Relè elettromagnetico: dispositivo, marcatura, tipi + dettagli di collegamento e regolazione

La conversione dei segnali elettrici nella corrispondente grandezza fisica — movimento, forza, suono, ecc. — viene effettuata tramite attuatori. L'attuatore va classificato come un convertitore, poiché questo dispositivo trasforma un tipo di grandezza fisica in un altro.

L'attuatore viene solitamente attivato o controllato da un segnale di comando a bassa tensione. Viene ulteriormente classificato come dispositivo binario o continuo in base al numero di stati stazionari. Ad esempio, il relè elettromagnetico è un attuatore binario, dato che ha due stati stazionari: acceso — spento.

In questo articolo vengono analizzati in dettaglio i principi di funzionamento del relè elettromagnetico e l'ambito di utilizzo dei dispositivi.

Princìpi di realizzazione dell'attuatore

Il termine 'relè' è caratteristico dei dispositivi che garantiscono una connessione elettrica tra due o più punti tramite un segnale di comando.

Il tipo più comune e ampiamente utilizzato di relè elettromagnetico (REM) è la costruzione elettromeccanica.

Ecco come si presenta una delle numerose varianti di prodotti chiamati relè elettromagnetici. Qui viene mostrata la versione chiusa del meccanismo con un coperchio in plexiglass trasparente.

Lo schema di controllo fondamentale di qualsiasi apparecchiatura prevede sempre la possibilità di accensione e spegnimento. Il modo più semplice per eseguire queste operazioni è utilizzare interruttori di blocco dell'alimentazione.

Gli interruttori a comando manuale possono essere utilizzati per il controllo, ma presentano degli svantaggi. Il loro evidente svantaggio è l'impostazione degli stati 'acceso' o 'spento' per via fisica, cioè manualmente.

I dispositivi di commutazione manuale sono generalmente ingombranti, ad azione lenta e in grado di commutare correnti ridotte.

Meccanismo di commutazione manuale – un «lontano parente» dei relè elettromagnetici. Offre la stessa funzionalità – commutazione delle linee di lavoro, ma viene gestito esclusivamente a mano.

Nel frattempo, i relè elettromagnetici sono rappresentati principalmente da interruttori a controllo elettrico. Gli apparecchi hanno forme e dimensioni diverse e sono suddivisi in base al livello di potenza nominale. Le loro possibilità di applicazione sono ampie.

Tali apparecchi, dotati di una o più coppie di contatti, possono far parte di un'unica struttura di meccanismi di attuazione di potenza più grandi – i contattori, che vengono utilizzati per la commutazione della tensione di rete o di dispositivi ad alta tensione.

Princìpi fondamentali di funzionamento del relè elettromagnetico

Tradizionalmente, i relè di tipo elettromagnetico vengono utilizzati in circuiti elettrici (elettronici) di controllo della commutazione. Inoltre, vengono installati direttamente su circuiti stampati o in posizione libera.

Struttura generale del dispositivo

Le correnti di carico dei prodotti utilizzati vengono generalmente misurate da frazioni di ampere a 20 A e oltre. I circuiti a relè sono ampiamente diffusi nella pratica elettronica.

Apparecchi di configurazione molto diversa, progettati per l'installazione su schede elettroniche di montaggio o direttamente come dispositivo installabile separatamente.

La struttura del relè elettromagnetico converte il flusso magnetico, generato dalla tensione applicata in corrente alternata/continua, in una forza meccanica. Grazie alla forza meccanica ottenuta, viene effettuato il controllo del gruppo di contatti.

La struttura più comune è la forma del prodotto che include i seguenti componenti:

• bobina di eccitazione;
• nucleo in acciaio;
• telaio di supporto;
• gruppo di contatti.

Il nucleo in acciaio ha una parte fissa, chiamata bilanciere, e una parte mobile a molla, denominata armatura.

In sostanza, l'armatura completa il circuito del campo magnetico, chiudendo il traferro tra la bobina elettrica fissa e l'armatura mobile.

Dettaglio della struttura: 1 – molla di spinta; 2 – nucleo metallico; 3 – armatura; 4 – contatto normalmente chiuso; 5 – contatto normalmente aperto; 6 – contatto comune; 7 – bobina di filo di rame; 8 – bilanciere

L'armatura si muove su cerniere o ruota liberamente sotto l'azione del campo magnetico generato. In questo modo, vengono chiusi i contatti elettrici fissati all'armatura.

Di norma, la molla (o le molle) di ritorno, situata tra il bilanciere e l'armatura, riporta i contatti nella posizione iniziale quando la bobina del relè è in stato diseccitato.

Azione del sistema elettromagnetico a relè

La semplice struttura classica di un relè elettromagnetico ha due gruppi di contatti elettricamente conduttivi.

Di conseguenza, si realizzano due stati del gruppo di contatti:

1. Contatto normalmente aperto.
2. Contatto normalmente chiuso.

Di conseguenza, la coppia di contatti viene classificata come normalmente aperta (NO) o, in caso contrario, normalmente chiusa (NC).

Per i relè con contatti normalmente aperti, lo stato 'chiuso' si raggiunge solo quando la corrente di eccitazione passa attraverso la bobina induttiva.

Una delle due possibili opzioni di installazione predefinite del gruppo di contatti. Qui, in stato di bobina disalimentata, la posizione predefinita è normalmente chiusa.

Nell'altra opzione, la posizione normalmente chiusa dei contatti rimane costante quando la corrente di eccitazione è assente nel circuito della bobina. I contatti dell'interruttore tornano cioè alla loro posizione normale chiusa.

Pertanto, i termini 'normalmente aperto' e 'normalmente chiuso' devono essere riferiti allo stato dei contatti elettrici quando la bobina del relè è disalimentata, cioè quando la tensione di alimentazione del relè è disattivata.

Gruppi di contatti elettrici del relè

I contatti del relè sono solitamente rappresentati da elementi metallici conduttori che si toccano tra loro, chiudendo il circuito, agendo in modo simile a un semplice interruttore.

Quando i contatti sono aperti, la resistenza tra i contatti normalmente aperti viene misurata con un valore elevato in megaohm. Si crea così una condizione di circuito aperto, escludendo il passaggio di corrente nel circuito della bobina.

Il gruppo di contatti di qualsiasi interruttore elettromeccanico in modalità aperta ha una resistenza di diverse centinaia di megaohm. Il valore di questa resistenza può variare leggermente tra i diversi modelli.

Se invece i contatti sono chiusi, la resistenza di contatto dovrebbe teoricamente essere pari a zero — risultato di un cortocircuito.

Tuttavia, tale stato non si verifica sempre. Il gruppo di contatti di ogni singolo relè presenta una certa resistenza di contatto nello stato 'chiuso'. Tale resistenza è detta stabile.

Caratteristiche del passaggio delle correnti di carico

Per la pratica di installazione di un nuovo relè elettromagnetico, la resistenza di contatto in chiusura è di valore ridotto, solitamente inferiore a 0,2 Ω.

La spiegazione è semplice: i nuovi contatti rimangono ancora puliti, ma col tempo la resistenza del contatto aumenterà inevitabilmente.

Ad esempio, per contatti con corrente di 10 A, la caduta di tensione sarà 0,2x10 = 2 volt (legge di Ohm). Ne consegue che, se la tensione di alimentazione applicata al gruppo di contatti è di 12 volt, la tensione per il carico sarà di 10 volt (12-2).

Quando i contatti metallici si usurano, non essendo adeguatamente protetti da elevati carichi induttivi o capacitivi, diventa inevitabile la comparsa di danni dovuti all'effetto dell'arco elettrico.

Arco elettrico su uno dei contatti di un dispositivo elettromeccanico di commutazione. Questa è una delle cause di danneggiamento del gruppo di contatti in assenza di adeguate misure.

L'arco elettrico - la formazione di scintille sui contatti - porta all'aumento della resistenza di contatto delle estremità e, di conseguenza, a danni fisici.

Se si continua a utilizzare il relè in queste condizioni, i contatti possono perdere completamente la loro proprietà di contatto fisico.

Ma esiste un fattore più grave: quando, a seguito del danneggiamento dovuto all'arco, i contatti finiscono per saldarsi, creando condizioni di cortocircuito.

In tali situazioni, non è escluso il rischio di danneggiamento del circuito controllato dal relè elettromeccanico.

Ad esempio, se la resistenza di contatto è aumentata di 1 ohm a causa dell'influenza dell'arco elettrico, la caduta di tensione sui contatti per la stessa corrente di carico aumenta fino a 1×10=10 volt di corrente continua.

Qui, il valore della caduta di tensione sui contatti può essere inaccettabile per il circuito di carico, specialmente quando si lavora con tensioni di alimentazione di 12-24 V.

Tipo di materiale dei contatti del relè

Al fine di ridurre l'influenza dell'arco elettrico e delle elevate resistenze, i contatti dei moderni relè elettromeccanici vengono realizzati o rivestiti con varie leghe a base d'argento.

In questo modo si riesce a prolungare notevolmente la durata del gruppo di contatti.

Contatti delle piastre di contatto dei dispositivi elettromeccanici di commutazione. Qui sono presentate varianti di contatti placcati argento. Questo tipo di rivestimento riduce il fattore di danno.

Nella pratica si osserva l'utilizzo dei seguenti materiali con cui vengono trattati i contatti dei gruppi di contatto dei relè elettromagnetici (elettromeccanici):

• Ag — argento;
• AgCu — argento-rame;
• AgCdO — argento-ossido di cadmio;
• AgW — argento-tungsteno;
• AgNi — argento-nichel;
• AgPd — argento-palladio.

L'aumento della durata dei contatti dei gruppi di contatto dei relè, grazie alla riduzione del numero di formazioni di arco elettrico, si ottiene collegando filtri resistivo-capacitivi, chiamati anche smorzatori RC.

Questi circuiti elettronici vengono collegati in parallelo ai gruppi di contatto dei relè elettromeccanici. Il picco di tensione che si verifica al momento dell'apertura dei contatti, con questa soluzione appare di breve durata e sicuro.

Con l'uso di smorzatori RC si riesce a sopprimere l'arco elettrico che si forma sui contatti.

Realizzazione tipica dei contatti del relè elettromagnetico (REM)

Oltre ai classici contatti normali aperti (NO) e normali chiusi (NC), la meccanica della commutazione a relè prevede anche una classificazione in base all'azione.

Caratteristiche di realizzazione degli elementi di connessione

Le costruzioni dei relè di tipo elettromagnetico in questa variante consentono la presenza di uno o più contatti separati dell'interruttore.

Così appare il dispositivo, tecnologicamente configurato per l'esecuzione SPST – unipolare e unidirezionale. Esistono anche altre varianti di esecuzione.

L'esecuzione dei contatti è caratterizzata dal seguente insieme di abbreviazioni:

• SPST (Single Pole Single Throw) – unipolare unidirezionale;
• SPDT (Single Pole Double Throw) – unipolare bidirezionale;
• DPST (Double Pole Single Throw) – bipolare unidirezionale;
• DPDT (Double Pole Double Throw) – bipolare bidirezionale.

Ciascun elemento di collegamento viene indicato come 'polo'. Ognuno di essi può essere collegato o disinserito, attivando contemporaneamente la bobina del relè.

Dettagli sull'utilizzo dei dispositivi

Nonostante la semplicità costruttiva dei commutatori ad azione elettromagnetica, esistono alcune sottigliezze nella pratica di utilizzo di questi apparecchi.

Così, gli specialisti sconsigliano categoricamente di collegare in parallelo tutti i contatti del relè per commutare in questo modo un circuito di carico ad elevata corrente.

Ad esempio, collegare un carico da 10 A mediante collegamento in parallelo di due contatti, ciascuno dei quali è progettato per una corrente di 5 A.

Queste sottigliezze di montaggio sono dovute al fatto che i contatti dei relè meccanici non si chiudono e non si aprono mai in un unico istante di tempo.

Di conseguenza, uno dei contatti sarà comunque sovraccarico. E anche tenendo conto del sovraccarico di breve durata, il guasto prematuro del dispositivo in tale collegamento è inevitabile.

L'uso improprio, così come il collegamento del relè al di fuori delle regole di installazione stabilite, di solito si conclude con questo risultato. All'interno è bruciato praticamente tutto il contenuto.

I dispositivi elettromagnetici possono essere utilizzati all'interno di circuiti elettrici o elettronici a basso consumo energetico come interruttori di correnti e tensioni relativamente elevate.

Tuttavia, è categoricamente sconsigliato far passare tensioni di carico diverse attraverso contatti adiacenti dello stesso dispositivo.

Ad esempio, commutare una tensione di corrente alternata a 220 V e una tensione di corrente continua a 24 V. È sempre opportuno utilizzare dispositivi separati per ciascuna variante per garantire la sicurezza.

Tecniche di protezione dalla tensione inversa

Un componente significativo di qualsiasi relè elettromeccanico è la bobina. Questo componente rientra nella categoria dei carichi ad alta induttanza, poiché ha un avvolgimento di filo.

Qualsiasi bobina avvolta con filo possiede una certa impedenza, composta dall'induttanza L e dalla resistenza R, formando così un circuito serie LR.

Mentre la corrente scorre attraverso la bobina, si crea un campo magnetico esterno. Quando il flusso di corrente nella bobina si interrompe in modalità 'spento', il flusso magnetico aumenta (teoria della trasformazione) e si genera un'elevata tensione inversa di forza elettromotrice (FEM).

Questo valore indotto di tensione inversa può superare di diverse volte la tensione di commutazione.

Di conseguenza, sussiste il rischio di danneggiare qualsiasi componente a semiconduttore posizionato vicino al relè. Ad esempio, un transistor bipolare o a effetto di campo utilizzato per fornire tensione alla bobina del relè.

Varianti circuitali che garantiscono la protezione degli elementi di controllo a semiconduttore – transistor bipolari e a effetto di campo, circuiti integrati, microcontrollori.

Uno dei metodi per prevenire il danneggiamento del transistor o di qualsiasi dispositivo di commutazione a semiconduttore, inclusi i microcontrollori, è l'opzione di collegare un diodo polarizzato inversamente nel circuito della bobina del relè.

Quando la corrente che scorre attraverso la bobina subito dopo lo spegnimento genera una forza elettromotrice inversa indotta, questa tensione inversa apre il diodo polarizzato inversamente.

Attraverso il semiconduttore, l'energia accumulata viene dissipata, prevenendo così il danneggiamento del semiconduttore di controllo – transistor, tiristore, microcontrollore.

Il semiconduttore spesso incluso nel circuito della bobina viene anche chiamato:

• diodo volano;
• diodo di shunt;
• diodo inverso.

Tuttavia, non c'è una grande differenza tra gli elementi. Svolgono tutti la stessa funzione. Oltre all'uso di diodi polarizzati inversamente, vengono utilizzati anche altri dispositivi per proteggere i componenti a semiconduttore.

Le stesse reti RC di smorzamento, varistori a ossido di metallo (MOV), diodi Zener.

Marcatura dei dispositivi relè elettromagnetici

Le designazioni tecniche, che portano informazioni parziali sui dispositivi, vengono solitamente indicate direttamente sul telaio del dispositivo di commutazione elettromagnetico.

Tale designazione appare come un'abbreviazione abbreviata e un insieme numerico.

Ogni dispositivo di commutazione elettromeccanico viene tradizionalmente marcato. Sul corpo o sul telaio viene applicato approssimativamente un insieme di simboli e cifre che indicano determinati parametri.

Esempio di marcatura sul corpo dei relè elettromeccanici:

RES32 RF4.500.335-01

Questa scritta viene decifrata come: relè elettromagnetico a bassa corrente, serie 32, conforme all'esecuzione secondo il passaporto RF4.500.335-01.

Tuttavia, tali designazioni sono rare. Più spesso si incontrano varianti abbreviate senza indicazione esplicita del GOST:

RES32 335-01

Inoltre, sul telaio (sul corpo) del dispositivo viene indicata la data di fabbricazione e il numero di lotto. Informazioni dettagliate sono contenute nella scheda tecnica del prodotto. Ogni dispositivo o lotto viene fornito con la scheda tecnica.

Conclusioni e video utili sull'argomento

Il video spiega in modo divulgativo come funziona l'elettronica elettromeccanica di commutazione. Vengono evidenziate chiaramente le sottigliezze costruttive, le particolarità dei collegamenti e altri dettagli:

I relè elettromeccanici sono utilizzati come componenti elettronici già da molto tempo. Tuttavia, questo tipo di dispositivi di commutazione può essere considerato moralmente obsoleto. Ai dispositivi meccanici subentrano sempre più spesso apparecchi più moderni – puramente elettronici. Un esempio di ciò è il relè a stato solido.

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