Guida tecnica completa sui relè

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Che cosa è un relè e come funziona

Il relè può essere così definito: apparecchio destinato a provocare predetermiati cambiamenti di stato nei suoi circuiti elettrici di uscita, quando si verificano particolari condizioni di alimentazione nei suoi circuiti di entrata.

 

Il relè è formato da due circuiti:

• circuito di comando (circuito di ingresso), costituito dalla bobina (elettromagnete); quando questa viene percorsa da corrente, in gergo si parla di eccitazione della bobina; viceversa l’interruzione di corrente determina la diseccitazione della bobina stessa;
• circuito di potenza (circuito di uscita), formato dal contatto-i e dall’utilizzatore; i contatti possono essere in chiusura (normalmente aperti NO), in apertura (normalmente chiusi NC) o in scambio (COM: combinazione di NO+NC).

Quando la bobina viene eccitata, un collegamento meccanico (àncora) trasferisce il segnale di comando chiudendo o aprendo i contatti (solitamente più di uno) posti sul circuito di potenza; al momento della diseccitazione della bobina una molla provvede a riportare i contatti nella posizione iniziale. Il funzionamento descritto è
tipico del relè elettromeccanico. | due circuiti possono funzionare o meno, a seconda del caso, alla medesima tensione o a tensioni diverse, ed in corrente continua o alternata.

Da quanto esposto si intuisce come il relè possa essere definito come un amplificatore in quanto, con una piccola potenza assorbita dal circuito di comando, si possa commutarne un'altra uguale o ben più elevata nel circuito di potenza. La seguente definizione chiarisce quanto esposto:

si definisce fattore di amplificazione per un relè il rapporto tra la potenza che può comandare e la potenza assorbita dalla bobina.

Ad esempio se un relè può comandare una potenza di 4 kW e la bobina assorbe 10 W il fattore di amplificazione risulta 400.

Il relè viene denominato dal CT 94 del CEI e spesso, nei cataloghi delle ditte costruttrici, come un apparecchio «a tutto o niente», per evidenziare il tipo di commutazione ON (tutto) - OFF (niente).

 

Schema del relè

 

 

Parametri caratteristici dei relè

Tra i parametri caratteristici dei relè, sono particolarmente importanti:

• la vita elettrica, cioè il numero massimo di manovre sotto carico eseguibili;
• la vita meccanica, cioè il numero massimo di manovre eseguibili senza cana
• la frequenza di commutazione, cioè il massimo numero di manovre eseguibi in un'unità di tempo.

La ricerca accurata dei materiali ed i sistemi sempre più sofisticati di costruzione, hanno portato ad una affidabilità dei relè elettromeccanici tali da essere per certi aspetti preferiti al tipo elettronico (basti pensare che i moderni relè hanno una vita di milioni di manovre alla frequenza di commutazione di migliaia di operazioni/ora).

La caratteristica principale dei relè elettromeccanici, termici, temporizzati, da un punto di vista della sicurezza, è l'assicurazione della separazione galvanica, cioè la netta separazione elettrica tra il circuito di comando (azionato dall’operatore), ed il circuito di potenza.

Viceversa per i relè elettronici questo non avviene, poiché nessuno dei dispositivi a semiconduttore garantisce la netta separazione galvanica. Si ricorre quindi all'uso di optoisolatori (fotoaccoppiatori) oppure ad idonee apparecchiature elettromeccaniche sul circuito di potenza per ovviare a questa carenza.

 

Classificazione in base al modo di funzionamento di un relè

Funzionalmente i relè possono venire distinti in:

• monostabili;
• monostabili con autoritenuta;
• bistabili;
• passo-passo.

Un relè si dice monostabile (senza memorizzazione del Segnale) se, dopo una commutazione causata dal segnale di eccitazione nel circuito di comando, all'atto della diseccitazione ritorna nella posizione iniziale.

La descrizione del funzionamento è la seguente: premendo il pulsante SB si chiude il circuito di comando e la bobina K viene eccitata (set); la conseguenza è  la chiusura del contatto K sul circuito di potenza e l'attivazione dell'utilizzatore. Al rilascio del pulsante il circuito di comando si interrompe con la conseguente 
diseccitazione della bobina (reset) e l'apertura del relativo contatto. Il segnale proveniente dal pulsante SB non è quindi memorizzato.

Il relè monostabile con autoritenuta rappresenta una variante al circuito precedente per ottenere la memorizzazione con il metodo illustrato nella figura 1.4.2b; la descrizione è la seguente: premendo il pulsante SBsi chiude il circuito di comando e la bobina K viene eccitata (set); la conseguenza è la chiusura del contatto K sul circuito di potenza, e la chiusura del contatto K sul circuito di comando in parallelo al pulsante SB1.

Quando il pulsante viene rilasciato la bobina rimane eccitata attraverso il nuovo circuito che by-passa il pulsante SB1 (circuito di autoritenuta). La bobina viene diseccitata (reset) solo premendo il pulsante SB2. Il segnale proveniente dal pulsante SB1 è quindi memorizzato.

Il tipo di relè descritto è sicuro anche in caso di rottura del conduttore alimentante la bobina in quanto, aprendo il circuito, avrebbe lo stesso effetto del pulsante di reset.

Un relè si dice bistabile se, dopo una commutazione causata dal segnale di eccitazione nel circuito di comando, all'atto della diseccitazione rimane nella posizione assunta in seguito al segnale di eccitazione. Il cambiamento dello stato avviene solo dopo una nuova eccitazione del circuito di comando (Fig. 1.4.3).

La descrizione del funzionamento è la seguente: il circuito di comando del relè è composto da due bobine, una di eccitazione (set), l’altra di diseccitazione (reset); di conseguenza la pressione del pulsante SB1 porta all’eccitazione della prima bobina che chiude il contatto K sul circuito di potenza. Il segnale rimane memorizzato da un dispositivo interno meccanico o magnetico, fino all'intervento dell’altra bobina (reset), tramite la pressione del pulsante SB2. In questo caso il segnale proveniente da entrambi i pulsanti è memorizzato.

A differenza del monostabile con autoritenuta, il relè bistabile non si presta convenientemente all'impiego in circuiti di sicurezza in quanto, essendo il pulsante di reset normalmente aperto, la rottura del relativo conduttore di collegamento non provocherebbe nessun effetto, ma impedirebbe perfino l'intervento della bobina di diseccitazione e, di conseguenza, il relè rimarrebbe sempre memorizzato nella posizione precedente.

 

I relè passo-passo sono dei relè bistabili ad una sola bobina; la memorizzazione del segnale d’ingresso è ottenuta da un particolare dispositivo meccanico interno che, ad ogni eccitazione della bobina, commuta i contatti e li mantiene in quella posizione stabilmente fino ad un nuovo impulso della bobina stessa che provvede a riportare i contatti nella posizione iniziale. Il funzionamento è quindi alterno e, «passo dopo passo» ad ogni eccitazione della bobina, corrisponde una commutazione dei contatti.

Un tipico esempio di questo apparecchio è il relè interruttore usato per impianti d'illuminazione in edifici civili.

 

Principali tipi di relè

Commercialmente esiste una grande varietà di relè la cui descrizione particolareggiata non è pertinente ai fini didattici del testo; nel seguito, quindi, verranno fornite solo alcune brevi definizioni relative al funzionamento delle principali tipologie.

• Relè ausiliari elettromeccanici in cui la corrente del circuito di comando attraversando la bobina provoca un movimento meccanico in grado di manovrare i contatti.
• Relè ausiliari elettromeccanici miniaturizzati: il principio di funzionamento è simile ai precedenti, contengono però anche componenti elettronici integrati (IC). L'uso è particolarmente indicato per schede elettroniche come, ad esempio, per circuiti di uscita dei controllori programmabili (PLC). Sono dei componenti piatti, economici e che presentano eccellenti qualità i ionatti, pur con dimensioni molto ridotte.
• Relè ausiliari elettronici (statici o SSR), In cui il contatto meccanico viene sostituito da un semiconduttore (transistor, triac).

• Relè termici, che sfruttano la presenza di calore al passaggio della corrente in un conduttore bimetallico.

• Relè temporizzatori, cioè dispositivi in cui la trasmissione del segnale d'ingresso a quello d’uscita dipende da un tempo prefissato, possono essere di vario tipo: pneumatici, elettronici, elettromeccanici, a motorino.

• Relè polarizzati, reagiscono all IMpulso della tensione di comando, solo se questa ha una determinata polarità.  L'ancora che comanda i contatti di potenza del relè è costituita da un magnete permanente e quindi viene attirata o respinta a seconda dalla polarità della corrente che percorre la bobina. Una variante è rappresentata dalla posizione centrale dell'ancora che, a seconda della polarità della tensione di comando, viene attratta chiudendo (o aprendo) un contatto oppure l'altro.

   

 

Relè ausiliari

Vengono classificati tali, tutti i relè elettromeccanici ed elettronici, con funzione mono e bistabile normalmente utilizzati nei circuiti elettrici ausiliari. Mediante le combinazioni dei loro contatti in apertura o chiusura, realizzano la logica desiderata di un automatismo (logica elettromeccanica cablata o logica su circuito stampato).

Possono venire montati in un quadro elettrico, su profilato DIN (relè di tipo modulare), su zoccolo, oppure saldati direttamente su circui.
Prima dell'avvento dei controllori programmabili (PLC) , erano massivamente impiegati per la realizzazione di automatismi complessi; l'uso del PLC ne ha ridotto notevolmente l'impiego, che resta relegato a semplici automatismi dove è conveniente l'uso del controllore programmabile. Per contro è aumentato l'uso dei relè su circuito stampato che hanno la funzione di interfaccia tra la logica programmabile del PLC ed i dispositivi di potenza.

 

Relè termici elettromeccanici

 Sono costituiti da un dispositivo (una o più lamine bimetalliche), e da due contatti ausiliari o uno in scambio, che andranno ad agire su un circuito di comando e segnalazione esterno. Il contatto viene comandato tramite la deformazione del bimetallo, prodotta per effetto termico dal passaggio di una corrente superiore a quella di taratura; il comando avviene tramite una azione meccanica su una leva che muove il contatto.

L'apparecchio non è dotato di segnalazione dell’intervento, che deve essere attuata tramite un circuito separato, utilizzando il contatto ausiliario normalmente aperto o una sezione del contatto in scambio.

L'effetto termico può essere ottenuto in tre modi:

• diretto, quando il bimetallo è percorso da corrente;
• indiretto, quando la corrente percorre un elemento separato che a sua volta trasmette calore al bimetallo;
• misto.

Quando si è in presenza di alte correnti, il relè termico è inserito sulla linea attraverso trasformatori di corrente (TA). L'apparecchio è commercializzato e montato in versione compatta (TA + relè termico) oppure TA separati dal relè se, ad esempio, per ragioni di spazio, non fosse possibile il montaggio della prima versione. Il circuito facente capo ai contatti ausiliari rimane invariato.

La funzione di questi relè quindi è l'interruzione di un circuito quando si verificano pericolose sovracorrenti, che potrebbero danneggiare le apparecchiature costituenti l'impianto. Data la loro specifica funzione, i relé termici sono denominati anche relè di sovraccarico.

Il contatto, una volta azionato, permane in quella posizione fino a quando non interviene un comando dall'esterno che opera il reset, detto comando può essere anche automatico. Sul relè è installato un tasto manuale di test per il controllo preventivo.

Il campo di intervento del relè termico è regolabile per un «range» di valori che dipendono dalle particolarità costruttive. L'intervento del relè è descritto da una
curva caratteristica, denominata a tempo inverso; cioè il tempo d’intervento diminuisce al crescere della corrente. Lo sgancio può essere anche del tipo differenziato: rileva cioè la mancanza di una fase del sistema.

 

Relè termici elettronici

Nei relè di SovTaccarico di tipo elettronico, il bimetallo è sostituito da un microprocessore, nel cui interno avviene un confronto in ogni istante, tra il valore di corrente impostato (di taratura) ed il valore che effettivamente circola nell’apparecchio. Quando la differenza supera il valore di tolleranza, il microprocessore invia un segnale al relé di uscita che commuta il contatto intervenendo sul circuito.
La segnalazione dell’intervento è incorporata nel relè tramite l'accensione di LED.

 

Relè temporizzatori

I contatti dei relè finora presentati sono di tipo istantaneo nelle tre commutazioni: NO (in chiusura), NC (in apertura), COM (in scambio). Per determinati usi possono essere richiesti relè con speciali contatti anticipati o ritardati, costruiti in modo tale che il contatto si chiuda o si apra in anticipo o ritardo rispetto ad uno istantaneo, ma questa azione non è regolabile perché derivante da un predefinito aspetto costruttivo.

I relè temporizzatori, invece, attuano un intervento sul tempo di chiusura o apertura del contatto regolabile intenzionalmente a seconda delle esigenze e, come già accennato, il dispositivo di temporizzazione puo essere di varia natura (pneumatica, elettronica, elettrica).

La funzione logica è classificata in vari modi:

• ritardo alla ricaduta;
• ritardo all'attrazione;
• passante alla ricaduta;
• passante al rilascio;
• intermittente;
• funzione ON-OFF;
• generazione d'impulsi.

Nel seguito verranno presentati nel dettaglio i primi tre dell'elenco ritenuti i più significativi.

- ritardo alla ricaduta (diseccitazione): quando la bobina del temporizzatore viene eccitata, i contatti relativi commutano istantaneamente e ritornano nella posizione iniziale dopo il tempo prefissato;

- ritardo all'attrazione (eccitazione): quando la bobina del temporizzatore viene eccitata, i contatti relativi commutano dopo il tempo prefissato e restano in quella posizione fino a che la bobina rimane eccitata; alla mancanza di eccitazione ritornano nella posizione iniziale;

- ritardo alla ricaduta e all'attrazione: quando nel temporizzatore sono presenti entrambe le funzioni.

 

Relè reed

Il principio di funzionamento è quello già visto per l'ampolla reed (sensore magnetico); i contatti elettrici contenuti nell'ampolla entrano in funzione col manifestarsi di un campo magnetico generato da un magnete permanente, o da una bobina.

Costruttivamente il relè reed è formato da una bobina avvolta su un’ampolla di vetro sigillato (ampolla reed), nel cui interno prendono posto i contatti immersi in un'atmosfera di gas inerte.

Il movimento del contatto è provocato dal campo magnetico prodotto dalla bobina ai cui capi è normalmente presente un diodo (il comando è in DC), che ha la funzione di spegniarco.