Introduzione

I relè svolgono un ruolo significativo nei sistemi di controllo elettrico. Esistono molti tipi di relè come relè elettromagnetici, relè temporali e relè termici. I relè a stato solido (SSR) sono uno di questi. Possono fornire/interrompere l'alimentazione agli apparecchi elettrici utilizzando un segnale di controllo a bassa tensione. In questo articolo parleremo degli SSR, di come funzionano e delle loro applicazioni.

Introduzione ai tipi di relè

Ci sono momenti in cui abbiamo bisogno di controllare un'apparecchiatura elettrica ad alta tensione/alta corrente utilizzando un piccolo segnale. Ad esempio, immagina uno scenario in cui dobbiamo controllare un motore 220V monofase 1HP utilizzando un piccolo interruttore/pulsante o utilizzando un PLC. In un'applicazione come questa, il motore non può essere collegato direttamente al PLC o allo switch. Ciò non solo supera il valore nominale dell'interruttore, ma rappresenta anche un pericolo elettrico a causa dell'alta tensione e della corrente gestita.

I relè sono utili in questi casi. Un relè ci consente di controllare un apparecchio di grandi dimensioni che assorbe una corrente maggiore (come un carico da 220 V 20 A) utilizzando un piccolo segnale di tensione (24 V, 100 mA). Un relè fornisce anche l'isolamento elettrico tra il lato ad alta tensione e il lato a bassa tensione. I relè sono dispositivi di tipo on/off che hanno solo queste due distinte modalità di funzionamento.

Prima di passare ai relè a stato solido, esaminiamo alcuni dei tipi più popolari di relè disponibili sul mercato per capire come funziona un normale relè.

Ci sono molti tipi di relè disponibili sul mercato. In generale, sono interruttori on/off controllati elettricamente con configurazione unipolare/multipolare e lancio. 

Ecco alcuni dei più diffusi tipi di relè e la loro funzionalità in breve:

• Relè elettromagnetici/elettromeccanici
  • Questi sono i tipi di relè più popolari e generici. Sono costituiti da un braccio meccanico che apre/disinserisce il contatto con i terminali di contatto conduttivi del relè e viene azionato applicando una tensione alla bobina incorporata. I relè elettromagnetici possono controllare apparecchi sia CA che CC. I relè elettromagnetici sono disponibili in varie tensioni di bobina e valori nominali dei contatti.
• Relè di piccolo segnale
  • I piccoli relè di segnale si trovano principalmente nelle applicazioni di automazione automobilistica e industriale. Si tratta di versioni miniaturizzate di relè elettromeccanici che commutano segnali a bassa tensione e bassa corrente come i segnali di uscita digitali del PLC.
• Relè temporizzati
  • I relè di ritardo sono costituiti da un timer integrato e da un relè elettromeccanico per ritardare l'accensione dopo aver applicato un segnale di accensione. Questi si trovano nei circuiti di controllo del motore per avviare motori ad alta potenza.
• Relè polarizzati
  • I relè polarizzati sono un tipo speciale di relè sensibile alla direzione della corrente applicata. Quando una corrente continua viene applicata alla bobina in una certa polarità, il relè commuta in una certa posizione, attivando un certo insieme di contatti. Quando la polarità viene invertita, attiva un'altra serie di contatti. Quando l'alimentazione viene rimossa, alcuni relè polarizzati tornano in una "posizione neutra" per interrompere tutti i contatti.

L'altro tipo di relè più popolare è il relè a stato solido. Con la comprensione dei relè che abbiamo ottenuto finora, discutiamo dei relè a stato solido.

Che cos'è un relè a stato solido?

Un relè a stato solido (noto anche come SSR) è un altro tipo di relè che funziona da un piccolo segnale di ingresso CA/CC. Gli SSR funzionano in modo molto simile agli EMR (Electro-Meahcnical Relays). Tuttavia, non hanno i componenti mobili. Gli SSR utilizzano invece componenti elettrici e ottici (che danno il nome di stato solido) per eseguire l'attività di commutazione e mantenere il segnale di ingresso isolato dal lato di commutazione.

Simile a un relè elettromeccanico, anche i relè a stato solido forniscono resistenza/impedenza di contatto quasi infinita quando sono aperti e resistenza/impedenza quasi zero durante il funzionamento. A seconda della struttura interna del circuito di controllo, gli SSR possono controllare sia CA, CC o entrambi i tipi. Ciò è possibile grazie alla varietà di scelte di semiconduttori disponibili come elettronica di potenza. I relè a stato solido possono essere progettati utilizzando SCR, TRIAC o persino transistor/MOSFET.

Una delle cose fondamentali che differenzia un SSR dalla sua controparte elettromeccanica è la vita operativa. I relè elettromeccanici hanno un ciclo di vita dei contatti molto limitato perché inseriscono/disinseriscono fisicamente i contatti. Ciò provoca la generazione di archi elettrici tra i contatti di apertura che degradano la superficie di contatto. Sebbene i relè per impieghi gravosi siano progettati per contrastare questo problema, non sono permanentemente immuni all'usura.

Gli SSR, d'altra parte, sono completamente a stato solido e non hanno parti mobili. Ciò consente loro di durare migliaia di cicli di commutazione sotto carico nominale senza doversi preoccupare della stabilità operativa. Ciò migliora anche la velocità di commutazione dell'SSR. 

Circuito relè a stato solido

I relè a stato solido sono dispositivi semplici dal punto di vista dell'usabilità. Hanno un ingresso per il segnale di controllo e un'uscita commutata che controlla carichi elettrici ad alta potenza. La loro costruzione interna è molto più complicata di quanto sembri. Parliamo del circuito SSR e di come funziona.

Come accennato in precedenza, i relè a stato solido offrono l'isolamento elettrico tra il lato del segnale di controllo e il lato del carico. Analogamente ai relè elettromeccanici in cui l'isolamento avviene tramite contatti fisicamente separati, gli SSR ottengono questo risultato isolando otticamente il segnale di ingresso.

Questo viene fatto utilizzando uno speciale dispositivo a semiconduttore chiamato "optoaccoppiatore" (noto anche come "optoisolatore"). Gli optoaccoppiatori contengono uno o più diodi o LED che emettono infrarossi insieme a un dispositivo fotosensibile per fornire l'isolamento del segnale ottico. 

Quando viene fornito il segnale di controllo (tensione CC molto bassa nell'intervallo di 2-3 V), accende il LED IR integrato nell'SSR. Il raggio emesso viene ricevuto dal dispositivo fotosensibile per attivare l'uscita. Il dispositivo fotosensibile è posizionato più lontano dall'emettitore e per fornire l'isolamento elettrico. Con questa implementazione, un SSR può commutare facilmente un carico da 220 V CA con un segnale di controllo di appena 5 V CC.

Il segnale di controllo può provenire in più modi. Può essere sia,

• Segnale CC a stato solido
  • I segnali CC a stato solido possono provenire da semplici interruttori o fonti di alimentazione diretta come le celle della batteria.
• Segnale di uscita digitale
  • Controller come microcontrollori o microprocessori, i PLC possono anche generare segnali che possono essere immessi in SSR per il controllo dei carichi.
• Segnali di porta logica
  • Per le applicazioni che non richiedono la potenza di elaborazione di un microcontrollore, l'uscita di un circuito di gate logico combinatorio può essere collegata a un SSR per accendere/spegnere un carico in base a una serie di ingressi condizionali.

Tipi di SSR

Esistono molti tipi di relè a stato solido. Differiscono l'uno dall'altro per la funzionalità. Il principio di funzionamento è molto simile, sebbene vengano utilizzati in applicazioni diverse.

SSR a commutazione istantanea

I relè a stato solido a commutazione istantanea attivano immediatamente l'uscita quando viene applicata una tensione di controllo. Questi SSR hanno un tempo di risposta atipico inferiore a 1 millisecondo, il che li rende un componente ideale per applicazioni che richiedono una risposta rapida e/o il controllo dell'angolo di fase. Questi trovano anche applicazioni nella commutazione di carichi induttivi.

Gli SSR a commutazione istantanea sono generalmente costituiti da triac per consentire il controllo dei segnali CA indipendentemente dall'angolo di fase al momento della commutazione. Funziona in modo identico a un normale interruttore in cui il punto di accensione è casuale.

SSR a commutazione zero

La commutazione zero, nota anche come SSR zero-crossing, si attiva al primo punto zero crossing della tensione di linea, indipendentemente dal segnale di controllo del tempo applicato. Per una tensione di linea sinusoidale di 50 Hz, il tempo di risposta può essere compreso tra quasi zero e 10 ms (meno della metà del periodo).

Questi SSR hanno uno speciale circuito integrato chiamato "rilevatore di zero crossing". Quando viene applicato il segnale di controllo, questo circuito genera un impulso non appena la forma d'onda sinusoidale CA raggiunge il punto 0V. Questo accende il triac che controlla il carico e il triac rimane conduttivo finché la tensione di linea non raggiunge nuovamente lo zero. Il ciclo si ripete finché viene applicata la tensione di controllo.

Gli SSR zero crossing trovano la loro applicazione nei sistemi di controllo del carico resistivi, capacitivi e induttivi. L'attivazione al punto di passaggio per lo zero assicura una minima corrente di picco che fluisce nel carico durante l'avvio. 

SSR a commutazione di picco

Complementari al tipo zero-crossing, gli SSR a commutazione di picco attivano l'uscita al primo picco della tensione di linea all'applicazione della tensione di controllo. Dopo questo mezzo ciclo, l'SSR continua a funzionare come un SSR zero-crossing. 

Negli SSR a commutazione di picco, un rilevatore zero-crossing è accoppiato con uno stadio iniziale del rilevatore di picco per generare il primo impulso di accensione. L'SSR non si accende fino a quando la tensione di linea non raggiunge la sua tensione di picco. Non appena viene rilevato il picco, il carico riceve alimentazione attraverso il triac. Quando vengono commutati al picco della tensione di alimentazione, i carichi induttivi assorbono la minima quantità di corrente di spunto. L'uso di SSR a commutazione di picco è vantaggioso in tali applicazioni per garantire che il carico sia protetto dalle correnti di spunto.

Gli SSR a commutazione di picco vengono utilizzati con carichi fortemente induttivi come trasformatori e motori ad alta potenza. 

SSR a commutazione analogica

Gli SSR a commutazione analogica sono un tipo speciale di SSR. Funzionano con un segnale di corrente continua da 4-20 mA. La fase dell'uscita è proporzionalmente influenzata dal segnale di ingresso. Quando il segnale di tensione/corrente di controllo viene rimosso, l'SSR si spegne. I relè a stato solido analogici sono dotati di circuiti integrati che funzionano come un sistema di feedback a circuito chiuso per controllare la tensione di uscita in funzione della tensione di ingresso.

SSR a commutazione CC

Per carichi resistivi e induttivi, gli SSR a commutazione CC sono ampiamente utilizzati. Gli SSR CC controllano il carico utilizzando i MOSFET dei BJT, pertanto sono utilizzati al meglio con carichi CC come elementi riscaldanti CC, elettrovalvole e motori a spazzole CC. Poiché questi non dispongono di protezione da contraccolpo induttiva incorporata, è necessario collegare un diodo a ruota libera esterno ai terminali di uscita in configurazione di polarizzazione inversa.

Metodi di controllo

Diversi tipi di SSR hanno diversi metodi di guida. Come accennato in precedenza, gli SSR richiedono solo un piccolo segnale di controllo per commutare una tensione più elevata e un carico di corrente più elevato. Ecco alcuni dei metodi utilizzati per pilotare l'input di un SSR.

Commutazione CC diretta

Il metodo più semplice per pilotare un SSR consiste nell'applicare la tensione di controllo direttamente all'SSR. Ad esempio, se la tensione di controllo di un SSR è di 12 V CC, l'alimentazione diretta del segnale di tensione agli ingressi di controllo attiva l'SSR. Questo tipo di semplice implementazione può essere trovato nei circuiti di controllo motore direttamente in linea.

Controllo del transistor

In alcuni casi, la tensione del segnale di controllo potrebbe non essere sufficientemente elevata per pilotare direttamente gli ingressi dell'SSR. Ad esempio, un microcontrollore funzionante a 5 V o 3.3 V potrebbe non essere in grado di fornire tensione e corrente sufficienti per pilotare i circuiti interni dell'SSR. In tali casi, le tensioni logiche devono essere tradotte in un segnale di controllo all'ingresso dell'SSR. Implementando un circuito simile all'immagine sopra, un piccolo segnale di ingresso può facilmente controllare l'SSR. Il circuito a transistor NPN mostrato sopra può attivare l'SSR quando viene applicata una tensione positiva al terminale di base.

Controllo logico combinatorio

Nelle applicazioni in cui è necessaria la logica condizionale, ma il sistema è troppo semplice per essere controllato da un sistema di controllo basato su microcontrollore come un PLC, è possibile utilizzare porte logiche. Con un circuito simile a quello mostrato di seguito, l'uscita invertita di un circuito logico combinatorio positivo può pilotare direttamente un SSR per controllare un carico elettrico.

Segnale di controllo CA

Alcuni sistemi utilizzano solo alimentazione CA sia nell'elettronica di controllo che in quella di potenza. Incorporare un SSR in un tale sistema può essere difficile perché gli SSR sono per lo più pilotati utilizzando segnali DC. Tuttavia, con il principio del raddrizzamento a ponte intero, un segnale CA a un livello di tensione compatibile può essere convertito in un segnale di tensione CC rettificato per pilotare gli ingressi dell'SSR. La figura seguente mostra tale implementazione.

Tuttavia, la maggior parte dei produttori di SSR offre relè a stato solido con ingresso CA nella loro serie SSR per superare questo sovraccarico aggiuntivo.

Vantaggi del relè a stato solido

Gli SSR hanno molti vantaggi tra cui,

• Lunga durata e alta affidabilità
• Tempi di risposta rapidi
• EMI basso
• Nessun arco di contatto dovuto alla mancanza di componenti meccanici
• Elevata resistenza a vibrazioni, urti e polvere
• Operazione silenziosa
• Compatibilità logica

Tuttavia, gli SSR presentano anche alcuni svantaggi:

• Caduta di tensione di contatto
  • Poiché gli SSR sono realizzati utilizzando dispositivi a semiconduttore, presentano una resistenza in serie intrinseca anche quando sono completamente accesi. Ad esempio, i tiristori possono avere una caduta di tensione di 1-1.6 V attraverso i terminali. Questo genera calore, che richiede un raffreddamento passivo o attivo.
• Problemi di tensione transitoria e limitazioni dV/dt
  • Se non implementati correttamente, gli SSR comportano il rischio di accensioni casuali causate dall'azione rigenerativa dovuta alla capacità intrinseca presente negli stadi del semiconduttore.

Come scegliere il giusto relè a stato solido

Quando si sceglie un SSR per una particolare applicazione, considerare i seguenti punti chiave:

Informazioni generali

Selezionare un SSR in grado di gestire la corrente di carico nominale, la tensione e la temperatura di esercizio. L'SSR dovrebbe generalmente avere un punteggio più alto rispetto all'applicazione prevista.

Funzionalità di protezione

L'SSR dovrebbe avere un'adeguata protezione da sovraccarico termico, sovracorrente e tensione transitoria. In molti casi, tali circuiti dovrebbero essere collegati esternamente.

Inoltre, assicurarsi che l'SSR sia conforme agli standard di isolamento per l'applicazione. Ad esempio, gli SSR di fascia più alta hanno una resistenza di isolamento da ingresso a uscita di >=4000Vrms CA e una resistenza di isolamento da uscita a custodia di >= 2500Vrms CA

Conformità agli standard del settore

La selezione di un SSR prodotto in conformità agli standard industriali IEC, UL e simili garantirà l'integrità e l'affidabilità del sistema.

Conclusione

I relè a stato solido sono dispositivi di commutazione eccellenti che possono sostituire in molti casi i relè elettromeccanici convenzionali. Il costo iniziale dell'implementazione di un sistema basato su SSR è relativamente elevato, i vantaggi superano facilmente gli svantaggi e giustificano il costo.