Utilizzare relè elettromeccanici per risolvere i problemi delle moderne interfacce

Una delle sfide che si incontrano nell'integrazione dei sistemi è l'interfacciamento di un sottosistema esistente con uno nuovo o diverso. Quando le caratteristiche di ingresso/uscita di entrambi i sistemi sono standard e note, un traslatore di livello in CI, come SN74AUP1T57DCKR di Texas Instruments, può accettare diversi livelli di segnale digitale su ingressi e uscite e risolvere facilmente il problema (Figura 1).

Figura 1: Quando due interfacce sono standard e ben definite, un CI standard come SN74AUP1T57DCKR può essere la soluzione rapida e semplice. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Il problema è che esistono molti scenari in cui l'interconnessione tra i sistemi più vecchi e quelli più nuovi non è facilmente implementabile. Spesso le caratteristiche di uno o entrambi i lati dell'interfaccia non sono note o sono scarsamente definite, quindi l'utilizzo di un componente standard non è fattibile.

Questo è stato il problema che ho dovuto affrontare in due diverse situazioni. In ogni caso ho potuto risolvere facilmente e direttamente il problema utilizzando una versione moderna del relè elettromeccanico (EMR), che ha quasi 2 secoli. Inventato intorno al 1835, l'EMR è solitamente attribuito allo scienziato americano Joseph Henry.

Anche se i relè possono sembrare arcaici rispetto all'utilizzo di un optoaccoppiatore o di un relè a stato solido (SSR), ci sono molti casi in cui le loro virtù "d'altri tempi" sono particolarmente vantaggiose. Ogni anno vengono vendute centinaia di milioni di relè di questo tipo; anche se molti sono destinati alle sostituzioni, una parte sostanziale viene inserita in nuovi progetti.

I tipi di relè rientrano in tre gruppi generali: dispositivi a piccolo segnale per correnti di contatto inferiori a 2 A, relè di potenza per correnti più elevate e relè a radiofrequenza (RF). I relè RF solitamente gestiscono piccoli segnali nell'ordine dei megahertz e dei gigahertz. Inoltre, esistono altri membri della famiglia, come relè audio e relè reed per apparecchiature di test automatico (ATE). Non dimentichiamo che i relè hanno molte configurazioni dei contatti, a partire dalla versione base unipolare a una via (SPST) fino alle unità con più contatti.

Sarò onesto, mi piacciono molto gli EMR per molte ragioni:

• Sono robusti e affidabili.
• Forniscono un isolamento galvanico (ohmico) quasi perfetto.
• I valori nominali di corrente/tensione di ingresso e uscita sono in gran parte indipendenti.
• Sono disponibili in un ampio intervallo di valori nominali per bobina e contatti.
• Di solito hanno una versione con piedinatura compatibile con lo zoccolo, che semplifica il cablaggio e il debug.
• Spesso sono dotati di più contatti normalmente aperti (NA)/normalmente chiusi (NC) che si rivelano utili.
• Forniscono un'indicazione visiva tramite la posizione dell'armatura, mostrando se sono in tensione.
• Emettono un "clic" udibile molto utile quando si aprono o si chiudono.

In breve, sono soluzioni semplici, flessibili ed eleganti. Per quanto riguarda l'affidabilità, un relè di qualità utilizzato secondo le sue specifiche durerà milioni di cicli e decine di anni.

La mia situazione era relativamente semplice poiché i "segnali" con cui avevo a che fare erano chiusure di contatti, a volte chiamate "contatti puliti" o "contatti a secco", in cui il sistema pilotato vuole vedere una connessione di continuità di base tra i suoi due fili. Diamo un'occhiata ai miei problemi e a come un semplice relè li ha risolti.

Sfida n. 1: aggiornamento di un sistema di controllo del riscaldamento

Mi sono offerto ad aiutare un amico ad aggiornare il controllo di un sistema di solo riscaldamento da un termostato vecchio stile - semplice e funzionante con una semplice funzione di accensione/spegnimento basata sulla temperatura - a un'unità più sofisticata, intelligente e abilitata Wi-Fi. Il vecchio controllo del termostato era simile al classico T87F di Honeywell (Figura 2). Il modello T87F fu introdotto all'inizio degli anni '60 e, sebbene non sia più in vendita, ne furono installati milioni e molti sono ancora in uso grazie alla sua striscia termica bimetallica estremamente affidabile e all'interruttore a mercurio sigillato ermeticamente.

Figura 2: Introdotti negli anni '60, molti dei milioni di termostati Honeywell T87F installati sono ancora in uso grazie alla striscia termica bimetallica estremamente affidabile e all'interruttore a mercurio sigillato ermeticamente. (Immagine per gentile concessione di New York Historical Society)

Ho dato una rapida occhiata al termostato esistente e ho visto che aveva solo due fili, quindi ho pensato: non sarà affatto difficile, visto che la sua azione in uscita è una semplice chiusura del contatto. Ma non è stato così semplice. La documentazione del termostato intelligente mostrava molte possibili configurazioni e opzioni per il cablaggio passando da un'unità a due fili a una a tre fili, molto più evoluta.

Anzitutto, il nuovo termostato doveva essere alimentato tramite un trasformatore da 24 V c.a., quindi era necessario un cavo aggiuntivo tra il controller di riscaldamento, ventilazione e condizionamento dell'aria (HVAC) e il termostato. Fortunatamente, il terzo conduttore era già presente (grazie a chiunque lo avesse previsto!) Quindi, quella parte del problema era già risolta.

Esistono molti modi per collegare il nuovo sistema a tre fili alla chiusura del contatto a due fili esistente a seconda del fornitore del controller di sistema (che in questo caso era piuttosto nuovo), sia che si tratti di solo riscaldamento o di riscaldamento più condizionamento, e in base a come si desidera gestire l'isolamento galvanico del nuovo termostato dal controller esistente.

Un'opzione era un optoisolatore o un SSR, ma non ero sicuro dei livelli di tensione e corrente o se un'uscita SSR "attivata" somigliasse abbastanza a una vera chiusura di contatto, poiché c'è una piccola caduta di tensione sull'uscita SSR. L'opzione più semplice e con meno grattacapi era utilizzare un relè di isolamento simile a RY2S-UAC24V di IDEC. Questo relè bipolare a due vie (DPDT) per uso generale è dotato di una bobina da 24 V c.a. e contatti da 3 A in un circuito di traslazione/isolamento di base (Figura 3). Ovviamente, la velocità di commutazione non costituiva un problema in questa situazione.

Figura 3: Il mio problema di interfacciare un moderno termostato intelligente con un nuovo e semplice controller per sistemi di riscaldamento a due fili è stato risolto con un relè con bobina da 24 V c.a. (Immagine per gentile concessione di Bill Schweber)

La buona notizia è che ha subito funzionato bene! Insomma, impeccabile.

Sfida n. 2: aggiornamento di un combinatore di sistema di sicurezza da rete fissa a cellulare

Un altro amico mi ha chiesto di aiutarlo a sostituire il combinatore telefonico fisso ormai obsoleto di un sistema di sicurezza domestica con una moderna unità cellulare wireless. Dato che una semplice chiusura a due fili attivava la vecchia e la nuova unità, speravo che si trattasse di una sostituzione veloce. Ma non è stato semplice.

Il precedente combinatore richiedeva una transizione da una coppia di contatti "aperti" a "chiusi" per attivarlo, mentre il manuale di quello nuovo diceva che come trigger richiedeva una transizione da terra a "circuito aperto". Sfortunatamente, "circuito aperto" è uno di quei termini a volte ambigui: significava "fluttuante" (veramente aperto), o sarebbe stato sufficiente disconnettere la linea tramite un'uscita a collettore aperto?

In aggiunta a questi dubbi, la documentazione riguardante il pin di uscita dell'unità di controllo allarme che aziona il combinatore non era chiara riguardo alla sua natura elettrica: avrebbe potuto essere una struttura a collettore aperto, oppure no. Pertanto non potevo dire con certezza se l'uscita dell'unità di controllo fosse almeno potenzialmente elettricamente compatibile con le esigenze di ingresso del combinatore.

Ci ho pensato un po' e sono arrivato a questa conclusione: quello che avevo era un'uscita che andava da alta a bassa con una struttura poco chiara, e quello che volevo era che assomigliasse a un segnale c.c. che andava da terra ad aperto.

Ancora una volta, un EMR mi è venuto in soccorso. In questo caso, uno simile al relè DPDT per uso generale UA2-5NU di KEMET con una bobina da 5 V c.c. e contatti da 1 A sembrava un modo flessibile e privo di rischi per affrontare questi problemi. Ho collegato la bobina tra il rail di alimentazione e l'uscita attiva dell'unità di controllo, quindi ho utilizzato i contatti del relè non eccitati in modalità NC per collegare l'ingresso del combinatore alla terra effettiva (Figura 4). Quando l'uscita dell'unità di controllo è diventata bassa, ha eccitato la bobina, che ha aperto i contatti del relè NC e ha fornito un vero circuito aperto all'ingresso del combinatore.

Figura 4: Un relè c.c. a bassa tensione ha effettuato la traslazione e l'inversione del segnale tra l'uscita scarsamente definita del trigger del sistema di allarme e il nuovo combinatore wireless. (Immagine per gentile concessione di Bill Schweber)

Problema risolto! Il relè ha funzionato sia come traslatore di livello sia come invertitore di segnale e in più mi ha fornito l'isolamento galvanico.

Conclusione

Queste due soluzioni con relè elettromeccanico consentono di risolvere semplicemente ed elegantemente problemi reali di interfaccia. Qual è dunque il lato negativo? La lezione che ne possiamo trarre è: non esitate a prendere in considerazione componenti tradizionali e collaudati in quanto possono offrire semplicità, funzionalità e flessibilità. Quanto a me, continuerò a offrirmi volontario per dare una mano: le situazioni sono imprevedibili e talvolta frustranti, ma alla fine gratificanti.