Relè a stato solido: caratteristiche e vantaggi

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È fuori dubbio che i progettisti di circuiti elettronici possono trarre considerevoli vantaggi dall’utilizzo di relè realizzati a stato solido (Solid State Relay, SSR) rispetto a quelli tradizionalmente realizzati con elettromeccanismi (Electromechanical Re-lay, EMR). Pur realizzando la stessa funzione circuitale, i nuovi SSR possono rimpiazzare i loro predecessori in tutti quei circuiti dove ne è presente un impiego massiccio come in molte applicazioni per telecomunicazioni e nei settori industriali e della sicurezza. I vantaggi offerti dai nuovi relè a stato solido sono disparati presentando aspetti positivi in numerose specifiche tanto da divenire delle interessanti soluzioni a numerose problematiche. Il principale vantaggio particolarmente apprezzato dai progettisti di circuiti elettronici è la loro compattezza. Infatti, grazie alle dimensioni ridotte permettono più facili integrazioni conservando ovviamente, la loro funzionalità. Inoltre, non avendo parti meccaniche in movimento avranno un maggiore tempo di vita grazie all’assenza di parti degradabili. I relè a stato solido, a differenza dei loro predecessori, non necessitano di complicati circuiti di pilotaggio. Questo permetterà un più semplice e veloce progetto di circuiti che ne faranno utilizzo con costi decisamente inferiori. Il funzionamento basato su semiconduttori permette ai relè a stato solido, a differenza di quelli elettromeccanici, di fare a meno di grandi dissipatori di calore andando a diminuire i costi e gli ingombri.

Vantaggi dei SSR

Il più grosso vantaggio presentato dai nuovi SSR rispetto ai tradizionali EMR è, come accennato precedentemente, il loro ingombro ridotto. Questo vantaggio sarà ovviamente maggiormente apprezzato in tutte quelle applicazioni in cui l’ingombro di schede elettroniche risulterà un fattore critico. Le dimensioni contenute dei SSR si rifletteranno immediatamente sulle schede elettroniche che li ospitano sia in termini d’occupazioni di spazio che d’interazione elettromagnetica, di rumore generato o di sensibilità elettromagnetica. I relè elettromeccanici hanno come principio di funzionamento la presenza di campi magnetici che, sfortunatamente non sono confinati all’interno del componente. Come conseguenza si potrebbe avere l’interazione del campo generato con altri elettromeccanismi situati vicino a quello emittente. Per diminuire l’effetto di queste interazioni magnetiche si potrebbe aumentare la distanza che separa due EMR con conseguenti costi aggiuntivi dovuti a ingombri maggiori (si veda la figura 1). Questi possono essere considerati come un onere aggiuntivo legato all’utilizzo dei EMR rispetto ai SSR. I relè a stato solido, come delineato in precedenza, avendo un principio di funzionamento differente non avranno come conseguenza la generazione o sensibilità a campi elettromagnetici. Un altro vantaggio dei SSR rispetto ai EMR è l’assenza di rumore elettrico o addirittura udibile. I relè elettromeccanici utilizzando per il loro funzionamento campi elettromagnetici dovranno essere alimentati con correnti relativamente alte che inevitabilmente causeranno la presenza di rumore elettronico dovuto, per esempio, ad accoppiamento elettromagnetico tra circuiti adiacenti.

Oltre a questa spiacevole fonte di rumore, gli EMR, presentando dispositivi meccanici potrebbero mostrare rumore udibile dovuto per esempio a vibrazioni non desiderate. I relè a stato solido, viceversa, essendo dei circuiti integrati, non presenteranno rumore udibile o elettronico, o problemi di progetto legati alla loro posizione sulla scheda elettronica che li ospita. Un altro importante fattore che deve essere tenuto in considerazioni nel momento in cui si progettano circuiti con relè elettromeccanici è rappresentato dall’eventuale presenta di urti o vibrazioni. Gli EMR sono, per loro stessa natura, più sensibili ad urti o vibrazioni meccaniche rispetto ai nuovi SSR. Inoltre in fase di progetto di circuiti utilizzanti EMR si dovrà tenere conto della direzione dalla quale un movimento fisico o una vibrazione è attesa. Tutto questo, ovviamente, rappresenterà una complicazione per il progettista che inevitabilmente si ripercuoterà sui tempi di sviluppo e dunque sui costi. I relè a stato solido, viceversa, non presentando parti in movimento, saranno insensibili ad urti o vibrazioni e non richiederanno dunque particolari attenzioni in fase di progetto. Il costo di una scheda elettronica è dovuto in larga parte ad oneri legati al montaggio dei componenti. Da una stima di costi si è potuto evincere che il montaggio manuale di un componente su una scheda elettronica può costare dalle venti a più di cento volte il costo del montaggio automatizzato. Questo è dovuto a diversi fattori come l’onere derivante dall’inserzione del componente, la sua saldatura e la successiva ispezione.
Nel caso di un montaggio automatizzato tutto questo si evita permettendo così un risparmio di costi e tempo. I relè a semiconduttore permettono a differenza di quelli elettromeccanici un montaggio automatizzato. Un ulteriore potenziale pericolo proveniente dall’utilizzo di relè elettromeccanici potrebbe venire in fase di realizzazione della scheda dalla fase di saldatura.

Gli EMR sono costituiti da spire, armature o altre inserzioni metalliche che potrebbero subire danneggiamenti durante la fase di saldatura. Questo delicato momento del processo produttivo è caratterizzato da alte temperatura vicino al componente che, inevitabilmente, sarà sottoposto a uno stress di natura termica che potrebbe portarlo addirittura alla rottura. I relè a stato solido non presentano questo problema e permettono il montaggio su entrambe le superfici della scheda. Pur essendo difficile da quantificare, è chiaro come il consenso d’industrie manifatturiere sia orientato verso processi uniformi che non richiedono tecnologie miste. Dunque la tendenza oramai consolidata è quella di avere flussi di processo semplici e integrati.

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