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Il Rele Reed

Il Rele Reed
13.11.2007
É noto a tutti il funzionamento del classico relè elettromeccanico: all'atto in cui una corrente di comando percorre la bobina di eccitazione, questa attrae a se un'ancoretta mobile il cui movimento causa l'apertura o la chiusura di un contatto (figura 1). Il vantaggio è evidente: mediante piccole correnti (generalmente dell'ordine dei mA) e bassissime tensioni (tipicamente 12 o 24 Vdc) si riescono a controllare correnti relativamente intense con separazione galvanica tra circuito di comando e circuito comandato. Esistono essenzialmente due limitazioni a questa configurazione:
1) l'equipaggio mobile del relè (ancoretta, molle...), spesso molto più complesso di quanto schematicamente indicato in figura 1, presenta sempre una certa massa la cui inerzia ne impedisce l'utilizzo in applicazioni con ripetute commutazioni a frequenze elevate;
2) per quanto siano stati compiuti negli ultimi anni passi da gigante per la gestione di contatti miniaturizzati (che hanno trovato applicazione all'interno di videocamere, telefoni cellulari, videoregistratori ed altre apparecchiature con parti meccaniche in movimento), l'unione di bobina ed equipaggio mobile presenta sempre un ingombro che mal si concilia con le esigenze di miniaturizzazione.

La soluzione è in questi casi fornita da un dispositivo, noto come relè reed, concettualmente simile al classico relè elettromeccanico ma che presenta una caratteristica peculiare: l'utilizzo di contatti ad auto attrazione. Nei relè reed i contatti sono montati su due sottili lamelle metalliche a bassa riluttanza e con buona flessibilità. Esse sono posizionate in modo che le parti terminali siano affacciate l'una all'altra senza toccarsi (figura 2A). Il tutto è ermeticamente sigillato in un piccolo bulbo di vetro riempito con gas inerte e circondato da un avvolgimento. Quando questo viene percorso da corrente (figura 2B) crea un campo magnetico assiale che induce sulle estremità delle lamelle poli magnetici opposti. La conseguente forza d'attrazione che si sviluppa è in grado di vincere la rigidità delle lamelle flettendole reciprocamente l'una verso l'altra e causando la chiusura del contatto. La riapertura dello stesso si verifica al cessare della corrente eccitatrice nella bobina allorché la forza di attrazione tra le lamelle viene meno e l' elasticità prevale nuovamente riportandole nella posizione iniziale. Poiché la massa delle lamelle è esigua, l'inerzia delle stesse è trascurabile e sono possibili commutazioni a frequenze elevate ciò che torna utile per seguire direttamente le rotazioni di alberi, le posizioni di pistoni o altre parti meccaniche in veloce movimento periodico. Il prezzo si paga in termini di corrente commutabile ben più bassa di quella inerente i classici relè. Per questo motivo i relè reed non sono quasi mai utilizzati su correnti di alimentazione bensì su segnali di controllo.

Scarica in PDF le figure 1-4 relative all'articolo

Come interruttore di prossimità
A differenza dei classici relè elettromeccanici nei quali la parte di comando (bobina) e quella comandata (contatto) devono necessariamente far parte dello stesso corpo, nei relè reed ciò non è più necessario e tali due unità possono presentarsi separate. Senza alcun cambiamento del principio di funzionamento, il campo magnetico di eccitazione può essere prodotto da un piccolo magnete permanente esterno rispetto al quale l'ampolla contenente i contatti costituisce un elemento indipendente (figura 3C).
Questa configurazione, la quale non esige evidentemente la presenza fisica di una corrente che ecciti la bobina, torna assai utile in molte situazioni, nell'ambito del controllo e dell'automazione, nelle quali si avverte l'esigenza di causare l'apertura o la chiusura di un contatto in funzione di eventi correlati con la posizione assunta da parti meccaniche in movimento (per il monitoring delle quali la presenza di cavi creerebbe non poche difficoltà). Si pensi ad esempio ad un contatto la cui commutazione, da uno stato all'altro, segnali l'apertura della porta di un quadro o dello sportellino di un telefono cellulare. Altra tipica situazione è quella di un contatto le cui ripetute aperture e chiusure permettano di contare il numero di giri di un albero motore in un certo intervallo di tempo. In questo caso è possibile ricorrere ad un interruttore reed installando la parte magnetica sull'albero o su una ruota ad esso calettata. Esistono poi soluzioni ibride a numerosi problemi, schematizzate in estrema sintesi mediante la figura 4: il relè reed, data la sua bassa corrente commutabile, è utilizzato in un circuito a bassissima tensione per eccitare la bobina di un relè i cui contatti possono comandare carichi di potenza.


Tipologie costruttive

Le ampolle reed consentono di ottenere sia la più comune funzione a contatti normalmente aperti (na) che quella a contatti normalmente chiusi (nc): quest'ultima è ottenuta mediante contatti premagnetizzati che si aprono alla presenza del campo magnetico. La posizione di riposo si ottiene in entrambi i casi, quando nella bobina non circola corrente o quando il magnete si trova in posizione remota rispetto l'ampolla (ad una distanza tale da non riuscire ad influenzare i contatti). L'unione delle due citate funzioni consente poi l'implementazione di contatti di scambio. É possibile anche la realizzazione della funzione bistabile nella quale la presenza del campo magnetico causa la commutazione di un contatto premagnetizzato. In particolare, quando le polarità dei contatti sono concordi, il contatto si chiude e rimane tale anche al cessare del campo di eccitazione (hold). La riapertura sarà possibile riavvicinando il magnete con polarità contraria o facendo fluire la corrente nell'avvolgimento con verso opposto. Uno dei grandi vantaggi consentito dal design tipico dei relè reed è la facilità con la quale è possibile ottenere, in spazi estremamente ridotti, contatti chiusi, aperti o combinazioni di questi, comandati da una singola bobina o da un singolo magnete.



Esistono sistemi reed abbastanza complessi contenenti diversi bulbi ognuno dei quali può tuttavia essere scollegato ed usato singolarmente come semplice coppia di contatti in uno spazio estremamente ridotto. Questa particolarità è tipica dei relè reed non essendo consentita dai tradizionali relè elettromeccanici.


Caratteristiche

Il campo magnetico è fondamentale per il buon funzionamento degli interruttori reed. Nel caso di eccitazione a magnete permanente esso è tuttavia influenzato dal valore della temperatura ambiente. In particolare il punto di massimo campo può spostarsi di qualche decimo di millimetro per ogni grado di variazione della temperatura ambiente. Per questo motivo i costruttori riportano, tra le caratteristiche, il range di escursione termica entro il quale il funzionamento si mantiene entro fissate condizioni di stabilità/ripetibilità e precisione. Un altro fattore importante è il grado IP di protezione dalla polvere offerto dall'ampolla nei riguardi dei contatti (normalmente si tratta di un IP65). Data la semplicità del contatto, la vita meccanica è elevata essendo dell'ordine delle decine di milioni di operazioni. La massima corrente tollerabile è importante perché correnti eccessive potrebbero causare riscaldamento delle lamelle, alterazione delle proprietà magnetiche delle stesse nonché saldatura dei contatti.
Data la delicatezza di questi ultimi è sempre opportuno, soprattutto in applicazioni ad alta affidabilità, prevedere adeguate precauzioni degli stessi nei riguardi di sovratensioni ed extracorrenti. Alcuni modelli contengono al proprio interno le necessarie protezioni. Altri sono dotati di un indicatore led che si attiva quando il contatto è azionato: tale peculiarità torna particolarmente utile nella fase di messa a punto del sistema o per determinare l'entità di eventuali isteresi meccaniche.


Installazione

Poche le avvertenze del caso. Nel collegamento degli interruttori reed non deve essere rispettata alcuna polarità tranne che per i modelli dotati al proprio interno di led: questi devono essere cablati rispettando le polarità indicate dal costruttore previo il mancato funzionamento del dispositivo optoelettronico.
Il funzionamento degli interruttori reed non risente della posizione d'installazione e gli stessi possono quindi essere montati in qualsiasi posizione. Essi possono tuttavia risentire di urti e vibrazioni ed a tal fine è vivamente consigliabile montarli su supporti di gomma elastica che fungano da ammortizzatori. È necessario installare le ampolle a debita distanza da materiali ferromagnetici o da sorgenti di campo magnetico che potrebbero influenzarne la commutazione.
Un consiglio: è sempre consigliabile utilizzare ogni ampolla con la relativa unità di eccitazione prevista dal costruttore. Ciò al fine di evitare che valori di campo diversi da quelli attesi, creati da una unità differente, producano eccessivi errori di posizione o di corrente d'eccitazione o che un eccessivo campo magnetico possa causare deformazioni alle delicate lamelle.

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