Relè a Stato Solido: Guida Completa

Come funzionano i relè a stato solido, campi di applicazione e i diversi tipi di relè attualmente disponibili.

Relè allo stato solido

In questa guida analizzeremo le caratteristiche principali dei relè a stato solido (RSS), anche detti relè statici, scopriremo i dettagli del loro funzionamento e individueremo i campi di applicazione in cui gli RSS vengono preferiti rispetto ai relè convenzionali, ossia quelli elettromeccanici.

Cosa sono i relè a stato solido?

In termini tecnici, un relè è un tipo di interruttore relativamente semplice, usato per aprire o chiudere automaticamente una serie di contatti tra due circuiti. Questo processo viene innescato attraverso impulsi elettrici, in risposta ai quali il relè generalmente si sposta da uno stato di spegnimento a uno di accensione, da “off” a “on”.

Nel fare questo, il relè chiude (o, meno spesso, apre) un contatto, completando (o interrompendo) così il circuito. Nella maggior parte dei casi, quando il relè elettrico non riceve segnali, i contatti sono aperti e il circuito resta incompleto. Quando, invece, un impulso elettrico di controllo viene inviato ai terminali del relè, questo innesca una risposta fisica nell’interruttore portandolo a chiudere i contatti e a completare il circuito.

In un relè standard, questo processo è elettromeccanico (per questo ci si riferisce a questi relè con l’acronimo di EMR, Electromechanical Relay), in altre parole, un segnale di controllo elettrico innesca una risposta meccanica. Il relè meccanico standard quindi, è fatto da componenti mobili essenziali, e sono proprio queste componenti che cambiano fisicamente posizione allo scopo di aprire/chiudere i contatti o interrompere il circuito quando richiesto.

Al contrario, un relè a stato solido (RSS) non ha parti meccaniche o mobili per cui, pur essendo largamente usato per ottenere praticamente le stesse funzioni di spegnimento/accensione, apertura/chiusura, garantite dai relè standard fa tutto questo senza alcun movimento fisico all’interno (vedremo meglio come funziona nel prosieguo della guida).

In base allo specifico modello e alle applicazioni previste, l’RSS sarà progettato per operare con corrente alternata CA o corrente continua CC.
Tra le tensioni comuni per relè a stato solido con ingresso in CC troviamo modelli da 5V, 12V e 24V, mentre esempi ampiamente disponibili di relè a stato solido in CA sono da 120V o 240V.

È bene specificare che il termine “relè a stato solido” è in realtà piuttosto generico e può riferirsi a un gran numero di componenti e configurazioni di tipo relè usate per ottenere la funzione di accensione/spegnimento.

Molte di queste configurazioni vengono progettate per soddisfare bisogni specifici che variano in base al tipo di settore e di applicazione. I relè a stato solido creati per il settore automazione, ad esempio, sono ottimizzati per la funzione plug-and-play e per essere resistenti a condizioni ambientali estreme rispetto, ad esempio, a quelle di altri contesti industriali e di produzione (sistemi anti-vibrazione, protezione contro le sovratensioni, inversione di polarità e protezione da cortocircuito).

Campi di applicazione dei relè a stato solido

I relè a stato solido sono usati in diversi ambiti, settori e industrie, compresi:
  • Controlli industriali
  • Controllo motore
  • Robotica
  • Strumentazione medica e isolamento di pazienti o attrezzature
  • Strumentazione
  • Multiplexer
  • Acquisizione dati
  • Sottosistemi di input/output
  • Contatori (elettrici, acqua, gas)
  • Dispositivi a circuito integrato
  • Elettrodomestici

Come funzionano i relè a stato solido?

Come abbiamo visto, la caratteristica chiave di un relè a stato solido è che non necessita di parti mobili per svolgere compiti di apertura o chiusura di un circuito, non avviene quindi alcun riposizionamento di componenti fisici nel passaggio di stato on/off o aperto/chiuso. I relè a stato solido lavorano infatti convertendo l’input elettrico in entrata in output ottico, spesso erogato attraverso un LED a infrarossi o qualcosa di simile (questa è però solo una delle configurazioni possibili).

Il segnale ottico, in seguito, viene sparato attraverso un piccolo occhiello, sempre aperto, all’interno del modulo – noto come opto-isolatore – verso un punto in cui viene ricevuto per mezzo di un transistor fotosensibile, che a sua volta converte e invia il segnale ad altre componenti elettroniche. A questo punto il circuito si chiude e si innesca l’azione desiderata, tutto questo senza che all’interno del relè a stato solido venga a crearsi il contatto diretto tra parti meccaniche.

Relè Stato Solido Celduc

Supporti per relè a stato solido

Esiste una grande varietà di supporti per l’installazione degli RSS nei circuiti o all’interno di sistemi elettrici più ampi. In questa sezione faremo una breve panoramica delle soluzioni di montaggio comunemente utilizzate.

Relè a stato solido con supporto PCB

Questo tipo di supporto per relè statici è ideato per essere installato direttamente su un circuito stampato (scheda elettronica). Ciò permette un montaggio veloce e diretto su schede madri e altri tipi di PCB (printed circuit board), sia con pin a innesto rapido o attraverso saldatura diretta sul circuito stampato.

Relè a stato solido su guida DIN

I relè a stato solido su guida DIN, sono progettati per essere adattati a una gamma di configurazioni standard su guida DIN, in modo tale da poter essere installati assieme ad altre apparecchiature di controllo industriale all’interno di armadi rack per PLC.

Relè a stato solido con montaggio su pannello e telaio

I relè a stato solido con montaggio su pannello sono tra i tipi di interruttori più diffusi e flessibili e sono progettati per l’innesto di cavi per vari tipi di attrezzature industriali, pannelli e dissipatori. Le versioni su telaio offrono funzionalità e praticità simili. Entrambi i tipi in genere sono montati al relè a stato solido attraverso attacchi filettati che permettono un fissaggio diretto alla base, al corpo del RSS o attraverso occhielli a foro-passante specificamente progettati.

Relè a stato solido con supporto per dissipatore

In questo caso abbiamo una soluzione per fissare facilmente i relè a stato solido a dissipatori di calore per lo scambio termico (generalmente passivi, ma anche attivi in contesti più estremi).

Relè a stato solido per innesto

Si vendono anche molti tipi di interruttori relè a stato solido per innesto progettati per soddisfare funzionalità di plug-and-play. L’esatto tipo di attacco disponibile dipenderà dalla funzione richiesta per il relè, ma in genere si tratta di attacchi diretti per circuiti stampati.

Relè a stato solido VS Relè Meccanici

Il confronto più comune tra relè a stato solido e meccanici viene fatto principalmente su due fattori principali: velocità di operazione e longevità. Come vedremo, gli RSS tendono ad avere performance migliori rispetto a quelli meccanici da entrambi i punti di vista, perché la mancanza di parti mobili negli RSS permette al relè di lavorare più velocemente e più a lungo rispetto all’equivalente versione meccanica.

Poichè i relè a stato solido utilizzano la luce e/o sensori per trasferire il segnale, lo scambio tra accensione e spegnimento può essere realizzato svariate volte in più e più velocemente rispetto agli equivalenti meccanici.

Relè Crydom

Principali caratteristiche dei relè a stato solido

L'uso dei relè a stato solito può trovare motivazione nei seguenti punti forza:

  • Basso livello di usura nel tempo quindi aumentata longevità (almeno sulla carta).I relè elettromeccanici con parti mobili necessitano di ricambi prima o poi.
  • Operazioni quasi completamente silenziose.
  • Capacità di eseguire commutazioni estremamente veloci / ad alta frequenza.
  • Minor consumo energetico.
  • Eliminazione del rischio di scintille causato invece dalle componenti fisiche dei relè meccanici, caratteristica fondamentale specie quando l’applicazione viene fatta in ambienti chimicamente instabili o potenzialmente esplosivi.
  • Minimizzazione del rischio di mancato switch dovuto a difetti nelle parti fisiche o incoerenze.
  • Nessun rischio di rimbalzo dei contatti (contatti multipli accidentali causati da imprecisione o scarso ammortizzamento dei movimenti).
  • Minori dimensioni dei RSS rispetto a quelli meccanici.

Ci sono tuttavia caratteristiche che possano essere percepite come svantaggiose, come ad esempio:

  • Ridotta efficienza complessiva in termini di effettivo trasferimento di voltaggio se comparati con gli EMR (ci sarà sempre un calo fisso in fase di output).

    Tale caratteristica è certamente più significativa ed evidente nei bassi voltaggi mentre tende a risultare poco rilevante nei voltaggi più elevati. La differenza è notevole soprattutto per attrezzature di tipo output quando lavorano a tutta potenza. Si tratta quasi sempre di una forma di “dispersione” di corrente che avviene quando l’RSS è apparentemente in posizione on.

Tutto ciò li rende quindi inadatti all’uso in molti tipi di disconnessioni di sicurezza, visto che possono continuare a trasferire corrente ad alto voltaggio anche quando impostati su “off” (con conseguente potenziale rischio di elettrocuzione).

  • Vulnerabilità: i relè statici sono soggetti a ad essere innescati automaticamente quando si verificano picchi di voltaggio, anche lievi, o sovratensione transitoria, cosa che non accade invece per i relè meccanici.
  • Soffrono di una maggiore possibilità di surriscaldamento quando c’è affollamento di componenti o scambio di grossi carichi.
  • Alcuni tipi di relè a stato solido necessitano di raffreddamento esterno.
  • Sebbene la longevità sia uno dei punti di forza degli RSS rispetto ai relè meccanici, molti dei punti deboli, in ambedue i tipi di relè, non dipendono in realtà dalle parti mobili, cioè quelle parti accusate di avere una più breve durata.
  • Infine il prezzo, i relè a stato solido tendono ad essere considerevolmente più costosi rispetto a quelli meccanici.

Riepilogo

Mentre i relè solidi e meccanici sono entrambi capaci di gestire potenzialmente un elevato numero di applicazioni in termini di controllo della qualità di energia da rilasciare per riscaldamento, illuminazione, attrezzature mobili e molto altro ancora, ci sono comunque specificità di ognuno di essi che li rendono più o meno adatti alle differenti applicazioni.

Che tu sia più portato a scegliere per la nuova tecnologia piuttosto che restare fedele alla vecchia si tratterà comunque di scegliere sulla base di ciò che tu ti aspetti faccia il relè, della frequenza con cui lo utilizzerai e della affidabilità che ritieni debba avere. A prescindere da tutto questo però, c’ è una serie di altri fattori che vale la pena considerare quando si sta pensando di acquistare interruttori relè da fornitori e produttori.

La scelta tra risparmio sul breve periodo o sul lungo sicuramente è uno di questi fattori!

I relè a stato solido, come abbiamo detto hanno un maggior costo di acquisto ma (almeno sulla carta) godono di una longevità superiore rispetto ai meccanici che quindi possono portare a ulteriori esborsi a breve termine per le spese di ricambio.

Chiaramente, nel considerare il costo di acquisto di di relè meccanici occorre anche stimare le eventuali spese “indirette” derivanti da interruzione della produttività, periodi di manutenzione e via discorrendo.