Relè a stato solido: tipi, applicazione pratica, schemi di collegamento

I classici avviatori e contattori stanno gradualmente diventando obsoleti. Il loro posto nell'elettronica automotive, negli elettrodomestici e nell'automazione industriale è preso dal relè a stato solido – un dispositivo a semiconduttore privo di parti mobili.

I dispositivi hanno diverse strutture e schemi di collegamento, da cui dipendono i loro campi di applicazione. Prima di utilizzare l'apparecchio, è necessario comprenderne il principio di funzionamento, conoscere le caratteristiche operative e di collegamento dei diversi tipi di relè. Le risposte a queste domande sono dettagliate nell'articolo presentato.

Struttura del relè a stato solido

I moderni relè a stato solido (SSR) sono dispositivi modulari a semiconduttore che fungono da interruttori di potenza.

I componenti operativi chiave di questi dispositivi sono triac, tiristori o transistor. Gli SSR non hanno parti mobili, a differenza dei relè elettromeccanici.

Le dimensioni di un relè a stato solido dipendono in gran parte dal carico massimo ammissibile e dalla capacità di dissipare il calore per conduzione e convezione (+)

La struttura interna di questi dispositivi può variare notevolmente a seconda del tipo di carico controllato e dello schema elettrico.

I relè a stato solido più semplici includono i seguenti componenti:

• modulo di ingresso con fusibili;
• circuito trigger;
• isolamento ottico (galvanico);
• modulo di commutazione;
• circuiti di protezione;
• modulo di uscita al carico.

Il modulo di ingresso del SSR è un circuito primario con un resistore collegato in serie. Un fusibile può essere inserito opzionalmente in questo circuito. Il compito del modulo di ingresso è ricevere il segnale di controllo e trasmettere il comando agli interruttori che commutano il carico.

In corrente alternata, per separare il circuito di controllo da quello principale si utilizza l'isolamento galvanico. Il principio di funzionamento del relè dipende in gran parte dalla sua struttura. Il circuito trigger, responsabile dell'elaborazione del segnale di ingresso, può essere integrato nel modulo di isolamento ottico o posizionato separatamente.

Il modulo di protezione previene sovraccarichi ed errori, poiché in caso di guasto del dispositivo potrebbe danneggiarsi anche l'apparecchiatura collegata.

Lo scopo principale dei relè a stato solido è chiudere/aprire il circuito elettrico tramite un debole segnale di controllo. A differenza degli equivalenti elettromeccanici, hanno una forma più compatta e non producono durante il funzionamento i caratteristici scatti.

Principio di funzionamento dell'SSR

Il funzionamento del relè a stato solido è piuttosto semplice. La maggior parte dei relè a stato solido sono progettati per il controllo dell'automazione in reti da 20 a 480 V.

Il disaccoppiamento ottico consente di generare segnali di controllo di potenza minima, il che è fondamentale per i sensori alimentati da fonti di energia autonome (+)

Nella versione classica, il corpo del dispositivo include due contatti del circuito commutato e due fili di controllo. Il loro numero può variare all'aumentare del numero di fasi collegate. A seconda della presenza di tensione nel circuito di controllo, si verifica l'accensione o lo spegnimento del carico principale mediante elementi a semiconduttore.

Una caratteristica dei relè a stato solido è la presenza di una resistenza non infinita. Se i contatti nei dispositivi elettromeccanici si separano completamente, nei relè a stato solido l'assenza di corrente nel circuito è garantita dalle proprietà dei materiali semiconduttori.

Pertanto, a tensioni elevate, possono verificarsi piccole correnti di dispersione, che possono influire negativamente sul funzionamento dell'apparecchiatura collegata.

Classificazione dei relè a stato solido

I campi di applicazione dei relè sono vari, quindi anche le loro caratteristiche costruttive possono differire notevolmente, a seconda delle esigenze dello specifico schema automatico. I relè a stato solido si classificano in base al numero di fasi collegate, al tipo di corrente di lavoro, alle caratteristiche costruttive e al tipo di schema di controllo.

In base al numero di fasi collegate

I relè a stato solido sono utilizzati sia in apparecchi domestici sia nell'automazione industriale con tensione di lavoro di 380 V.

Pertanto, questi dispositivi a semiconduttore, in base al numero di fasi, si suddividono in:

• monofase;
• trifase.

Relè a stato solido monofase consentono di lavorare con correnti di 10-100 o 100-500 A. Il loro controllo avviene tramite segnale analogico.

Per il relè trifase si consiglia di collegare fili di diversi colori, in modo che durante l'installazione dell'apparecchiatura si possano collegare correttamente.

Relè a stato solido trifase sono in grado di far passare corrente nel range di 10-120 A. La loro struttura prevede un principio di funzionamento reversibile, che garantisce l'affidabilità della regolazione di più circuiti elettrici contemporaneamente.

Spesso i relè a stato solido trifase sono utilizzati per garantire il funzionamento di un motore asincrono. Nel suo schema elettrico di controllo sono obbligatoriamente inclusi fusibili rapidi a causa delle elevate correnti di spunto.

In base al tipo di corrente operativa

I relè a stato solido non possono essere regolati o riprogrammati, quindi possono funzionare correttamente solo entro un determinato intervallo di parametri elettrici della rete.

A seconda delle esigenze, gli RSS possono essere controllati da circuiti elettrici con due tipi di corrente:

• continua;
• alternata.

Analogamente, si possono classificare gli RSS anche in base al tipo di tensione del carico attivo. La maggior parte dei relè negli elettrodomestici funziona con parametri variabili.

La corrente continua non viene utilizzata come fonte principale di energia elettrica in nessun paese del mondo, quindi i relè di questo tipo hanno un campo di applicazione limitato.

I dispositivi con corrente di controllo continua sono caratterizzati da elevata affidabilità e utilizzano una tensione di regolazione di 3-32 V. Sopportano un'ampia gamma di temperature (-30..+70°C) senza variazioni significative delle caratteristiche.

I relè controllati da corrente alternata hanno una tensione di controllo di 3-32 V o 70-280 V. Si distinguono per basse interferenze elettromagnetiche ed elevata velocità di intervento.

In base alle caratteristiche costruttive

I relè a stato solido vengono spesso installati nel quadro elettrico generale dell'appartamento, pertanto molti modelli dispongono di una morsettiera per il montaggio su guida DIN.

Inoltre, esistono dissipatori speciali posizionati tra l'RSS e la superficie di supporto. Consentono di raffreddare il dispositivo sotto carichi elevati, mantenendo le sue prestazioni.

Il relè viene montato su guida DIN principalmente tramite una staffa speciale, che ha anche una funzione aggiuntiva: dissipare il calore in eccesso durante il funzionamento del dispositivo.

Tra il relè e il dissipatore si consiglia di applicare uno strato di pasta termica, che aumenta la superficie di contatto e migliora la dissipazione del calore. Esistono anche RSS progettati per il montaggio a parete con normali viti.

In base al tipo di schema di controllo

Non sempre il principio di funzionamento dei relè regolabili richiede un intervento immediato.

Pertanto, i produttori hanno sviluppato diversi schemi di controllo per gli RSS, utilizzati in vari settori:

1. Controllo «passaggio per lo zero». Questa modalità di controllo del relè a stato solido prevede l'intervento solo quando il valore della tensione è pari a 0. Viene utilizzata in dispositivi con carico capacitivo, resistivo (riscaldatori) e debolmente induttivo (trasformatori).
2. Istantaneo. Viene utilizzato quando è necessaria un'interruzione brusca del relè all'applicazione del segnale di controllo.
3. Fasico. Prevede la regolazione della tensione di uscita modificando i parametri della corrente di controllo. Viene utilizzato per la variazione graduale del livello di riscaldamento o illuminazione.

I relè a stato solido differiscono anche per molti altri parametri meno significativi. Pertanto, al momento dell'acquisto di un RSS, è importante comprendere lo schema di funzionamento dell'apparecchiatura collegata per acquistare un dispositivo di regolazione che meglio le corrisponda.

È necessario prevedere un margine di potenza, poiché il relè ha una durata operativa che si esaurisce rapidamente in caso di sovraccarichi frequenti.

Vantaggi e svantaggi dell'SSR

I relè a stato solido non sostituiscono a caso i normali avviatori e contattori dal mercato. Questi dispositivi a semiconduttore offrono numerosi vantaggi rispetto agli equivalenti elettromeccanici, che spingono gli utenti a sceglierli.

I relè per circuiti integrati hanno dimensioni compatte e sono fortemente limitati in termini di corrente massima ammissibile. Vengono montati principalmente saldando piedini speciali.

Tra questi vantaggi si annoverano:

1. Basso consumo energetico (inferiore del 90%).
2. Dimensioni compatte che consentono di installare i dispositivi in spazi ristretti.
3. Elevata velocità di accensione e spegnimento
4. Rumorosità di funzionamento ridotta, assenza dei caratteristici scatti dei relè elettromeccanici.
5. Non è prevista manutenzione.
6. Lunga durata grazie a una vita utile di centinaia di milioni di cicli.
7. Grazie alle ampie possibilità di modifica dei moduli elettronici, gli SSR hanno campi di applicazione ampliati.
8. Assenza di interferenze elettromagnetiche durante l'attivazione.
9. Si evita il danneggiamento dei contatti a causa dell'urto meccanico.
10. Assenza di contatto fisico diretto tra i circuiti di controllo e di commutazione.
11. Possibilità di regolazione del carico.
12. Presenza di circuiti automatici di protezione contro i sovraccarichi negli SSR impulsivi.
13. Possibilità di utilizzo in ambienti esplosivi.

I suddetti vantaggi dei relè a stato solido non sono sempre sufficienti per il normale funzionamento delle apparecchiature. Ecco perché non hanno ancora sostituito completamente i contattori elettromeccanici.

Per un funzionamento stabile dei potenti relè a stato solido è importante un'efficace dissipazione del calore, perché a temperature elevate la tensione di carico si distorce bruscamente (+)

Gli SSR presentano anche svantaggi che ne impediscono l'uso in molti casi.

Tra gli svantaggi si annoverano:

1. Impossibilità di funzionamento della maggior parte dei dispositivi con tensioni superiori a 0,5 kV.
2. Costo elevato.
3. Sensibilità alle correnti elevate, soprattutto nei circuiti di avviamento dei motori elettrici.
4. Limitazioni d'uso in condizioni di elevata umidità.
5. Riduzione critica delle prestazioni operative a temperature inferiori a -30°C e superiori a +70°C.
6. Il corpo compatto porta a un riscaldamento eccessivo del dispositivo sotto carichi costantemente elevati, richiedendo l'uso di dispositivi speciali di raffreddamento passivo o attivo.
7. Possibilità di fusione del dispositivo a causa del riscaldamento in caso di cortocircuito.
8. Le microcorrenti nello stato spento del relè possono essere critiche per il funzionamento dell'apparecchiatura. Ad esempio, le lampade fluorescenti collegate alla rete possono accendersi periodicamente.

Pertanto, i relè a stato solido hanno ambiti di applicazione specifici. Nei circuiti di apparecchiature industriali ad alta tensione, il loro uso è fortemente limitato a causa delle proprietà fisiche imperfette dei materiali semiconduttori.

Tuttavia, negli elettrodomestici e nell'industria automobilistica, i TTR occupano una posizione solida grazie alle loro proprietà positive.

Possibili schemi di collegamento

Gli schemi di collegamento dei relè a stato solido possono essere molto vari. Ogni circuito elettrico viene costruito in base alle caratteristiche del carico collegato. Al circuito possono essere aggiunti fusibili aggiuntivi, controller e dispositivi di regolazione.

Grazie al fatto che i circuiti di controllo e di carico nel dispositivo non si sovrappongono, le loro caratteristiche elettriche possono differire per qualsiasi parametro (+)

Di seguito verranno presentati gli schemi di collegamento più semplici e comuni dei TTR:

• normalmente aperto;
• con circuito accoppiato;
• normalmente chiuso;
• trifase;
• reversibile.

Schema normalmente aperto (a riposo) – relè in cui il carico è sotto tensione in presenza di un segnale di controllo. Cioè, l'apparecchiatura collegata si trova in uno stato spento quando gli ingressi 3 e 4 sono diseccitati.

Prima di acquistare un relè, è necessario determinare il tipo di stato iniziale richiesto (chiuso o aperto) per garantire il corretto funzionamento dell'apparecchiatura collegata (+)

Schema normalmente chiuso – si intende un relè in cui il carico è sotto tensione in assenza di segnale di controllo. Cioè, l'apparecchiatura collegata si trova in stato di funzionamento quando gli ingressi 3 e 4 sono diseccitati.

Esiste uno schema di collegamento del relè a stato solido in cui la tensione di controllo e quella di carico sono uguali. Questo metodo può essere utilizzato contemporaneamente per il funzionamento in reti a corrente continua e alternata.

Relè trifase vengono collegati secondo principi leggermente diversi. I contatti possono essere collegati nelle configurazioni "Stella", "Triangolo" o "Stella con neutro".

La scelta dello schema di collegamento trifase del relè dipende in gran parte dalle caratteristiche operative dell'apparecchiatura ad esso collegata come carico

Relè a stato solido reversibili vengono utilizzati nei motori elettrici nella modalità corrispondente. Sono realizzati in versione trifase e includono due circuiti di controllo.

Se per il relè è importante rispettare la polarità dei contatti, sulla marcatura sarà sempre indicato dove collegare la fase e il neutro

È necessario assemblare i circuiti elettrici con i relè a stato solido (SSR) solo dopo averli prima disegnati su carta, perché i dispositivi collegati in modo errato possono guastarsi a causa di un cortocircuito.

Applicazione pratica dei dispositivi

L'ambito di utilizzo dei relè a stato solido è piuttosto ampio. Grazie all'elevata affidabilità e all'assenza di necessità di manutenzione regolare, vengono spesso installati in punti difficili da raggiungere delle apparecchiature.

In molti relè, il collegamento dei fili del circuito di controllo richiede il rispetto della polarità, cosa da considerare durante l'installazione dell'apparecchiatura.

I principali ambiti di applicazione degli SSR sono:

• sistema di termoregolazione con l'uso di resistenze elettriche;
• mantenimento di una temperatura stabile nei processi tecnologici;
• controllo del funzionamento dei trasformatori;
• regolazione dell'illuminazione;
• schemi di sensori di movimento, illuminazione, fotosensori per illuminazione stradale ecc.;
• controllo dei motori elettrici;
• gruppi di continuità.

Con l'aumento dell'automazione degli elettrodomestici, i relè a stato solido stanno diventando sempre più diffusi, e le tecnologie a semiconduttore in continua evoluzione aprono costantemente nuovi campi di applicazione.

Se lo si desidera, è possibile assemblare un relè a stato solido da soli. Le istruzioni dettagliate sono fornite in questo articolo.

Conclusioni e video utili sull'argomento

I video presentati aiuteranno a comprendere meglio il funzionamento dei relè a stato solido e a conoscere le modalità di collegamento.

Dimostrazione pratica del funzionamento del più semplice relè a stato solido:

Analisi delle varietà e delle caratteristiche di funzionamento dei relè a stato solido:

Test del funzionamento e del grado di riscaldamento degli SSR:

Praticamente chiunque può assemblare un circuito elettrico con un relè a stato solido e un sensore.

Tuttavia, la progettazione dello schema di lavoro richiede conoscenze di base in elettrotecnica, perché un collegamento errato può provocare scosse elettriche o cortocircuiti. D'altro canto, con azioni corrette si possono ottenere molti dispositivi utili per la casa.

Ha qualcosa da aggiungere o ha domande sul collegamento e l'uso dei relè a stato solido? Può lasciare commenti al post, partecipare alle discussioni e condividere la sua esperienza con questi dispositivi. Il modulo di contatto si trova nel blocco inferiore.