Capire la differenza tra relè bistabili e monostabili

I relè continuano ad essere componenti fondamentali dei moderni sistemi elettronici, in quanto consentono il controllo affidabile dei circuiti nelle applicazioni industriali, commerciali e consumer. Dai sistemi HVAC alle infrastrutture intelligenti, fino all'automazione industriale e alla gestione dell'energia, i relè rappresentano un modo semplice ma efficace per commutare i carichi e isolare i segnali di controllo. Con la continua evoluzione dei requisiti di sistema verso efficienza e affidabilità maggiori, la scelta del tipo di relè appropriato è diventata sempre più importante.

Un relè monostabile rimane attivato solo fintanto che la corrente è applicata in modo continuo alla relativa bobina, mentre un relè bistabile mantiene la sua posizione anche dopo l'interruzione dell'alimentazione. Proprio per questi principi di funzionamento differenti, ciascun tipo di relè è più adatto ad applicazioni specifiche. Capire come e quando utilizzare ciascuna opzione consente agli ingegneri di ottimizzare tanto le prestazioni quanto l'utilizzo di energia nei loro progetti.

Entrambi i tipi di relè svolgono ruoli essenziali in tutti i settori industriali e Same Sky supporta un'ampia gamma di soluzioni a relè. Questo articolo ne illustra le differenze, i vantaggi e i limiti fondamentali e fornisce indicazioni pratiche per la loro implementazione.

Nozioni di base sui relè: un rapido ripasso

Prima di confrontare i tipi di relè, è utile dare uno sguardo al funzionamento dei relè elettromeccanici. Un relè è tipicamente composto dai seguenti elementi:

• Una bobina che genera un campo magnetico quando in tensione
• Un'armatura che si muove per aprire o chiudere i contatti
• Una molla che riporta l'armatura alla sua posizione predefinita nei relè con design monostabile

Le configurazioni dei contatti possono variare, con opzioni quali SPST (unipolare a una via) e SPDT (unipolare a due vie), assicurando flessibilità nella progettazione dei circuiti. Poiché i relè si basano sul movimento meccanico, la commutazione non è istantanea. Diverse caratteristiche di temporizzazione influenzano le prestazioni:

• Tempo di intervento: il ritardo tra l'eccitazione della bobina e il movimento del contatto
• Tempo di rilascio: il tempo necessario per tornare allo stato predefinito dopo la rimozione dell'alimentazione
• Rimbalzo di contatto: le fluttuazioni rapide e brevi durante la commutazione
• Larghezza minima di impulso: l'impulso più breve necessario per azionare in modo affidabile il relè

Questi parametri diventano particolarmente importanti nei sistemi a commutazione rapida e nei progetti che utilizzano relè bistabili.

I relè monostabili

I relè monostabili (o non bloccanti) hanno un unico stato stabile e il mantenimento del loro stato attivato dipende dal mantenimento della corrente nella bobina. Quando si toglie l'alimentazione, la molla interna riporta i contatti nella loro posizione originale.

Questo comportamento li rende una scelta ideale per i sistemi incentrati sulla sicurezza che devono passare a uno stato noto in caso di perdita di alimentazione. Sono anche facili da implementare, poiché il circuito di pilotaggio è relativamente semplice ed economico. Tuttavia, l'eccitazione continua della bobina aumenta il consumo di energia. Con il tempo, questo può portare a un accumulo di calore nella bobina, che può influire sulla sua durata se non gestito correttamente.

Figura 1: Sezione trasversale di un tipico relè monostabile. (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

I relè bistabili

I relè bistabili (o ad auto-tenuta) mantengono l'ultimo stato commutato senza richiedere un'alimentazione continua. A tal fine, utilizzano un magnete permanente o un meccanismo di chiusura meccanica per mantenere l'armatura in posizione. Per cambiare lo stato si applica un breve impulso elettrico.

Questo design offre notevoli vantaggi in termini di efficienza. Poiché la bobina viene eccitata solo brevemente, il consumo di energia in standby è ridotto al minimo e la sollecitazione termica è contenuta. I relè bistabili sono particolarmente utili nelle applicazioni in cui il mantenimento dello stato durante le interruzioni di corrente è di importanza critica.

Tuttavia, questi vantaggi comportano dei compromessi. Il circuito di pilotaggio è più complesso, in particolare per i progetti a bobina singola che richiedono l'inversione di polarità. Inoltre, i progetti che si basano su magneti permanenti possono essere sensibili alle sovracorrenti o agli urti meccanici, il che può influire sull'affidabilità.

Figura 2: Sezione trasversale di un tipico relè bistabile. (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Nell'ambito dei relè bistabili esistono modelli a bobina singola e a doppia bobina; in quanto bistabili, entrambi mantengono la posizione senza richiedere l'alimentazione continua, ma si differenziano per il modo in cui vengono controllati.

• I modelli a bobina singola utilizzano una sola bobina per l'impostazione e il reset del relè. Gli stati di commutazione richiedono l'inversione della polarità della tensione applicata.
• I modelli a bobina doppia, invece, utilizzano due bobine separate, una per l'impostazione e una per il reset.

Sebbene i relè a bobina doppia richiedano pin aggiuntivi e un po' più di spazio, semplificano il circuito di controllo eliminando la necessità dell'inversione della polarità.

Confronto tra i relè monostabili e bistabili

La Tabella 1 riassume rapidamente le principali differenze tra i due tipi di relè.

Tabella 1: Principali differenze tra i modelli di relè più comuni. (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Le migliori pratiche per un'integrazione affidabile dei relè

Anche i relè di alta qualità richiedono pratiche di progettazione adeguate per garantire l'affidabilità a lungo termine. Un'implementazione attenta può migliorare significativamente le prestazioni e la durata del sistema.

Per i relè monostabili che utilizzano bobine c.c., è essenziale aggiungere un diodo in flyback sulla bobina. Ciò contribuisce a sopprimere i picchi di tensione generati durante la diseccitazione, proteggendo i componenti elettronici circostanti. Anche la gestione della corrente di inserzione è importante, in particolare quando si commutano carichi capacitivi o magnetizzanti, che possono generare forti picchi di corrente all'accensione.

Per i relè bistabili, il controllo preciso dell'impulso di attuazione è fondamentale. Nei progetti a bobina singola, l'utilizzo di un driver in CI dedicato o di un ponte H può semplificare il controllo e garantire un funzionamento costante. La temporizzazione degli impulsi deve essere gestita con attenzione. Gli impulsi troppo brevi potrebbero non attivare il relè, mentre gli impulsi troppo lunghi sprecano energia e aumentano la sollecitazione termica. Nelle applicazioni esposte a vibrazioni o urti, possono essere necessarie ulteriori considerazioni di natura meccanica per evitare commutazioni involontarie.

Le migliori pratiche generali si applicano a entrambi i tipi di relè. Tra queste, la riduzione della potenza dei carichi di contatto, la garanzia di un'adeguata gestione termica e la scelta di design sigillati quando si opera in ambienti difficili con presenza di alti livelli di umidità o polvere.

Come scegliere il relè giusto per la propria applicazione

Per decidere tra relè bistabile o monostabile è importante comprendere a fondo i requisiti del sistema. Le considerazioni principali includono la tensione della bobina, la disponibilità di corrente, la corrente di contatto e le condizioni ambientali. Per evitare di far funzionare i componenti ai loro limiti massimi, è necessario applicare sempre un'adeguata riduzione della potenza.

Ecco alcune considerazioni che possono semplificare la scelta:

• È necessario che il sistema torni allo stato predefinito dopo la perdita di potenza? Monostabile
• È necessario che il relè mantenga il suo stato durante l'interruzione dell'alimentazione? Bistabile
• È essenziale ridurre al minimo la potenza di standby? Bistabile
• È prioritario mantenere semplice il circuito di pilotaggio? Monostabile

Conclusione

La scelta tra relè bistabile o monostabile comporta il bilanciamento di aspetti quali efficienza, complessità del controllo e requisiti applicativi. I relè monostabili offrono un funzionamento semplice e un comportamento a sicurezza intrinseca, mentre i relè bistabili offrono un consumo di energia inferiore e il mantenimento dello stato.

Il portafoglio di Same Sky comprende entrambi i tipi di relè, offrendo agli ingegneri opzioni flessibili per soddisfare un'ampia gamma di esigenze di progettazione. Sono compresi relè di segnale per la commutazione di correnti di basso livello e relè di potenza per la commutazione di correnti di alto livello.