Relè elettromeccanico

La tecnologia dei relè include:
Base dei relè Relè reed Specifiche dei relè Circuiti dei relè Relè allo stato solido

Un relè elettrico è un interruttore elettrico azionato elettromagneticamente – un interruttore elettromeccanico. Una corrente relativamente piccola è usata per creare un campo magnetico in una bobina all’interno di un nucleo magnetico e questo è usato per azionare un interruttore che può controllare una corrente molto più grande.

In questo modo un relè elettromeccanico o relè elettrico può usare una piccola corrente per commutare una corrente molto più grande e permettere ad entrambi i circuiti di essere elettricamente isolati l’uno dall’altro.

I relè elettrici sono disponibili in una varietà di dimensioni diverse e possono essere di una varietà di tipi diversi utilizzando tecnologie leggermente diverse, anche se tutti usano lo stesso concetto di base.

Anche se i relè elettromeccanici possono essere considerati per alcuni aspetti di usare la vecchia tecnologia, e i relè allo stato solido / interruttori allo stato solido potrebbero essere pensati per essere un mezzo più efficace di commutazione della corrente elettrica.

Nonostante i relè elettromeccanici hanno alcune proprietà uniche che li rendono ideali per molte applicazioni, dove altri tipi potrebbero non essere così efficaci. Detto questo, gli interruttori allo stato solido, i relè allo stato solido o gli interruttori elettronici sono ampiamente utilizzati e hanno preso il sopravvento in molte aree in cui i relè elettromeccanici erano precedentemente utilizzati come interruttori elettrici.

Simbolo del circuito del relè

I simboli del circuito per i relè elettromeccanici possono variare un po’ – come la maggior parte dei simboli del circuito. Il formato più usato mostra la bobina del relè come una scatola, e i contatti sono posti vicino come mostrato qui sotto.

Altri circuiti, specialmente quelli nuovi che possono essere un po’ più vecchi, possono mostrare la bobina del relè come una vera bobina. Anche se questo non è conforme ai più recenti standard dei simboli di circuito del relè, può comunque essere visto in alcuni casi e descrive bene l’interno del relè.

È possibile che ci siano altre serie di contatti elettrici. Nello stesso modo in cui è possibile avere più poli su un interruttore, lo stesso può essere fatto con i relè. È possibile avere diverse serie di contatti dell’interruttore per cambiare su più circuiti.

Fondamenti dell’interruttore a relè

Un relè è una forma di interruttore elettrico che è azionato da un elettromagnete che cambia la commutazione quando la corrente è applicata alla bobina.

Questi relè possono essere azionati da circuiti di commutazione dove l’interruttore non può prendere l’alta corrente del relè elettrico, o possono essere azionati da circuiti elettronici, ecc. In entrambe le circostanze forniscono una proposta molto semplice e attraente per la commutazione elettrica.

I relè hanno un certo numero di parti di base che formano il relè.

• Telaio: Un telaio meccanico è necessario per tenere i componenti in posizione. Questo telaio è normalmente abbastanza robusto in modo che possa sostenere saldamente gli elementi aggiuntivi del relè elettromeccanico senza movimenti relativi.
• Bobina: È necessaria una bobina avvolta intorno a un nucleo di ferro per aumentare l’attrazione magnetica. La bobina di filo provoca la creazione di un campo elettromagnetico quando la corrente viene attivata e provoca l’attrazione dell’armatura.
• Armatura: Questa è la parte mobile del relè. Questo elemento del relè apre e chiude i contatti e ha un metallo ferromagnetico per essere attratto dall’elettromagnete. L’insieme ha una molla attaccata che riporta l’armatura nella sua posizione originale.
• Contatti: I contatti sono azionati dall’azione del movimento dell’armatura. Alcuni dei contatti elettrici di commutazione possono chiudere il circuito quando il relè viene attivato, mentre altri possono aprire un circuito. Questi sono conosciuti come normalmente aperti e normalmente chiusi.

La progettazione del relè coinvolge una serie di aspetti. È un elemento chiave della progettazione per ottenere il flusso magnetico richiesto per attrarre l’armatura sufficientemente rapidamente, senza consumare una corrente eccessiva. Inoltre, è necessario garantire che il relè possa aprirsi rapidamente una volta che la corrente di alimentazione viene rimossa. La ritenzione magnetica nei materiali deve essere bassa.

Quando una corrente scorre attraverso la bobina si crea un campo elettromagnetico. Il campo attrae un’armatura di ferro, la cui altra estremità spinge i contatti insieme, completando il circuito. Quando la corrente viene interrotta, i contatti si aprono di nuovo, disattivando il circuito.

Quando si specificano i relè elettromeccanici, si vedrà che i contatti dell’interruttore elettrico sono disponibili in una varietà di formati. Come gli interruttori elettrici ordinari, i relè elettromeccanici sono definiti in termini di interruzioni, poli e tiri che il dispositivo ha.

• Interruzione: Mentre molti dei termini applicati ai relè elettromeccanici si applicano anche agli interruttori elettrici di bassa potenza, questo è più applicabile alla commutazione di potenza superiore. È il numero di posti o contatti separati in cui un interruttore è usato per aprire o chiudere un singolo circuito elettrico.
  Tutti i relè sono a rottura singola o doppia. Una singola rottura, contatto SB interrompe un circuito elettrico in un solo posto. Poi, come indica il nome, una doppia rottura, contatto DB interrompe il circuito in due punti.
  I contatti a singola interruzione sono normalmente utilizzati quando si commutano dispositivi a bassa potenza, possibilmente circuiti elettronici o applicazioni di commutazione elettrica a bassa potenza. I contatti a doppia interruzione sono usati per la commutazione elettrica di dispositivi ad alta potenza. Se uno dei contatti si blocca, è probabile che l’altro commuti ancora e interrompa il circuito.
• Polo: Il numero di poli che un interruttore elettrico possiede è il numero di diverse serie di contatti di commutazione che ha. Un interruttore unipolare può commutare solo un circuito, mentre un interruttore bipolare può commutare due circuiti diversi e isolati allo stesso tempo. Un interruttore unipolare è spesso indicato con le lettere SP e un bipolare con DP. I relè possono avere uno, due o più poli.
• Tiro: Il numero di lanci di un interruttore elettrico è il numero di posizioni disponibili. Per un relè elettromeccanico, ci sono normalmente solo uno o due lanci. Un relè a tiro singolo farà e interromperà un circuito, mentre un relè a doppio tiro fungerà da commutatore instradando una connessione da un punto finale a uno diverso. I relè a corsa singola e doppia sono spesso indicati con le lettere ST e DT.

Per esempio, le specifiche di un relè elettrico possono citare un singolo polo, singolo tiro: SPST o uno può essere descritto come bipolare a tiro singolo: DPST, ecc. Questi termini permettono il numero di serie di contatti dell’interruttore e se sono un aperto / chiuso o se forniscono una funzione di commutazione.

Contatti relè elettromeccanici

Al fine di fornire un servizio affidabile e per massimizzare la durata del relè. Diversi materiali sono usati sui contatti per assicurare che funzionino bene per l’uso previsto.

Uno dei problemi che si verificano con i contatti è che il pitting si verifica – tipicamente il materiale tende ad accumularsi nel centro di un contatto, mentre c’è una perdita di materiale dall’altro dove si verifica una “buca”. Questa è una delle principali cause di rottura dei contatti e si verifica soprattutto quando si generano scintille.

Diversi relè hanno diversi tipi di materiali utilizzati per i contatti dell’interruttore a seconda delle applicazioni e delle prestazioni richieste. Ci sono molti finiti che possono essere utilizzati, alcuni di quelli più ampiamente utilizzati sono elencati di seguito con i loro attributi.

• Argento: Per molti aspetti, l’argento è uno dei migliori materiali di uso generale per i contatti dei relè, avendo un alto livello di conducibilità. Tuttavia è soggetto a un processo di solfidazione che dipende ovviamente dall’atmosfera in cui opera il relè – è molto più alto nelle aree urbane. Questo processo provoca una pellicola sottile sulla superficie con una conduttività ridotta, anche se un impatto maggiore alla chiusura del contatto del relè può romperla. La pellicola può anche dare origine a una tensione di interfaccia di qualche decimo di volt che può influenzare le prestazioni per alcune applicazioni
• Nichel argentato: Questo tipo di contatto è stato sviluppato per ridurre gli effetti del pitting. Il contatto d’argento è legato con nichel per dargli una struttura a grana fine e di conseguenza il trasferimento di materiale avviene in modo più uniforme su tutta la superficie del contatto con conseguente maggiore durata.
• Ossido di cadmio d’argento: I contatti fatti usando l’ossido di cadmio d’argento non possono eguagliare l’altissima conduttività dei contatti in argento fine, ma offrono una maggiore resistenza al trasferimento di materiale e alla perdita di contatto come risultato di un arco elettrico. Ciò significa che questi contatti durano tipicamente più a lungo di un contatto in argento nelle stesse condizioni.
• Oro: L’alta conducibilità e il fatto che non si ossida significa che l’oro è ideale per molte applicazioni di commutazione. Viene usato solo per la commutazione a bassa corrente perché non è particolarmente robusto. Tipicamente l’oro viene usato per ridurre i costi e come risultato dei bassi livelli di solfidazione, i contatti rimangono in buone condizioni per lunghi periodi. Un problema con i relè è che se non vengono utilizzati per un po’ di tempo la resistenza dei contatti può aumentare – questo non accade con l’oro: Il tungsteno è usato nei relè che sono destinati ad applicazioni ad alta tensione. Avendo un alto punto di fusione di oltre 3380°C ha un’eccellente resistenza all’erosione dell’arco che è richiesta per questo tipo di commutazione.
• Mercurio: Il mercurio è usato in un tipo speciale di relè reed chiamato relè reed bagnato al mercurio. Ha una buona conducibilità elettrica ed essendo un liquido non c’è pitting causato dal trasferimento di materiale tra i contatti. Dopo l’apertura dei contatti dell’interruttore, il mercurio ritorna alla pozza di mercurio necessaria per questo tipo di relè e viene utilizzato nuovo mercurio per la successiva azione di commutazione. Questa azione annulla l’effetto di qualsiasi trasferimento di materiale durante la commutazione.

Anche se vengono usati molti tipi diversi di materiali e leghe, questi sono la maggior parte dei materiali di contatto e delle finiture comunemente usati.

Limitazione di spunto per migliorare l’affidabilità

Uno dei problemi chiave che viene sperimentato dai sistemi di commutazione elettrica: relè elettromeccanici così come interruttori allo stato solido, è quello della corrente di spunto.

Ci sono molti esempi di quanto grandi possano essere i livelli di corrente di spunto. Una semplice lampadina elettrica a incandescenza domestica illustra bene il punto. Quando è fredda il filamento ha una bassa resistenza, ed è solo quando la lampada si riscalda che la sua resistenza diminuisce. In genere la corrente di spunto all’accensione può essere da dieci a quindici volte la corrente di stato costante. Anche se le lampade a stato solido sono ora normalmente utilizzate, questo esempio serve a illustrare bene il punto.

Carichi tradizionalmente induttivi come motori e trasformatori, che sono spesso commutati da relè elettromeccanici hanno una corrente di spunto molto alta. Spesso la corrente di spunto può facilmente essere dieci volte la corrente di stato costante, quindi i contatti devono essere classificati di conseguenza.

In molte aree viene fatta una tolleranza per ospitare la corrente di spunto. Si usa un fattore per il quale la corrente di spunto viene moltiplicata per dare il valore nominale del contatto. Una tabella di fattori di moltiplicazione tipici è data qui sotto.

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Moltiplicatori comuni usati per accomodare la corrente di spunto sui relè
Carico da commutare	Moltiplicatore
Luci fluorescenti (AC)	10
Lampadine a incandescenza	6
Motori	6
Riscaldatori resistivi	1
Trasformatori	20

Perciò utilizzando la tabella seguente se le luci fluorescenti devono essere commutate e consumano normalmente 1 A, allora i contatti del relè devono essere classificati a 20 A.

Un ulteriore problema si verifica quando il circuito viene interrotto. Il back EMF generato dal carico induttivo può facilmente portare a scintille che possono rapidamente distruggere i contatti del relè.

Metodi come il montaggio di limitatori di spunto sul carico che sono spesso resistenze a coefficiente di temperatura negativo possono aiutare a limitare la corrente di spunto, e i soppressori di transitori possono aiutare a limitare il back EMF.

Vita operativa del relè

Una delle questioni chiave associate ai relè elettromeccanici è quella della vita del contatto. A differenza dei relè allo stato solido e degli interruttori elettronici, i contatti meccanici si usurano con la commutazione e hanno una vita limitata.

Sono disponibili due cifre per la vita dei relè elettromeccanici:

• Aspettativa di vita elettrica: L’aspettativa di vita elettrica è il numero di azioni di commutazione che sono intraprese mentre la commutazione, cioè i contatti, forniscono il livello richiesto di conduttività. Dipende molto dall’applicazione come la corrente di spunto e l’arco di ritorno creato dal back EMF, ecc. Molti relè di potenza hanno un’aspettativa di vita elettrica di forse 100 000 operazioni, anche se, come detto, questo dipende molto dal carico che sta commutando.
• Aspettativa di vita meccanica: L’aspettativa di vita meccanica è legata agli aspetti meccanici del relè. È il numero di azioni meccaniche di commutazione che possono essere intraprese indipendentemente dalle prestazioni elettriche. Spesso l’aspettativa di vita meccanica di un relè è di circa 10.000.000 operazioni o anche molto di più.

La fine della vita dei contatti si verifica generalmente quando i contatti si incollano o si saldano, o quando l’arco, ecc. ha causato la bruciatura del contatto e il trasferimento di materiale tale che non si può ottenere una resistenza di contatto sufficiente. Le condizioni per questo dipendono dal relè e dalla sua applicazione. Le specifiche saranno normalmente definite nel datasheet del relè.

Svantaggi e svantaggi dei relè

Come ogni tecnologia ci sono vantaggi e svantaggi nell’uso dei relè elettromeccanici. Quando si progetta un circuito, è necessario soppesare gli aspetti positivi e negativi per selezionare la tecnologia giusta per il circuito dato.

A volte un’altra opzione che può essere considerata quando si richiede un isolamento elettrico tra due circuiti può essere un optoisolatore. Questi opto-isolatori sono spesso incorporati in interruttori a stato solido, spesso chiamati anche relè a stato solido, in modo da ottenere alti livelli di isolamento. L’uso di optoisolatori negli interruttori a stato solido / relè a stato solido fornisce un isolamento completo tra il circuito di ingresso e quello di uscita.

I relè elettromeccanici sono stati utilizzati per molti anni come interruttori elettrici e la tecnologia è ben consolidata. Questi relè elettromeccanici o elettrici possono tollerare alcuni abusi e sono normalmente relativamente tolleranti ai picchi di tensione transitori. Da questo punto di vista sono migliori degli interruttori a stato solido / relè a stato solido e anche se si consumano più rapidamente, soprattutto quando stanno commutando carichi induttivi di devono tollerare sovratensioni di accensione nei loro carichi.

Come i relè e gli interruttori a stato solido sono ora presenti sul mercato e offrono alti livelli di affidabilità, le opzioni dei relè elettromeccanici rispetto ai relè a stato solido devono essere attentamente considerate. In alcuni casi i vecchi relè vengono sostituiti da relè allo stato solido, ma in altri casi, i relè elettromeccanici possono offrire l’opzione migliore..

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