Come scegliere e applicare i relè elettromeccanici per una commutazione del segnale versatile e affidabile

Applicazioni come i dispositivi di rete e di telecomunicazione, le apparecchiature di test automatico (ATE) e i dispositivi di sicurezza hanno sempre più bisogno di commutare e instradare in modo affidabile segnali singoli o multipli di livello basso o moderato in c.c., c.a. (analogica) e radiofrequenza (RF). I relè elettromeccanici (EMR) sono ideali per questo compito.

Gli EMR offrono eccezionali prestazioni on/off, oltre all'isolamento di ingresso/uscita, e sono disponibili in diverse configurazioni di poli per garantire ai progettisti flessibilità e versatilità. Inoltre, un singolo relè può supportare diversi tipi di segnale (c.a., c.c., bassa frequenza, RF) nello stesso dispositivo, il che ne accresce il valore.

Pur avendo elementi mobili e contatti fisici, sono completamente caratterizzati grazie alla loro lunga storia applicativa. Per questo motivo, sono "risolutori di problemi" affidabili, in grado di fornire un servizio costante per molti anni. Sebbene gli EMR siano anche dispositivi intrinsecamente robusti, i progettisti devono scegliere un relè appropriato (sia per le bobine che per i contatti) e utilizzarlo correttamente per garantire la massima longevità.

Questo articolo illustra brevemente i tipi e le applicazioni dei relè di segnale. Descrive quindi come scegliere e applicare gli EMR utilizzando prodotti di esempio di Omron Electronic Components.

Tipi di relè e differenziazione

EMR si riferisce a un componente con molti sottotipi specifici per le applicazioni. Ad esempio, i relè di potenza hanno contatti con corrente nominale di 2 A o superiore, mentre i relè di segnale sono progettati per correnti di contatto inferiori a tale valore.

I relè di segnale possono essere suddivisi in due gruppi: segnali non RF e segnali RF. Mentre tutti i relè sono caratterizzati da parametri di continuità di base e da valori massimi di corrente e tensione, esistono ulteriori parametri di prestazione per i relè RF, tra cui:

• Isolamento: i segnali ad alta frequenza si disperdono per via della capacità parassita tra i contatti, anche se questi sono separati. L'isolamento si misura in decibel (dB).
• Perdita di inserzione: alle alte frequenze, i disturbi del segnale sono dovuti all'autoinduzione, alla resistenza e alla perdita dielettrica, nonché alle riflessioni dovute a disadattamenti di impedenza. Anche la perdita di inserzione si misura in dB.
• Rapporto di onda stazionaria (ROS) in tensione: è dovuto all'interferenza costruttiva/distruttiva tra un'onda di segnale in ingresso e un segnale riflesso. Questa misura è un numero senza unità che indica il rapporto tra il valore massimo di una forma d'onda e il suo valore minimo.

Semplificare la distinta base

Le configurazioni dei relè sono definite dal numero di contatti o poli (P) e dalle situazioni normali di apertura/chiusura dei contatti (cioè non alimentati) (Figura 1). I contatti possono essere normalmente aperti (NA) o chiusi (NC). Le configurazioni unipolari (SP) e bipolari (DP) sono le più comuni, anche se sono disponibili unità con più poli di contatto. La via (T) è la posizione estrema dell'attuatore.

Figura 1: Le disposizioni dei contatti e le denominazioni standard del settore per diversi tipi di EMR; le linee tratteggiate nel relè Form 2C indicano che entrambe le armature hanno un collegamento non conduttivo che muove entrambi i contatti simultaneamente quando la bobina del relè riceve corrente. (Immagine per gentile concessione di Sealevel Systems, Inc.)

La capacità di supportare più poli e più vie NA/NC evidenzia come gli EMR possano semplificare i circuiti, risparmiare spazio sulla scheda, ridurre la distinta base e i costi. Il motivo è che un singolo relè può commutare più percorsi di circuito in all-on, all-off o in una combinazione di entrambi, a seconda della configurazione del polo e dell'impulso. Lo stesso relè può anche commutare segnali sia in c.a. che in c.c., garantendo il funzionamento simultaneo su più percorsi di circuito.

In alcuni casi, gli EMR con una coppia di poli in più vengono utilizzati per alimentare un circuito ausiliario, ad esempio un circuito LED per indicare agli utenti che il relè è stato eccitato e ha creato lo stato di contatto desiderato. Inoltre, alcuni progettisti esperti utilizzano un relè bipolare a due vie (DPDT) quando hanno bisogno di un'unità unipolare a due vie (SPDT) (in molti casi i relè SPDT e DPDT hanno lo stesso ingombro), per avere una coppia di contatti "per ogni evenienza" per risolvere un problema o una svista che si scopre in un secondo momento nel ciclo di progettazione.

Il relè G6J-2P-Y DC12 di Omron (Figura 2) è un relè DPDT (Form 2C) ultrasottile con una bobina da 977 Ω, progettato per un'alimentazione di 12 V a 12,3 mA. Si noti che gli altri membri di questa famiglia offrono diverse combinazioni di tensione/corrente della bobina, fino a 24 V_c.c., per la compatibilità con quasi tutti i circuiti o le situazioni di azionamento.

Figura 2: Il relè G6J-2P-Y DC12 è un relè DPDT ultrasottile con bobina di 12 V, 12,3 mA; fa parte di una famiglia di relè con dimensioni e valori nominali dei contatti identici, ma con diverse combinazioni di tensione/corrente della bobina. (Immagine per gentile concessione di Omron)

Questo piccolo relè è adatto a schede a circuiti stampati (PCB) ad alta densità, poiché misura solo 5,7 × 10,6 × 9 mm. Il modello G6J-2P-Y DC12 è dotato di terminali a foro passante, ma versioni identiche offrono terminali a montaggio superficiale corti e lunghi per la massima flessibilità. I contatti di questo relè e di tutti gli altri della famiglia sono in grado di gestire fino a 0,3 A a 125 V_c.a. e 1 A a 30 V_c.c..

Relè e RF

I relè non si limitano a fornire semplici chiusure di contatti "a secco" o a gestire tensioni/correnti c.c. e segnali c.a. a bassa frequenza. Alcuni modelli sono progettati esplicitamente per applicazioni ad altissima frequenza, come quelle ATE.

Il relè G6K-2F-RF-V DC4.5 di Omron è un relè DPDT miniaturizzato a montaggio superficiale che supporta la commutazione di segnali a trasmissione differenziale. La perdita di inserzione per questo relè di 11,7 × 7,9 × 7,1 mm è di 3 dB o meno a 8 GHz. Può essere utilizzato anche a frequenze più elevate, come mostra il suo diagramma a occhio per un segnale differenziale di 200 mV con un tempo di salita di 25 ps (Figura 3).

Figura 3: Il relè DPDT miniaturizzato c.c. a montaggio superficiale G6K-2F-RF-V utilizza la commutazione del segnale di trasmissione differenziale ed è specificato fino a 8 GHz e oltre, come dimostrano questi diagrammi a occhio con segnali da 8,1, 10 e 12,5 Gbit/s. (Immagine per gentile concessione di Omron)

Queste prestazioni in GHz sono dovute, in parte, a una progettazione elettrica e meccanica che supporta intrinsecamente i segnali differenziali. Ciò contribuisce a garantire prestazioni desiderabili, definite dall'isolamento RF (non correlato all'isolamento galvanico), dalla perdita di inserzione e dalla ROS in tensione (Figura 4).

Figura 4: Il relè GHz G6K-2F-RF-V utilizza un design intrinsecamente differenziale che semplifica i problemi di layout fisico dei circuiti e riduce al minimo l'impatto negativo di tale layout sulle prestazioni RF. (Immagine per gentile concessione di Omron)

Il relè utilizza un layout interno avanzato che semplifica il layout della scheda CS ed elimina la necessità di un complesso percorso di segnale multistrato sulla scheda, che degrada le prestazioni RF. L'uso di un involucro in resina e non in metallo evita il problema di cortocircuiti tra i pin della sonda, che causano danni alla scheda e ai componenti durante l'ispezione del montaggio del relè.

Relè e consumo energetico

Il consumo energetico è un parametro critico in quasi tutti i circuiti e sistemi. Definisce il dimensionamento dell'alimentazione, influisce sul tempo di esercizio dei progetti a batteria e il calore associato influisce sulle prestazioni termiche. Ciò ha conseguenze per i convenzionali relè monostabili, dove la bobina deve rimanere alimentata per tutto il tempo in cui il relè deve essere alimentato.

Le architetture alternative al design di base on/off (formalmente chiamato stabile a un lato) risolvono questo problema. Il relè bistabile (detto anche relè ad auto-tenuta) è progettato in modo che, una volta eccitato, rimanga in quella posizione anche dopo la rimozione dell'alimentazione della bobina.

Esistono diversi modi per implementare la funzione bistabile. Il modello G6JU-2P-Y DC3 e gli altri di questa famiglia utilizzano una tecnica di auto-tenuta ad avvolgimento singolo in cui l'impulso di ingresso "impostato" causa il mantenimento della condizione operativa tramite un magnete permanente adiacente. L'impulso dell'ingresso di "reset" (un ingresso con polarità inversa a quella dell'ingresso di impostazione) porta il relè in uno stato sbloccato.

Relè e affidabilità

I relè hanno elementi in movimento e contatti elettrici fisici, quindi è normale pensare che diventino inaffidabili dopo un numero modesto di cicli on/off. Ma non è così.

In primo luogo, i diversi effetti dell'apertura e della chiusura dei contatti in presenza di c.a. o c.c. a vari livelli sono ben noti e sono descritti in dettaglio nella scheda tecnica del relè. L'usura prematura dei contatti non dovrebbe essere un problema se vengono rispettate le condizioni definite.

Altrettanto importante è il fatto che decenni di utilizzo, l'esperienza con innumerevoli unità sul campo, la ricerca e lo sviluppo metallurgico, la modellazione e l'analisi, i test di durata controllata, i miglioramenti nella produzione e nella fabbricazione e altri fattori tecnici hanno trasformato la progettazione e la fabbricazione di bobine e contatti in processi ben compresi, maturi e sofisticati e nei componenti che ne derivano.

La durata del relè è collegata alla durata dei contatti e della bobina. La durata della bobina parte da un valore standard di 40.000 ore, poiché le proprietà di isolamento diminuiscono a causa del calore generato quando la tensione nominale viene applicata continuamente alla bobina. Se l'uso del relè è intermittente, la durata della bobina è molto più lunga.

La durata si valuta anche in base a due fattori spesso indicati nelle schede tecniche:

• La durata meccanica è il numero di volte in cui un relè può aprire e chiudere il contatto a vuoto, tenendo conto di malfunzionamenti e caratteristiche meccaniche.
• La durata elettrica è il numero di volte che un relè può aprire e chiudere il contatto con un carico nominale (ad esempio 125 V_c.a., 0,3 A / 30 V_c.c., 1 A).

I contatti dei relè sono disponibili in diverse configurazioni con livelli crescenti di affidabilità a lungo termine: contatto semplice, contatto doppio e contatto a doppia traversa (Figura 5). Il design del contatto a doppia traversa offre una resistenza di contatto eccezionalmente stabile e riduce al minimo i guasti. I membri della famiglia G6J-2P-Y hanno una traversa biforcata (simile al contatto a doppia traversa) con un contatto in argento placcato in lega d'oro.

Figura 5: I contatti dei relè sono migliorati e si sono evoluti, passando da un contatto semplice di base a contatti a doppia traversa di maggiore durata che offrono prestazioni costanti e una resistenza di contatto stabile. (Immagine per gentile concessione di Omron)

La nota affidabilità di questi relè li rende una buona scelta per tutte le applicazioni in cui i tempi di fermo o le interruzioni di servizio non sono accettabili, oppure le prestazioni dei relè sono un fattore critico.

Conclusione

Gli EMR sono componenti critici per la risoluzione dei problemi in molti sistemi moderni, in quanto affrontano e risolvono molti problemi legati al percorso del segnale. Offrono caratteristiche di gestione del segnale uniche e insostituibili, prestazioni ben definite e affidabilità a lungo termine. I relè di segnale sono disponibili per applicazioni in c.c., a bassa frequenza e persino in radiofrequenza fino ai GHz, ampliando così la loro applicabilità.