Relè statici: cosa sono e come funzionano

DiFabio Gangemi

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Relè statici: cosa sono e come funzionano

Introduzione

Oltre ai contattori di cui ho parlato in un mio articolo precedente, “Contattore o Teleruttore”, esistono anche un’altra tipologia di dispositivi che consentono di gestire l’avvio o l’arresto degli utilizzatori presenti nei circuiti.

Questo tipo di dispositivi, a differenza dei contattori elettromeccanici, non ha elementi in movimento che permettono di commutare i carichi.

I dispositivi di questo tipo vengono chiamati relè statici,“RSS- Solid State Relay”, definiti anche relè a stato solido, contattori a semiconduttore o contattori statici.

Relè statici

I relè statici sono destinati alla manovra di circuiti a tensione non superiore a 1000V in corrente alternata e 1500V in corrente continua. (CEI EN 60947-4-2) (CEI 17-69)

Un relè statico è definibile come un dispositivo che effettua la funziona di un contattore utilizzando un dispositivo di manovra a semiconduttore.

I relè statici sono dispositivi di potenza che permettono di commutare dei carichi anche rilevanti, fino a 90A, in corrente alternata fino ad una tensione di 400V. Funzionano anche in corrente continua.

Sono molto simili ai contattori infatti ne posseggono le principali caratteristiche.

I relè statici sono dispositivi che temono molto il riscaldamento eccessivo, per questo motivo, in base a diversi fattori come la temperatura dell’aria, l’ambiente di lavoro, quadro elettrico, all’interno del quale sono collocati , a volte gli stessi devono essere associati ad un dissipatore di calore.

Le case costruttrici, per ogni tipologia di relè, forniscono le specifiche tecniche che consentono in base al carico a cui viene sottoposto lo stesso, di scegliere un dissipatore con coefficiente di dissipazione termica adeguato.

Un relè statico e composto da tre specifici circuiti:

• Circuito d’ingresso. Assicura l’isolamento galvanico tra il circuito di comando e il circuito di potenza. l’isolamento è dato da un accoppiamento ottico.
• Circuito di adattamento o sincronizzazione. Permette l’analisi del segnale di d’entrata e assicura la commutazione del circuito d’uscita.
• Circuito d’uscita o potenza. È formata da un organo di potenza.

Vantaggi dell’uso di un relè statico

I vantaggi che un relè statico può offrire, rispetto ad un contattore, si possono elencare in:

• Vita di funzionamento molto lunga;
• Capacità di comandare circuiti di potenza anche in presenza di segnali di basso livello;
• Funzionamento totalmente silenzioso;
• Buona resistenza alle vibrazioni;
• Notevole limitazione dei disturbi radioelettrici;
• Possibilità di commutare carichi elevati;
• Non provocano scintille, quindi è adatto in ambienti ad alto potenziale esplosivo;
• Non hanno problemi di installazione, possono essere montati sia in verticale che in orizzontale;
• Elevata resistenza condizioni ambientali estreme;
• Elevata frequenza di commutazione.

Principio di funzionamento

In generale il principio di funzionamento di un relè statico, è il seguente:

• I relè a stato solido lavorano convertendo l’input elettrico in entrata, es. attraverso un pulsante, in output ottico, spesso erogato attraverso un LED a infrarossi o qualcosa di simile. In breve si tratta di segnale luminoso.
  
  
• Il segnale ottico, in seguito, viene sparato attraverso un piccolo occhiello, sempre aperto, all’interno del modulo (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.

Nota: A differenza dei contattatori elettromeccanici dove avviene la chiusura o l’apertura dei contatti di potenza nel relè statico fisicamente non c’è nessuna commutazione, apertura, chiusura del circuito ma cambia lo stato del semiconduttore ( Triac o Bjt). Questo significa che quando il relè statico interrompe l’alimentazione verso il carico, non apre perfettamente il circuito ma lascia passare una piccola corrente residua che a volte continua ad alimentare il carico se questo e piccolo come un’elettrovalvola o un relè.
In questi casi si ricorre all’utilizzo di una resistenza di dispersione in derivazione al carico.

Tipi di commutazione

I relè statici possono presentare due tipi di commutazione: con tensione zero e istantanea.

La commutazione con tensione zero, denominata anche sincrona, si caratterizza per la commutazione che avviene quando la tensione nel carico passa per lo zero. Particolarmente indicata per carichi resistivi, illuminazione, termoresistente.  

Commutazione con tensione zero

La commutazione istantanea, o commutazione asincrona, presenta la particolarità che il circuito di uscita viene attivato alla presenza del segnale di comando. Particolarmente indicata per carichi di tipo induttivo, il comando di motori.

Commutazione istantanea

Campi di applicazione dei relè a stato solido

I relè a stato solido sono usati in diversi ambiti, principalmente nell’industria, compresi i sottostanti settori:

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

Supporti di connessione per relè statici

I relè statici o a stato solido vengono implementati sia in dispositivi elettronici che in ambienti industriali, per questo motivo troviamo una grande varietà degli stessi e dei relativi supporti di connessione.

Di seguito elencherò alcune delle soluzioni di montaggio più diffuse per i relè statici

Relè a stato solido con supporto PCB

Questo tipo di supporto per relè statici è ideato per essere installato direttamente su un circuito stampato, Sono tipi di relè che possono essere facilmente saldati su schede elettroniche.

Relè a stato solido su guida DIN

I relè a stato solido su guida DIN, sono progettati 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 possiedono alla loro base dei fori con attacchi filettati che permettono un fissaggio diretto del relè su specifici pannelli.

Relè a stato solido con supporto per dissipatore

Come accennato qualche rigo più su in alcuni casi i relè statici hanno bisogno di essere collegati a dei dissipatori in questo caso esistono delle soluzioni realizzate appositamente per fissare facilmente i relè statici a dissipatori di calore per lo scambio termico.

Relè a stato solido per innesto

In tutti quei casi in cui le esigenze tecniche richiedano delle funzionalità plug-and-play esistono dei relè statici e relativi supporti che consentono di ottenere questa funzione.

Nota: Nell’immagine principale di questo articolo si possono visualizzare alcune tipologie di relè a stato solido, cosi da farsi un’idea di come sono fatti.

Conclusioni

I relè statici come abbiamo visto sono una tipologia di dispositivi molto simili ai comuni contattori, con la differenza principale che all’interno degli stessi non vi sono parti meccaniche in movimento.

Grazie alla loro caratteristica possono essere usati in ambienti specifici, come luoghi altamente infiammabili, potenzialmente esplosivi o per applicazioni mediche.

Se volessimo definire in modo molto semplice un relè statico potremmo affermare che si tratta di un tipo di interruttore usato per aprire o chiudere automaticamente una serie di contatti tra due circuiti.

In un contattore normale, elettromeccanico, un segnale di controllo innesca una risposta elettromeccanica, cambiando fisicamente posizione dei componenti interni allo scopo di aprire chiudere determinati contatti.

Al contrario in un relè a stato solido (RSS) non ci sono parti meccaniche o mobili per cui, pur essendo usato come se fosse un normale contattore elettromeccanico, fa tutto questo senza alcun movimento fisico.

Esistono relè a stato solido che funzionano in corrente alternata CA e altri in corrente continua CC.

La scelta del tipo di relè se a stato solido o elettromeccanico va fatta in base all’uso che si ha intenzione di fare dello stesso. Da questo dipende anche la tipologia di innesto che si andrà ad utilizzare.

Con questo articolo spero di avervi aiutato a capire cosa sono i relè statici, come funzionano, e in quali settori di utilizzo trovano spazio.

Al solito vi ricordo che sono sempre a vostra completa disposizione qualora abbiate domande da fare oppure consigli a riguardo.