Relè: Elettromagnetici o a stato solido?
di: Roberto Stefani
fonte: 'Elettricoplus'
29.06.2009
Fino alla fine degli anni '70, i quadri a relè hanno rappresentato la tecnologia più comune per realizzare quadri di controllo industriale. Ancora oggi, nonostante l’avvento dei Plc e delle logiche di tipo elettronico, l’uso dei relè è molto diffuso. Questi componenti presentano, infatti, alcuni importanti vantaggi: sono dispositivi semplici e robusti, permettono di realizzare funzioni complesse, hanno un'ampia diffusione in tutto il mondo e sono facili da capire e da utilizzare.
Ciò compensa ampiamente gli svantaggi di questi componenti, come il numero limitato di contatti, la difficoltà di modifica del cablaggio e la difficile localizzazione dei problemi (per la mancanza di capacità diagnostiche e autodiagnostiche)
Funzioni
Nonostante la semplicità di funzionamento, il relè può essere utilizzato per numerose funzioni. Vediamo alcuni esempi:
a) amplificazione - Il rapporto di amplificazione di un relè è il rapporto fra l'assorbimento della bobina e la capacità di commutazione del contatto. Esso può normalmente variare da 1 a 1000. A differenza di un circuito a transistor, tuttavia, un relè non è in grado di amplificare segnali transitori; al contrario, esso si comporta come un amplificatore digitale;
b) conversione - Poiché la bobina e i contatti sono elettricamente indipendenti tra loro, il relè è in grado di gestire segnali d'ingresso e d'uscita di tipo diverso. Può essere pertanto utilizzato, per esempio, per conversioni analogico/digitali, ca/cc, tensione/corrente e di frequenza;
c) trasferimento, interblocco e comando simultaneo - I relè sono spesso utilizzati in circuiti di conteggio e di segnale, nei quali la loro funzione principale è interrompere, collegare e commutare segnali per controlli di sequenza ed applicazioni analoghe.
Poiché il contatto NA ed il contatto NC non possono essere chiusi simultaneamente, il relè offre anche una funzione di interblocco. Inoltre, i contatti di un relè multipolare funzionano insieme, pertanto questo tipo di relè può commutare simultaneamente segnali diversi;
d) memorizzazione e calcolo - Per ottenere funzioni di calcolo, si utilizza un relè in grado di mantenere la propria condizione di funzionamento (come un relè a ritenuta) quale elemento di memoria e un relè passo passo come contatore;
e) rilevamento - Infine, un relè può rilevare se il suo ingresso è superiore o inferiore a una certa soglia, chiudendo un circuito di segnalazione o di allarme.
Due tecnologie
Ai primi relè elettromeccanici si sono successivamente affiancati componenti basati sulla tecnologia elettronica. I vantaggi principali dei relè elettromagnetici sono un ottimo isolamento galvanico (che può essere superiore a 20 G ), una dissipazione contenuta, una buona tenuta dei contatti nei casi di sovraccarico di breve durata e un'eccellente rigidità dielettrica, che può arrivare a 4.000 Vca. Persino la relativa lentezza dei relè elettromagnetici rispetto ai modelli statici ha spesso effetti positivi, permettendo di salvaguardare questi dispositivi contro i guasti prodotti da microinterruzioni di corrente e impulsi parassiti, che sono invece dannosi per i relè statici. Inoltre, la frequenza di commutazione è elevata, non si hanno rimbalzi e la vita utile è praticamente illimitata.
Nella maggior parte dei casi, i relè statici presentano un circuito di entrata, uno stadio di accoppiamento e un circuito di potenza. Quest'ultimo comprende un'uscita basata su triac o tiristori; l'accoppiamento si realizza, a seconda dei casi, attraverso un trasformatore, un relè reed o un fotoaccoppiatore.
Come sempre, tuttavia, esiste l'altra faccia della medaglia. Rispetto a quelli elettromagnetici, i relè statici presentano una caduta di tensione costante ai capi del circuito di uscita attorno a 1,5 V, cosa che comporta una un'alta dissipazione (circa 15 W per 10 A). Ciò richiede l'adozione di radiatori spesso ingombranti e, talvolta, impone una ventilazione forzata. D'altra parte, i relè elettromagnetici presentano una caduta di tensione di soli 0,1 V per 10 A e una potenza nella maggior parte dei casi trascurabile.
Alcuni modelli integrano direttamente nel relè un circuito di protezione - generalmente una rete RC - per prevenire le variazioni improvvise di tensione o di corrente. Altri prevedono l'aggiunta di un fusibile ultrarapido, ad alto potere di interruzione.
Per le caratteristiche descritte, i relè elettromagnetici vengono tradizionalmente adottati in tutti i casi in cui siano prevedibili episodi di sovratensione o corto circuito. I tipici campi di applicazione sono quelli delle apparecchiature di segnalazione e regolazione e i timer.
Dal canto loro, i relè statici, soprattutto da quando è possibile integrare dispositivi di protezione con il relè, sono utilizzati per automatismi a cadenze elevate. In qualche caso, si è assistito alla nascita di relè statici le cui caratteristiche tecniche li collocano, per quanto riguarda i campi di applicazione, nei settori tradizionalmente coperti dai tipi elettromagnetici (regolazione degli impianti di riscaldamento e comando macchine).
Criteri di scelta
L'ampio spettro di prodotti presenti sul mercato non semplifica certo la scelta. Il criterio principale resta comunque quello del miglior compromesso tra le caratteristiche del modello adottato e la destinazione d'uso. Da questo punto di vista vanno tenuti presenti soprattutto i bisogni reali (non scegliendo né modelli troppo sofisticati, quindi costosi, se non sono strettamente indispensabili; ma neppure prodotti il cui uso è costantemente ‘al limite’ delle loro possibilità) e la manutenzione.
Altrettanto importanti sono gli aspetti più strettamente tecnici. Per esempio, vi sono diversi elementi che influenzano l'ambiente in cui un relè è chiamato ad operare, a cominciare dai problemi posti dalle cariche elettriche: induttive, resistive, particolari (ad esempio nelle lampade ad incandescenza), per ciascuna delle quali è adatto un diverso tipo di relè.
La prima esigenza da prendere in considerazione è il potere di interruzione del relè. La corrente alternata pone pochi problemi di interruzione (almeno fino a 380 V), anche perché l'intensità limite si avvicina all'intensità termica. Ben diversa la situazione per i carichi in tensione continua. Ai carichi induttivi, per esempio, si adattano meglio i relè a soffio magnetico, o che presentino un'elevata distanza di interruzione. Al momento dell'apertura del contatto, essi creano tuttavia un arco (generato dall'energia elettromagnetica in gioco) che va evitato. Per assicurare l'eliminazione di questo arco, sono disponibili diversi tipi di circuiti di protezione, esterni al relè. Si tratta di dispositivi a diodi (diodo, diodo e resistenza, diodo e diodo Zener) oppure, più spesso, basati su resistenze o circuiti RC. La scelta del circuito dipenderà, ancora una volta, da costi, vantaggi e svantaggi di ciascun sistema.
Contatti
Per quanto riguarda i contatti, nelle situazioni in cui sia richiesto un basso potere di interruzione si ottengono buoni risultati con contatti prodotti in argento legato a una bassa percentuale di rame. Nel caso, invece, di poteri di interruzione elevati, sono da preferire le leghe o psuedo leghe con un alto punto di fusione: tungsteno, argento-tungsteno, argento-cadmio o argento più ossido di cadmio, argento-nichel, argento-grafite.
Relè a contatto in argento-cadmio (o argento-ossido di cadmio), eventualmente in argento-nichel, sono da preferire quando sul circuito vengono utilizzate lampade a incandescenza, cioè in condizioni di funzionamento ripetitivo e a cadenze elevate.
Qualche riflessione merita anche il numero dei contatti: meglio prevedere, per quanto possibile, almeno un contatto di riserva, che potrà consentire ulteriori modifiche ed evoluzioni dell'apparecchiatura. D'altro canto, costa meno adottare un contatto di riserva che non dover aggiungere successivamente un ulteriore relè.
Un altro tipo di problemi da considerare è quello rappresentato dai campi magnetici parassiti, dalle muffe e dalle basse pressioni atmosferiche presenti ad alta quota. Si tratta quindi di valutare sia la resistenza alle onde d'urto che le caratteristiche dielettriche dei relè. Se il tempo di vita elettrica e meccanica dei relè statici è praticamente illimitata, nel caso dei relè elettromagnetici esso va attentamente esaminato, soprattutto relativamente alla tenuta alle onde d'urto.
Diverse, tra relè statici ed elettromagnetici, anche le caratteristiche dinamiche. I tempi che intercorrono tra l'invio (o l’interruzione) del comando e l'apertura o chiusura dei contatti sono mediamente più lunghi nei relè elettromagnetici. Più in generale, un relè a bobina lunga presenta tempi di reazione lunghi, ma offre un buon rendimento, al contrario dei tipi a bobina corta.
Le caratteristiche descritte giustificano ampiamente la definizione classica dei relè elettromagnetici come ‘resistenze di isolamento’, rispetto all'appellativo ‘corrente di fuga’ riferito ai relè statici.
Di regola, questi ultimi possono funzionare in modo praticamente continuo, mentre i relè elettromagnetici funzionano sulla base del ‘tutto o niente’. Ne consegue una complementarietà, piuttosto che un'opposizione, fra queste due filosofie. Per quanto riguarda le applicazioni, il relè statico è in grado di assicurare funzioni - quale il taglio di un sinusoide – non realizzabili con un relè elettromagnetico. Nel campo delle applicazioni, questo assicura al relè statico l'esclusiva nel campo dei comandi di potenze elettriche di riscaldamento in cui la regolazione è quasi continua (per esempio, i forni dei panifici) o nei modulatori di luce.
Ancora alcuni elementi da tenere presenti quando si seleziona il relè. Innanzitutto il tipo di materiale plastico utilizzato nella fabbricazione - soprattutto per quanto riguarda il rivestimento esterno: la sua resistenza al calore e il suo comportamento in caso di incendio. E poi l'omogeneità e la completezza della gamma proposta dal produttore.
Altrettanto importanti sono la facilità di posa in opera e il tipo di raccordo. In questo campo esistono numerose soluzioni: relè con presa a vite (o posteriore, per i circuiti stampati); relè a morsetti agganciabili su guide standardizzate Din; relè con o senza visualizzazione di stato, con o senza dispositivo di disinganno; relè inseribili su zoccoli in posizione orizzontale o verticale. Da notare che i relè su zoccoli indipendenti facilitano notevolmente la manutenzione delle apparecchiature in cui sono integrati: un vantaggio, questo, particolarmente apprezzato quando si tratti di apparecchiature destinate all'esportazione in paesi lontani.
In conclusione, il relè statico si applica soprattutto alla produzione elettronica, essendo particolarmente adatto ai circuiti stampati e alle basse potenze. Viene utilizzato, inoltre, nei casi in cui si temono fenomeni di usura, o quando si debbano evitare i rumori di commutazione dei relè elettromagnetici. Il relè elettromagnetico, dal canto suo, trova impiego soprattutto nella produzione elettrotecnica, a potenze elevate.
Intanto, cambiano le piattaforme…
Il relè, vero protagonista dell'automazione anni '70, sta ormai assumendo un ruolo complementare, affiancandosi ai più moderni PLC e PC industriali. Ecco, in sintesi, le tappe di questa evoluzione.
Automazione anni ’60. Per gestire il funzionamento di un impianto o una macchina era necessario un quadro pieno di componenti elettromeccanici. L’abilità del progettista consisteva nell’utilizzare il minor numero di componenti possibili per ottenere le funzioni richieste, senza perdere d’occhio la sicurezza (con interblocchi, autoritenute, eccetera).
Automazione anni ’70. I componenti elettromeccanici sono stati sostituiti dai primi moduli a stato solido che svolgevano funzioni logiche elementari: and, or, ex-or... I metodi di progettazione erano ormai diversi da quelli del decennio precedente, ma si trattava ancora di metodi puramente hardware (mappe di Karnaugh, tabelle della verità...).
Automazione anni ’80. Il controllore programmabile ha rivoluzionato l’automazione industriale. L’attenzione si è spostata progressivamente verso il software, che è diventato sempre più evoluto. Dopo i primi linguaggi ladder, semplici repliche dei diagrammi a relé, sono stati introdotti linguaggi arricchiti con blocchi funzione, quindi linguaggi grafici (come il Grafcet) e linguaggi evoluti Basic-like.
Automazione anni ’90. Ai plc si sono progressivamente affiancati i pc industriali e Internet. L’automazione è diventata distribuita grazie ai bus di campo. Mentre il software ha raggiunto una certa stabilità grazie a standard ampiamente accettati (come, per esempio, l’Iec1131-1), l’enfasi è tornata sull’hardware. Processori e coprocessori sempre più veloci, memorie sempre più ampie, moduli di i/o intelligenti e sistemi di controllo del moto avanzati hanno offerto ai progettisti e ai system integrator una serie di strumenti prima impensabili per realizzare applicazioni di automazione performanti, espandibili e sempre più ‘robuste’.
Primo decennio del 2000. L’hardware sta tornando ad essere una commodity, ossia un prodotto di serie, un elemento sempre più scontato. Non si possono offrire pc industriali, plc, moduli di i/o o altre piattaforme che non siano allo stato dell’arte: si uscirebbe dal mercato. Gli utenti sanno che quando acquistano un plc acquistano un prodotto tecnologicamente aggiornato, non ci possono essere dubbi. Dov’è la novità? La novità è che, sempre più spesso, il plc, il pc o il sistema di motion control vengono scomposti in moduli indipendenti, che il progettista o il system integrator possono assemblare liberamente per ottenere le funzioni richieste. A volte si metteranno un po’ più di i/o e si otterrà un plc, a volte si metteranno una cpu più potente, qualche modulo di memoria e un display e si otterrà un pc. Poi si scriverà il software applicativo, avendo già a disposizione tutti i driver necessari, e si otterrà il sistema finito. L’automazione di questo decennio sta diventando sempre più integrata e sempre più modulare. D’altra parte, se esaminiamo il campo delle possibili applicazioni, non ha più senso distinguere nettamente un plc da un dcs, ossia da un controllore utilizzato nel campo dei processi continui. Si può parlare di una singola architettura (alcuni costruttori hanno coniato l’acronimo Pac – Programmable automation controller) per tutte le applicazioni. Gli stessi moduli per tutti, quindi. Esattamente come il Lego ci offre gli stessi mattoncini, che saremo noi a combinare in base al nostro progetto.
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