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I relè sono apparecchiature elettromeccaniche che permettono di manovare contatti di apertura e chiusura di circuiti elettrici (wikipedia).rel grande

La chiusura e l'apertura di un circuito rappresentano la manovra principale da fare quando si vuole accendere o spegnere una luce, un forno, un motore e cose di questo genere.

Uno schema sempificato di un relè prevede:releSchema

  • un contatto di comando Cc, a sinistra, per comandare il passaggio della corrente nella bobina;
  • una bobina che magnetizza un elettromagnete quando è percorsa da corrente;
  • un ancora che si sposta quando viene attratta dall'elettromagnete;
  • una molla di richiamo che riporta indietro l'ancora quando l'elettromagnete non è più eccitato;
  • una coppia di contatti di potenza Cp, a destra, uno che si apre e uno che si chiude quando l'ancora viene agganciata dall'elettromagnete (nota 1).

Messa in questi termini, il relè serve a chiudere il contatto Cc per chiudere il contatto N.A. 

Che bisogno c'è di chiudere un contatto per chiudere un altro contatto?

Perché non si manovra direttamente il contatto finale?

In altre parole: a cosa serve un relè visto che i contatti riproducono la posizione dell'interruttore e, per giunta, ci vuole un'alimentazione aggiuntiva?

Ecco alcuni casi che spiegano l'utilità dei relè:

  •  i contatti Cp da chiudere riguardano parti di impianto a tensione più alta mentre Il contatto di manovra Cc si trova da un lato a tensione più bassa e di sicurezza;
  •  i contatti da chiudere si trovano in locali pericolosi o molto lontani o scomodi da raggiungere (quindi è un telecomando);
  • il contatto Cc di comando può essere attivato da eventi fisici e ambientali come si fa con i finecorsa degli ascensori, con gli interruttori crepuscolari delle scale, con i termostati dei forni casalinghi … in modo che non ci sia bisogno dell'intervento di un operatore;
  • ogni volta che sia necessario interporre un isolamento galvanico fra il circuito di comando e circuito di potenza come quando il circuito di comando è costruito con componenti elettronici che sono fortemente sensibili alle sovratensioni e comunque sono in genere alla portata di mano degli operatori;
  • quando funge da amplificatore di potenza a due valori acceso/spento in quanto con pochi volt e pochi milliampère si possono comandare apparati che controllano migliaia di volt e migliaia di ampère;
  • quando è necessario consentire la manovra su circuiti a corrente alternata a partire da circuiti in corrente continua;
  • quando serve fungere da memoria all'interno di un circuito complesso o invertire il tipo di manovra ai contatti usando il contatto normalmente chiuso
  • ...

magari non sono tutti ma questi li considero sufficienti!

In apparecchiature di comando realizzate con computer o micro controllori, per loro natura funzionanti in corrente continua a bassa tensione, è spesso necessario utilizzare il relè  per manovrare apparecchi che funzionano in corrente alternata e magari a tensione di rete: è il caso dell'interfacciamento necessario fra Arduino o micro:bit quando si vogliono accendere o spegnere luci e motori di potenza che superano le caratteristiche di uscita dei Pin ( che sopportano nemmeno cinque volt e consentono qualche milliampere).

Nota. Non esistono solo relè elettromeccanici, oggi sono disponibili relè elettronici che utilizzano le proprietà degli optotransistor, dei MOSFET, dei TRIAC per realizzare le funzioni dei relè elettromeccanici come la separazione galvanica, l'amplificazione di potenza, il comando di circuiti in alternata a tensione di rete.

Caratteristiche dei relè 

I relè sono composti da due circuiti elettrici separati:

  • un circuito di comando, costituito dalla bobina, da collegare a circuiti a bassa tensione ed
  • un circuito di potenza che comprende il contatto normalmente aperto ed il contatto normalmente chiuso da collegare ad apparecchi funzionanti a tensioni, correnti e regimi diversi.

Dati di targa

Un relè deve essere utilizzato con attenzione ai suoi dati di impiego (dati di targa) che sono:rel piccolo

  • tensione di alimentazione della bobina, che deve essere la stessa in uscita dei pin dal micro circuito;
  • corrente assorbita dalla bobina quando è alimentata o la resistenza ohmica della bobina;
  • tensione di funzionamento nei contatti di potenza, che deve essere maggiore o uguale a quella dei circuiti da comandare;
  • massima corrente erogabile sui circuiti di potenza;
  • tensione di isolamento fra i due circuiti.

Nella figura si vedono alcuni dati come:

  • alimentazione bobina 12V DC (corrente continua);
  • la corrente e tensione che possono sopportare i contatti di potenza sottoposti a corrente alternata 1A e 125V;
  • la corrente e tensione che possono sopportare i contatti di potenza sottoposti a corrente continua 2A e 30V;.

Sui data sheet del relè si trovano la resistenza interna o la corrente assorbita oppure il valore tipico della resistenza della bobina. 

È necessario conoscere il valore della corrente assorbita per sapere se il circuito di uscita della scheda elettronica è in grado di fornirla senza danni da sovraccarico.

Questi dati devono essere conosciuti prima del suo impiego.

Come si collega un relè ad arduino o micro:bit

Per collegare direttamente un relè ad Arduino è necessario che il relè funzioni a 5 V d assorba meno di 40 mA.

Va peggio per microbit in quanto è necessario che il relè funzioni a 3,3 V d assorba meno di 5 mA (nota 2).

I relè sono apparati on-off, i contatti di uscita o sono chiusi o sono aperti.arduinorel

Per chiudere i contatti NA bisogna alimentare la bobina alla tensione prevista dal costruttore, per aprirli è necessario alimentare la bobina a 0 V oppure scollegarla dal circuito.

Le uscite digitali dei microcontrollori come Arduino e micro:bit forniscono proprio la doppia tensione necessaria.

Il comando avviene utilizzando il circuito di uscita dei pin che consente di alimentare il relè con la tensione di alimentazione 5 o 3 volt quando l'uscita è alta (on, high level) e di alimentare il relè con la tensione 0 volt quando l'uscita è bassa (ground, low level).

Uno schema di funzionamento delle porte logiche in uscita dei pin è trattato in questi articoli:

- per Arduino link1;

- per microbit link1.

Velocità di manovra

Il cambio di posizione dell'ancora richiede un po' di tempo, decine di millisecondi.

Sequenze rapide di aperture e chiusure sono possibili, ma ci sono limiti meccanici insuperabili dati dalla massa dell'apparato mobile e dalla forza delle molle e limiti elettrici dati dall'inerzia della bobina che è l'induttanza.

Questi parametri fissano la massima frequenza di commutazione del relè.

Diodo di libera circolazione

L'interruzione della corrente di un circuito induttivo, come è la bobina del relè, produce sempre sovratensioni che possono distruggere il dispositivo elettronico, vedi uno studio di questo problema in questo articolo link1.

Per questo motivo è sempre necessario collegare un diodo in parallelo alla bobina: è il diodo di libera circolazione.

Con il catodo dal lato positivo, il diodo non assorbirà corrente quando il relè è alimentato ma in caso di interruzione del circuito il diodo permette la circolazione della cosiddetta extra corrente di apertura perchè diventerà positivo dal lato dell'anodo impedendo la produzione delle sovratensioni distruttive (nota 3) (nota 4).

 

Quando la tensione e o la corrente superano i limiti consentiti dalle uscite del microcontrollore, è necessario intromettere componenti in grado di sopportare le maggiori tensioni e/o correnti.

L'argomento è stato trattato in questo articolo link1.

 

Quando si collega un relè ad Arduino o micro:bit

L'uso dei relè è indispensabile tutte le volte che si deve alimentare un componente che assorbe una potenza rilevante rispetto a quella che il microcontrollore può fornire oppure quando bisogna alimentare un componente in corrente alternata, anche di piccolissima potenza, oppure quando è necessario provvedere all'isolamento galvanico fra l'apparato di comando e l'apparato di potenza.

Tensioni variabili e isteresiisteresi

In presenza di comandi analogici il relè risponde con solo due posizioni in quanto è un apparecchio che funziona a scatto:

  • se l'àncora è sganciata occorre superare una tensione di soglia Va per agganciarla;
  • se l'àncora è agganciata occorre andare sotto una tensione di soglia Vs per sganciarla.

Si rileva che Va>Vs così si manifesta il fenomeno dell'isteresi.

 

Se si alimenta il relè con tensione gradualmente variabile in modalità PWM si osserva che il relè non segue gli impulsi ma aggancia o sgancia secondo il valore medio della tensione come prima descritto in caso di tensione gradualmente variabile.

Prove di laboratorio 

Sono state effettuate delle prove di laboratorio link1 per approfondire alcuni aspetti del funzionamento dei relè  elettromeccanici; le prove vengono presentate in appositi articoli che usciranno prossimamante.

Scopo delle prove è:

  • rilevare la massima frequenza di commutazione;
  • misurare la tensione e la corrente di chiusurae di apertura;
  • descrivere l’isteresi del funzionamento del relè.

 

Note

nota 1: Il contatto N.A. è un contatto Normalmente Aperto; il contatto N.C. è un contatto Normalmente Chiuso. Per "normalmente" si intende la situazione di riposo che si ha quando il relè non è eccitato. 

nota 2: Il problema viene risolto con i relè a stato solido o con circuiti di disaccoppiamento realizzati con transistor o MOSFET.

nota 3 I pin di Arduino e di microbit sono in grado sia di erogare che di assorbire la corrente per cui sembrerebbero dei veri generatori di tensione a due valori a bassa impedenza. I veri generatori di tensione possono erogare o assorbire corrente qualunque sia la tensione ai suoi morsetti. Ma non è così con Arduino e microbit. l'uscita è composta da transistor in totem pole che funzionano allo stato logico: nel modo "alto" il pin può solo erogare corrente ma non assorbirla, nel modo "basso" il pin può solo assorbirla mentre per sostenere la extracorrente dovrebbe erogarla.

nota 4: La corrente nel diodo produrrà una caduta di tensione sulla sua giunzione di circa 0,6-1 V che farà diventare leggermente negativo il potenziale del pin di Arduino finché dura la corrente. La corrente si estinguerà per dissipazione dell'energia magnetica nella reistenza R del circuito.

 

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