Relè di potenza - Principi base

I relè sono essenzialmente interruttori che regolano il funzionamento di altri interruttori all'interno dei circuiti elettrici. Utilizzano un segnale di ingresso a bassa potenza per impartire un comando su circuiti a potenza maggiore. L'attivazione del segnale a bassa potenza del relè innesca l'eccitazione di un elettromagnete, dando inizio al movimento di un'armatura. Questo movimento, a sua volta, provoca la chiusura dei contatti elettrici, facilitando così la trasmissione di energia al circuito controllato.

Uno dei vantaggi principali di questo concetto sta nella capacità di isolare il segnale di controllo a bassa potenza dal circuito a potenza più alta. Questo isolamento protegge non solo gli operatori da potenziali pericoli, ma anche le apparecchiature da potenziali danni. Inoltre, questa disposizione facilita il controllo remoto dei dispositivi o dei sistemi, per il funzionamento a distanza.

La genesi dei relè elettromeccanici risale al 1835 e, nonostante i significativi miglioramenti apportati ai loro componenti e alla loro varietà nel corso degli anni, la loro funzione fondamentale è rimasta invariata. Uno dei relè più conosciuti nella storia è il relè di potenza. Sebbene tutti i relè elettrici controllino intrinsecamente l'alimentazione, non tutti possono essere definiti "relè di potenza". Questo articolo analizza più da vicino i relè di potenza e ne spiega i vantaggi, le configurazioni e i principali criteri di selezione.

Principi base sui relè di potenza

I relè di potenza sono noti per la loro capacità di gestire la commutazione di corrente di alto livello, da alcuni ampere a grandezze notevolmente superiori. La loro struttura più robusta e le dimensioni maggiorate consentono ai contatti dei relè di potenza di sopportare correnti considerevoli, rendendoli ideali per applicazioni che richiedono correnti tipicamente superiori a 10 A.

Il loro utilizzo è in aumento in diversi settori, tra cui sistemi automotive, comandi per ascensori, attuatori di valvole e vari dispositivi caratterizzati da elevati picchi di corrente iniziale, come motori, solenoidi, alimentatori e ballast elettronici.

Come altri componenti elettrici, anche i relè presentano limitazioni intrinseche per quanto riguarda la potenza che possono gestire in modo sicuro. A ogni modello è assegnata una potenza massima, per garantire un abbinamento efficiente con una vasta gamma di carichi, da prodotti a bassa potenza come le lampadine a macchinari robusti come i grandi motori. Tuttavia, il superamento della potenza nominale specificata può causare danni permanenti al relè.

Inoltre, il disallineamento dei contatti può generare un arco di contatto, caratterizzato da un flusso di corrente attraverso il traferro tra i contatti del relè quando questi sono aperti ma vicini. Questo fenomeno comporta rischi che vanno oltre la generazione di scintille e calore, tra cui l'erosione dei contatti e la generazione di interferenze elettriche indesiderate, potenzialmente dannose per le apparecchiature vicine.

Figura 1: Formazione di un arco di contatto in un relè elettromeccanico. (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

I relè di potenza sono progettati specificamente per gestire i carichi elettrici di dispositivi ad alta corrente come riscaldatori, motori, impianti di illuminazione e apparecchiature industriali. I valori nominali di corrente e tensione più elevati dei relè di potenza derivano in gran parte dall'utilizzo di materiali di contatto degli interruttori diversi da quelli dei normali relè. Questi materiali sono scelti per la loro capacità di resistere ai rigori delle applicazioni ad alta potenza, garantendo un funzionamento affidabile e una lunga durata in ambienti industriali esigenti.

Materiali dei contatti dei relè di potenza

Quando la corrente scorre attraverso i contatti di un relè, incontra una resistenza, un fattore che dipende dalle dimensioni e dalla composizione del materiale dei contatti. Una resistenza elevata non solo amplifica la potenza dissipata all'interno del relè, ma aumenta anche la generazione di calore. Un approccio per ridurre la resistenza di contatto è la scelta accurata dei materiali dei contatti.

I relè convenzionali in genere presentano contatti realizzati in nichel argentato, un metallo onnipresente nella costruzione dei relè. I contatti in nichel argentato eccellono nella commutazione di carichi resistivi, dove corrente e tensione sono in fase.

I relè progettati per carichi più elevati, come i relè di potenza, optano invece per contatti realizzati con materiali come l'ossido di argento e cadmio, l'ossido di argento e stagno o una lega d'oro. Questi materiali sono ideali per la gestione di carichi induttivi, caratterizzati da corrente e tensione asincrone, che possono generare elevati picchi di corrente o di tensione. Sia i contatti in ossido di cadmio-argento che quelli in ossido di stagno-argento offrono una minore resistenza elettrica e riducono il rischio di saldatura dei contatti derivante da elevate correnti di inserzione. In particolare, l'adozione dell'ossido di stagno-argento evita i problemi ambientali associati alle leghe a base di cadmio, allineandosi così agli standard normativi sostenuti da alcuni Paesi.

Relè di potenza e relè di segnale a confronto

I relè di potenza e i relè di segnale rappresentano due varianti molto diffuse nell'ambito dei relè. Sebbene i relè di potenza diano la priorità alla gestione di tensioni e correnti più elevate, in genere sopportano un numero inferiore di cicli di vita utile. Per contro, i relè di segnale sono progettati per un numero di cicli di vita utile più elevato, ma funzionano con tensioni inferiori e corrente minima.

I materiali dei contatti utilizzati nei relè di potenza, pur essendo adatti a gestire scenari di alta potenza, non sono ideali per la commutazione a bassa potenza. Ciò deriva dal fatto che a tensioni inferiori, il collegamento fisico tra i contatti assume un'importanza fondamentale, dettata più da fattori quali la pressione e la pulizia dei contatti che dal materiale dei contatti.

Inoltre, l'impiego di un relè di segnale in un'applicazione di potenza comporta rischi intrinseci, che possono culminare in un guasto catastrofico dovuto a sovratensione o sovracorrente. Anche se un relè di questo tipo dovesse sopravvivere, mancherebbe di caratteristiche cruciali come la prevenzione degli archi e l'autopulizia dei contatti, compromettendo l'affidabilità a lungo termine.

Nel processo decisionale tra relè di potenza e di segnale, è fondamentale attenersi a una linea guida fondamentale: far sempre corrispondere il livello di potenza da commutare con la potenza nominale del relè. Ciò garantisce prestazioni ottimali, riduce i rischi di guasto e mantiene l'integrità del relè e dei sistemi associati. Per ulteriori informazioni sui relè di segnale, consultare l'altro articolo di Same Sky "Relè di segnale - Principi base".

Tipi di relè di potenza

I relè di potenza, come i normali relè, sono disponibili in due tipi principali: elettromeccanici e a stato solido.

I relè di potenza elettromeccanici si basano su una combinazione di bobine elettriche, campi magnetici, molle, armature mobili e contatti per regolare l'alimentazione di un dispositivo.

I relè a stato solido, invece, non utilizzano componenti mobili. Sfruttano invece dispositivi a semiconduttore come i raddrizzatori controllati al silicio (SCR), i TRIAC (triodi per corrente alternata) o i transistor di commutazione per commutare sia la corrente alternata sia quella continua. I relè a stato solido offrono vantaggi quali una maggiore velocità di commutazione e una maggiore affidabilità rispetto ai relè elettromeccanici. Tuttavia, il loro rapporto costi/benefici diminuisce con l'aumentare della domanda di potenza, a causa dei costi più elevati associati a semiconduttori di potenza robusti e all'inclusione di ulteriori componenti per la gestione termica.

Figura 2: Esempio di relè a stato solido combinato con un dissipatore di calore. (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Configurazioni e valori nominali comuni

I relè di potenza, come le loro controparti non di potenza, sono classificati in base alla configurazione dei contatti, che indica il numero di dispositivi che possono controllare contemporaneamente. Le classificazioni comuni comprendono:

• SPST (unipolare a una via)
• DPDT (bipolare a due vie)
• 3PDT (tripolare a due vie)
• SP3T (unipolare a tre vie)

I contatti dei relè sono designati come normalmente aperti (NA) o normalmente chiusi (NC), a seconda del loro stato quando il relè non è in tensione.

I valori nominali indicano la potenza massima che può essere commutata in modo sicuro ed efficace dal relè. Questi valori nominali sono tipicamente espressi in termini di ampere per correnti sia c.a. che c.c. È fondamentale che i limiti di impiego del relè superino quelli del dispositivo da commutare, tenendo conto di un margine di sicurezza.

Come i relè non di potenza, anche i relè di potenza possono essere descritti con il termine "Form". Frasi come "1 Form A" o "2 Form C" forniscono indicazioni sulle caratteristiche del relè. Il numero che precede "Form" indica il numero di contatti descritti disponibili nel relè. "Form A" indica un relè normalmente aperto, mentre "Form B" indica un relè normalmente chiuso. Form "C" e "D" si applicano ai relè SPDT e indicano rispettivamente quale posizione è considerata normalmente chiusa e se il relè è non circuitante (BBM) o circuitante (MBB). Sebbene esistano numerose altre designazioni, queste quattro sono le più comunemente utilizzate.

• Form A - Normalmente aperto
• Form B - Normalmente chiuso
• Form C - Interruttori SPDT non circuitanti (BBM)
• Form D - Interruttori SPDT circuitanti (MBB)

Altre considerazioni

Tra le ulteriori considerazioni da fare nella scelta del dispositivo, si ricordano:

• Sovracorrenti transitorie in ingresso: alcuni dispositivi possono produrre notevoli picchi di tensione durante l'avvio. È importante identificarli prima di specificare un relè per evitare danni al dispositivo.
• Soppressione di bobina: i cicli dei relè possono generare transitori ad alta tensione. La soppressione di bobina prevede l'utilizzo di componenti aggiuntivi nel circuito per proteggere le apparecchiature da questi transitori. Tuttavia, ciò può ridurre la durata prevista del relè. Determinare se sia necessaria una strategia specifica di soppressione di bobina per un'applicazione specifica.
• Auto-tenuta: un relè ad auto-tenuta (bistabile) mantiene la sua ultima posizione di contatto anche dopo aver rimosso l'alimentazione di attivazione. Questa funzione può essere necessaria per alcune applicazioni.
• Rumore: i relè possono produrre rumore legato alle interferenze elettromagnetiche (EMI) o interferenze in radiofrequenza (RFI), che possono essere più pronunciati nei dispositivi ad alta potenza. Determinare in anticipo la sensibilità di un dispositivo o di un sistema al rumore di questo tipo.
• Rimbalzo di contatto: durante il ciclo di un relè, i suoi contatti possono subire brevi cicli di apertura/chiusura, noti come rimbalzo di contatto, che generano impulsi elettrici. A seconda della sensibilità dell'applicazione, questo rimbalzo può causare effetti indesiderati, quindi è importante determinare se il rimbalzo di contatto influisce su un'applicazione prima di specificare un relè.

Figura 3: Esempio di rimbalzo di contatto e di sbalzi repentini di tensione. (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Conclusione

I relè sono dispositivi affidabili ed efficienti che forniscono un controllo elettrico sicuro per sistemi e dispositivi, salvaguardando l'operatore dalla corrente di funzionamento. I relè di potenza, elettromeccanici o a stato solido, sono appositamente progettati con caratteristiche avanzate per gestire tensioni e correnti più elevate.

I progettisti che valutano le esigenze di commutazione di potenza dei loro prodotti possono rivolgersi a Same Sky che offre una vasta gamma di relè di potenza e di segnale. Che si tratti di commutazione di corrente a basso o alto livello, Same Sky offre soluzioni a relè in grado di soddisfare una varietà di esigenze in modo efficace ed efficiente.