Un’introduzione ai relè di potenza

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Di Jeff Smoot, CUI Devices

Come notato in molti dei nostri altri blog tecnici su questo argomento, i relè sono fondamentalmente interruttori che controllano altri interruttori. Usano un segnale a bassa potenza per controllare un circuito di potenza superiore. L’avvio del segnale di bassa potenza eccita un elettromagnete che muove un’armatura e provoca la chiusura dei contatti elettrici, inviando energia al circuito controllato.

Questo design isola efficacemente il segnale a bassa potenza dal circuito ad alta potenza, proteggendo l’operatore e le apparecchiature da danni. Consente, inoltre, il controllo di un dispositivo o di un sistema a distanza. I relè elettromeccanici esistono dal 1835 e, anche se i loro componenti e la loro varietà sono diventati più sofisticati e raffinati nel corso degli anni, la loro funzione di base rimane la stessa.

Cosa sono i relè di potenza?

Tutti i relè elettrici controllano la potenza, ma non tutti i relè sono correttamente definiti “relè di potenza”. Per essere più precisi, i relè di potenza sono prodotti specificamente progettati per gestire la commutazione di corrente ad alto livello, da diversi amplificatori a quantità molto più elevate. La capacità integrata dei contatti dei relè di potenza per gestire correnti più grandi, insieme alle loro dimensioni più grandi e alle bobine più robuste, rende i relè di potenza una buona scelta quando si commutano correnti generalmente superiori a 10 ampere. Alcuni esempi di utilizzo includono sistemi automobilistici, ascensori, attuatori di valvole o dispositivi con elevati sbalzi di corrente iniziali, come motori, solenoidi, alimentatori o ballast.

Archi di contatto e vantaggi del relè di potenza

Come la maggior parte degli altri componenti elettrici, tutti i relè hanno alcune limitazioni in termini di potenza che possono gestire in sicurezza. Ogni modello ha una potenza massima per la potenza che può essere controllata, consentendo loro di essere abbinati in modo efficiente a carichi a bassa potenza come le lampadine e a carichi ad alta potenza come i grandi motori. Se la potenza nominale del relè viene superata, tuttavia, è probabile che si verifichino danni permanenti al relè.

Se i contatti non sono perfettamente allineati, ciò può anche causare un arco di contatto nel relè, ovvero il flusso di corrente attraverso l’intercapedine d’aria tra i contatti nel relè, quando sono aperti ma vicini l’uno all’altro. Il pericolo di scintille e calore non è l’unico effetto negativo dell’arco. L’arco può anche danneggiare il relè erodendo i contatti e danneggiare le apparecchiature vicine, generando interferenze elettriche indesiderate.

Arco nei relè elettromeccanici

Questo problema viene risolto utilizzando i relè di potenza, che vengono in genere impiegati per gestire i carichi elettrici di dispositivi ad alta corrente come riscaldatori, motori, matrici di illuminazione e altre apparecchiature industriali. I valori nominali di corrente e tensione più elevati dei relè di potenza sono abilitati in gran parte attraverso l’uso di materiali di contatto degli interruttori che sono significativamente diversi dai normali relè.

Una parola sui materiali di contatto dei relè

Il flusso di corrente attraverso i contatti di un relè incontra una resistenza, che dipende dalle dimensioni e dal materiale utilizzato nei contatti. Aumentando la resistenza, aumenta la potenza consumata all’interno del relè stesso e il calore generato. Uno dei modi per abbassare la resistenza di contatto è attraverso la selezione del materiale con cui sono realizzati.

Generalmente, i relè comuni utilizzano contatti in nichel argentato. Questo metallo è stato utilizzato nei relè sin dalla loro introduzione ed è in genere buono per commutare carichi resistivi (carichi semplici in cui la corrente e la tensione sono in fase tra loro).

I relè classificati per carichi più elevati (relè di potenza) utilizzano contatti in ossido di cadmio d’argento, ossido di stagno d’argento o una lega d’oro e sono adatti per commutare carichi induttivi (corrente e tensione non sono sincronizzate tra loro, e a volte causano grandi picchi di corrente o tensione). Entrambi questi materiali di contatto offrono una minore resistenza elettrica e una saldatura a contatto ridotta da correnti di spunto elevate. L’uso dell’ossido di stagno d’argento evita i problemi ambientali causati dalle leghe che utilizzano il cadmio, che è regolamentato da alcuni paesi.

Relè di potenza vs. Relè di segnale

I relè di potenza e i relè di segnale sono le due varianti più popolari di un relè generale e possono beneficiare di un confronto più diretto. È importante sottolineare che i relè di potenza hanno un minor numero di cicli di vita, ma hanno a che fare con tensioni e correnti più elevate. I relè di segnale prevedono un ciclo di vita più elevato, ma hanno a che fare con tensioni inferiori e quantità minime di corrente. Queste differenze di utilizzo richiedono approcci significativamente diversi nella loro costruzione. A causa di questa differenza nella costruzione, mentre i relè di potenza sono una scelta eccellente per la commutazione di dispositivi ad alta potenza, non sono una buona scelta per l’uso con dispositivi a bassa potenza. Le caratteristiche dei materiali di contatto utilizzati nei relè di potenza non sono ideali per la commutazione a bassa potenza. Questo perché, più bassa è la tensione che viene commutata, più critica è la connessione fisica tra i contatti, che è controllata dalla pressione di contatto e dalla pulizia dei contatti e non dal materiale utilizzato. Ovviamente, un relè di segnale utilizzato per un’applicazione di potenza molto probabilmente si guasterà catastroficamente a causa di sovratensione o sovracorrente. Anche se riesce a sopravvivere, mancherà comunque di caratteristiche importanti come la prevenzione dell’arco e l’autopulizia del contatto. Quando si tratta di scegliere tra i due tipi, la linea guida più importante da seguire è quella di abbinare sempre il livello di potenza che viene commutato con la potenza nominale del relè. Puoi approfondire la tua conoscenza dei relè di segnale per dispositivi a bassa potenza nel nostro post sul blog intitolato Un’introduzione ai relè di segnale.

Tipi di relè di potenza

Come per i relè normali, i relè di potenza sono disponibili in due tipologie di base: elettromeccanici e allo stato solido. I relè di potenza elettromeccanici utilizzano bobine elettriche, campi magnetici, molle, armature mobili e contatti per controllare l’alimentazione di un dispositivo.

I relè statici per applicazioni ad alta potenza commutano entrambe le correnti CA o CC senza utilizzare parti mobili. Usano invece un semiconduttore, come un raddrizzatore controllato al silicio (SCR), un TRIAC (triodo per corrente alternata) o un transistor di commutazione per commutare la corrente. Mentre i relè a stato solido vengono utilizzati per commutare carichi ad alta potenza, il calcolo costi/benefici si erode all’aumentare della domanda di energia a causa dell’aumento dei costi dei semiconduttori di potenza appropriati e della necessità di componenti aggiuntivi di gestione termica.

Relè a stato solido con dissipatore di calore in alluminio

Configurazioni e valori nominali dei relè di potenza

Come i normali relè, i relè di potenza sono classificati in base alla configurazione o alla descrizione del contatto, indicando il numero di dispositivi che possono controllare contemporaneamente. Le classificazioni più comuni sono:

• SPST – Singolo polo, singolo contatto
• DPDT – Doppio polo, doppio contatto
• 3PDT – Triplo polo, doppio contatto
• SP3T – Singolo polo, triplo contatto

I contatti del relè sono elencati come normalmente aperti (NO) o normalmente chiusi (NC) a seconda dello stato in cui si trovano quando non viene applicata alcuna alimentazione al relè.

I valori nominali dei relè si riferiscono alla quantità di potenza che può essere commutata in modo sicuro ed efficiente dal relè. Questa valutazione è solitamente espressa come CA o CC, o entrambe, e in termini di ampere. Il livello nominale di un relè deve essere grande quanto il livello nominale del dispositivo da commutare con un fattore di sicurezza incluso.

Esattamente come con i relè non di potenza, i relè di potenza possono essere descritti usando i termini “Forma”. Frasi come “1 Forma A” o “2 Forma C” dicono due cose sul relè. Il numero prima di “Forma” indica quanti dei contatti descritti sono disponibili nel relè, in quanto possono esserci più interruttori a relè all’interno di una singola unità. Forma A significa che il relè è normalmente aperto e Forma B significa che il relè è normalmente chiuso. La Forma C è applicabile solo ai relè SPDT e indica quale posizione è considerata la posizione normalmente chiusa e anche che il relè è “break-before-make”. La Forma D è la stessa della Forma C, ma è di tipo “make-before-break”. Esistono molte altre forme, ma queste quattro sono le più comunemente utilizzate. In altre parole:

• Forma A – normalmente aperto
• Forma B – normalmente chiuso
• Forma C – Interruttori SPDT break-before-make
• Forma D – Interruttori SPDT make-before-break

Selezione di un relè di potenza

Il processo di selezione del relè di potenza corretto in base all’applicazione è abbastanza semplice e consiste nei seguenti passaggi:

1. Identificare la tensione nominale di carico e il tipo necessari
2. Identificare la corrente nominale di carico necessaria
3. Determinare la disposizione del circuito/la commutazione necessaria
4. Determinare la tensione e il tipo di controllo necessari
5. Determinare il tipo di montaggio richiesto

Per un relè a stato solido i passaggi sono gli stessi, ma si dovrebbe anche identificare il tipo di carico (induttivo o resistivo) e decidere se sia necessario un SSR standard o speciale. È inoltre necessario determinare la quantità di calore da dissipare dal dispositivo e una soluzione per gestirlo.

Altre considerazioni sulla progettazione

I relè di potenza funzionano come i normali relè, il che significa che ci sono considerazioni simili da affrontare nella fase di specifica del dispositivo. Alcune di queste considerazioni includono:

• Sovratensioni in ingresso: alcuni dispositivi possono produrre sovratensioni significative all’avvio, che devono essere determinate prima della specifica del relè per evitare danni al dispositivo.
• Soppressione bobina: transitori di alta tensione possono essere generati durante il ciclo di un relè. La soppressione della bobina impiega componenti aggiuntivi nel circuito per proteggere le apparecchiature da questi transitori, ma ciò può ridurre il ciclo di vita del relè. È necessario determinare se è necessaria una specifica strategia di soppressione della bobina.
• Passo-passo: un relè passo-passo manterrà la sua ultima posizione di contatto anche dopo che la potenza di attivazione è stata rimossa. Questa potrebbe essere una funzionalità necessaria per la tua applicazione.
• Rumore: il rumore EMI o RFI può essere prodotto da relè, e può essere più pronunciato nei dispositivi ad alta potenza. La sensibilità a questo rumore da parte del dispositivo o del sistema deve essere determinata in anticipo.
• Rimbalzo dei contatti: mentre il relè è in funzione, i contatti possono passare attraverso più cicli di apertura/chiusura molto brevi, noti come Rimbalzo dei contatti, che genera impulsi elettrici. A seconda della sensibilità dell’applicazione, ciò può produrre effetti indesiderati. Prima della specifica del relè, bisognerebbe stabilire se il rimbalzo del contatto sarà importante.

Il rimbalzo del contatto e le conseguenti tensioni che cambiano rapidamente

Riepilogo

I relè sono dispositivi collaudati, efficienti ed efficaci che offrono un controllo elettrico sicuro di dispositivi e sistemi a distanza e isolano anche il controllore dalla corrente operativa. I relè di potenza sono relè elettromeccanici o allo stato solido che sono stati progettati con caratteristiche robuste aggiuntive per gestire tensioni e correnti più elevate. Mentre determini i requisiti di commutazione della potenza dei relè del tuo prodotto, CUI Devices è qui per soddisfare le tue esigenze di commutazione di corrente di basso livello o di alto livello con una vasta gamma di relè di potenza e relè di segnale.

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