista dello schema.

Prendiamo di riferimento il primo contatto a partire da sinistra:

ad esempio il terminale nr. 12, la prima cifra indica il numero, in questo caso il primo contatto del relè, e la seconda cifra ci dice che il contatto è normalmente chiuso (NC).

Il significato della seconda cifra è il seguente:

1 = Comune (C)
2 = Normalmente chiuso (NC)
4 = Normalmente aperto (NO)
A1 = Polo della bobina
A2 = Secondo polo della bobina

E inutile ricordarvi, che la bobina non possiede nessuna polarità.
Negli zoccoli d'innesto dei relè si trova lo stesso criterio di numerazione.

Relè - Dimensionamento dei contatti in base al tipo di carico

L'aspetto più importante nella scelta di un relè è sempre quello di considerare quale tipo di carico sarà applicato ai contatti, si tratta del fattore più importante per determinare se dobbiamo utilizzare un relè di segnale o uno di potenza.
Ad ogni modo è sempre meglio tenere in considerazione la soglia dei 2A oltre la quale è consigliabile utilizzare un relè di potenza.

In base al tipo di carico, la corrente di spunto durante la chiusura dei contatti assume valori molto diversi ed i carichi possono essere di tre tipi diversi, resistivo, induttivo e capacitivo.
Nel caso del carico resistivo, la scelta del relè non presenta particolari difficoltà, mentre per quelli induttivi e capacitivi, si deve prestare molta attenzione, ad esempio un motore la corrente di spunto può arrivare fino a 10 volte la corrente nominale; inoltre quando i contatti si aprono saranno generati archi voltaici, che possono produrre diversi danni come ossidazione prematura, trasferimento di materiale per fusione fino alla fusione completa del contatto.

Questo significa, che se l'assorbimento di un motore durante il funzionamento normale assorbe 1A, durante la fase di partenza potrebbe arrivare ad assorbire fino 10A.

Nella tabella sotto, sono riportati i tipi di carico più comuni e le loro correnti di spunto (fonte Omron Elecronics Spa).

Relè - Come sopprimere le extratensioni

Come già accennato nella pagina precedente, il tipo di carico può creare sovratensioni dannose.
Nella tabella sottostante, sono state schematizzate le tecniche più efficienti per sopprimere le extratensioni, negli schemi sono raffigurati i componenti necessari che sono da collegare sempre in parallelo al carico.

Oltre ad un corretto dimensionamento in corrente, dei contatti quando si usano carichi induttivi, è sempre indispensabile utilizzare il soppressore di extratensione, Omron Electronics dispone di una vasta gamma di moduli già pronti, vi consigliamo di consultare il produttore per un corretto dimensionamento del soppressore più adatto.

SCHEMA	CARATTERISTICHE CIRCUITO	SCELTA COMPONENTE
	DIODO Alimentazione: corrente continua Carico: induttivo Collegando in parallelo un diodo al carico, l'energia immagazzinata nell'induttanza scorre attraverso il diodo e viene dissipata sotto forma di calore. Questo tipo di protezione provoca un leggero tempo di ritardo dell'attuatore, quindi in alcuni casi non è cosigliabile.	Utilizzare un diodo con tensione inversa almeno dieci volte la tensione di alimentazione del circuito. La corrente deve essere almeno uguale o superiore all'assorbimento del carico
	DIODO + DIODO ZENER Alimentazione: corrente continua Carico: induttivo Utlizzando il diodo zener il rilascio dell'attuatore è molto più rapido.	Il dioodo zener, deve avere una tensione di taglio uguale alla tensione di alimentazione del carico.
	VARISTORE Alimentazione: corrente alternata Carico: induttivo La protezione tramite varistore, offre numerosi vantaggi, innanzitutto, può essere utilizzato sia in AC che DC, e il tempo di rilascio dell'attuatore non viene influenzato. Il varistore limita il valore massimo della tensione ai capi del carico, modificando la sua resistenza.	Consultare il produttore del relè per il valore più adatto.
	CONDENSATORE + RESISTENZA (RC) Alimentazione: corrente alternata Carico: induttivo Questo filtro, può essere utilizzato indifferentemente con carichi induttivi, alimentati sia in corrente continua che in corrente alternata. Prestare attenzione perchè il rilascio dell'attuatore viene rallentato all'apertura del contatto.	Valore dei componenti: C = da 0,5µF a 1µF/A R = da 0,5Ω a 1Ω/A Questi valori sono indicativi, consultare il produttore del relè per un corretto dimensionamento.

Relè - Comportamento della bobina

Nel grafico è rappresentata la curva tipica di funzionamento della bobina del relè:

a = Eccitazione della bobina
r = Rilascio della bobina
t = Tempo

Le bobine dei relè, sono progettate in base alla tensione nominale di funzionamento.
È disponibile un'ampia gamma ti tensioni di lavoro, in corrente continua ed in corrente alternata.

Tensioni disponibili in corrente continua: 3, 5, 6, 12, 24, 48 Volt, le più comuni sono 5, 12, 24 Volt.
Tensioni disponibili in corrente alternata: 12, 24, 48, 230, 400 Volt.

La tensione di funzionamento minima, in genere è circa il 70% della tensione nominale, mentre la tensione di rilascio massima solitamente corrisponde al 10% della tensione nominale.
Ad esempio una bobina da 24 VDC, il relè deve eccitarsi quando si raggiunge un valore di 16,8V e diseccitarsi a 2,4V.

La tensione massima di funzionamento è un parametro da considerare quando l'alimentazione è irregolare o soggetta a picchi, i costruttori come ad esempio Omron Electronics, forniscono sempre tutti i parametri necessari al corretto dimensionamento del componente.

Relè - Soppressione extratensioni sulla bobina

Scarica questa scheda tecnica

Anche la bobina del relè è un carico induttivo, quando viene disalimentata può provocare delle extratensioni, che sono tanto più elevate, tanto è più è veloce la disconnessione dell'alimentazione.

L'extratensione che si genera è possibile calcolarla utilizzando questa formula: V = L x I : t
Dove V è la tensione da calcolare, L è il valore dell'induttanza della bobina, I è la corrente nominale della bobina e
t corrisponde al tempo di rilascio dell'alimentazione.

Pertanto, nel caso in cui il circuito venga alimentato da transistor, mos-fet, ecc... che commutano nell'ordine dei nanosecondi l'extratensione può assumere valori molto elevati, anche nell'ordine dei 1000V, di conseguenza possono provocare gravi danni al ciruito di comando del relè.

Detto questo, si comprende quanto sia importante l'utilizzo del diodo per la sopressione delle extratensioni.

Il valore del diodo per i comuni relè, non deve essere inferiore all'assorbimento nominale della bobina ma visto i costi irrisori consigliamo di utilizzare un comune 1N4007 (7A).

Relè - Schemi per pilotare la bobina

Questi chemi sono indispensabili, per risolvere degli applicativi dove la corrente non è sufficiente per eccitare la bobina del relè, o dove è necesssaria una separazione tra i circuiti.

SCHEMA	CARATTERISTICHE CIRCUITO
	BOBINA PILOTATA CON TRANSISTOR NPN Tensione alimentazione: 12Vcc I relè richiedono elevate correnti per eccitare la bobina, la soluzione più semplice, è quella di utilizzare un transistor di piccola o media potenza, che deve essere in grado di erogare circa 100mA. Questo circuito, potete utilizzarlo quando il pilotaggio è effettuato prelevando direttamente il segnale in punti, dove non è sufficiente la corrente per eccitare direttamente il relè; un'altro vantaggio, è quello di separare i circuiti, questo è possibile perchè il transistor ha una impedenza molto alta.
	BOBINA PILOTATA CON TRANSISTOR PNP Tensione alimentazione: 12Vcc Il funzionamento del circuito è simile al precedente, ma con la differenza che il relè è collegato tra il collettore e la massa, quindi il transistor provvederà a commutare la tensione positiva necessaria all'eccitazione della bobina. Nello schema NPN invece il transitor chiude il relè come un interruttore verso massa.
	BOBINA PILOTATA CON FOTOACCOPPIATORE Tensione di alimentazione: 12Vcc Questo circuito, risolve qualsiasi tipo di problrema, è possibile separare completamente le alimentazioni, l'isolamento tra i circuiti è totale, ed in caso di guasto sul relè non provovcherà nessun tipo di danno verso il circuito pilota. Questa soluzione, è fortemente consigliata per tutti i tipi di applicazione.
	BOBINA PILOTATA CON SEGNALE TTL Alimentazione: 5Vcc Un ciircuito che collegato sull'uscita di qualsiasi intergato TTL, consente di eccitare la bobina del relè, quando si presenta all'ingresso una condizione logica 1 e si disattiva quando viene rilevata una condizione logica 0.

Relè - Relè passo-passo

In commercio, esistono molti tipi di relè, temporizzati, ritardati all' eccitazione, alla diseccitazione ecc.
Ma il più diffuso, dei relè diverso da quelli che abbiamo descritto fino ad ora è il passo-passo.

Nell'immagine a destra, è raffigurato il modello G4Q della Omron Electronics, come potete notare in trasparenza, si nota la camma, che è il cuore del funzionamento del passo-passo; infatti a differenza di tutti gli altri relè, per chiudere ed aprire i contatti, è sufficiente un impulso di corrente della durata sufficiente per fare ruotare la camma.

In pratica, il funzionamento è semplice, il primo impulso eccita la bobina e chiude i contatti.
Il secondo, eccita nuovamente la bobina, e questa volta però, apre i contatti.

Ovviamente, essendo un relè, valgono le stesse regole, in materia di extratensioni e dimensionamento, per bobina e per i contatti.

Relè reed

Vale la pena di spendere qualche parola, anche su un piccolo componente che appartiene alla famiglia dei relè, ma in pratica è completamente diverso, infatti, come si nota dall'immagine, è composto da una piccola ampolla di vetro che contiene solamente un contatto, e non ha nessuna bobina e meccanismi di azionamento.

Il relè Reed (detto anche contatto Reed), è un interruttore composto da due lamine che si chiudono in presenza di un campo magnetico.
Nella forma più semplice, è costituito da due lamelle, realizzate con materiale ferromagnetico (normalmente una lega di ferro-nichel), parzialmente sovrapposte e separate tra loro da qualche decimo di millimetro.
Sulle lamine, sono applicati dei contatti generalmente in oro per migliorare la conduttività.

Il tutto, viene sigillato in una ampolla di vetro, che contiene del gas inerte, azoto o argon, per limitare gli effetti dell'osssidaziione o del deterioramento dovuto al tempo, e all'umidità contenuta nell'aria.

Il relè Reed, non dispone di contatti di potenza al massimo possono sopportare 0,5A, quindi normalmente è utilizzato con ciruiti di supporto.

Il vantaggio nell'utilizzare dei contatti Reed sono siglificativi:

I contatti hanno un'elevata affidabilità (fino a 100 milioni di commutazioni), se impiegati nei range di funzionamento definiti dal costruttore.

Una volta che le lamine sono entrate in contatto, la forza di attrazione è molto alta e questo riduce la generazione di rimbalzi, che possono provocare il danneggiamento dei contatti e falsi segnali.

La resistenza dei contatti molto bassa, ed è compresa tra 0,1Ω e 0,2Ω.

La capacità dei contatti quando sono aperti è inferiore a 1pF.

La tensione di scarica dei contatti è molto alta fino circa a 1000V

La velocità di commutazione molto elevata, nell'ordine di qualche millisecondo.

A sinistra il relè Reed Omron GLS-S1 ed il magnete GLS-M1.

Questo componente, viene fornito sigillato e con i morsetti di collegamento a vite, è adatto a tutti i tipi di ambiente, anche quello industriale, e può essere utilizzato per molti applicativi diversi, tra i quali:

Verifica degli acccessi, controllo della corretta chiusura di paratie di protezione dei macchinari industriali ecc.