Relè (Guida Pratica)

Il relè è un componente elettrico che agisce come un interruttore automatico azionato da un segnale di ingresso. Il relè più famoso è quello elettromagnetico che è anche il più utilizzato in applicazioni non specifiche ed è costituito da una bobina che, quando alimentata, muove dei contatti realizzando quindi la funzione di interruttore. Il segnale in ingresso non è necessariamente una tensione e può essere di vario tipo a seconda della tipologia di relè e quindi della sua applicazione.

In questo articolo vediamo cosa è un relè, a cosa serve, quali tipi di relè esistono e quali sono le specifiche tipiche di un relè.

Qual è la funzione di un relè?

Un relè serve ad aprire o chiudere un circuito. Il relè agisce come un interruttore azionato automaticamente per mezzo di un segnale, generalmente elettrico. Il relè è utilizzato per comandare porzioni di circuito ovvero per trasmettere oppure interrompere la propagazione del segnale elettrico verso i circuiti a valle dello stesso. La funzione di un relè è quindi molto semplice tuttavia, è un componente molto utilizzato e questo soprattutto grazie ad un aspetto particolare ovvero è azionabile tramite un piccolo segnale. Una piccola tensione / corrente in ingresso al relè può comandare il circuito in uscita che può gestire anche alti valori di tensione / corrente. Inoltre, il relè permette si separare galvanicamente il circuito di ingresso da quello di uscita permettendo una maggiore sicurezza e facilità di utilizzo. Una applicazione tipica del relè che sfrutta tutte queste funzionalità è quella in cui un dispositivo di logica comanda un relè che interrompe un circuito di potenza. In questo caso il dispositivo di logica, che tipicamente può gestire segnali rappresentati da piccole tensioni, sfrutta il relè per comandare la parte di potenza che non potrebbe comandare direttamente. Inoltre, date le caratteristiche del relè, la parte di logica è protetta dalla parte di potenza tramite l’isolamento galvanico offerto dal relè. In una tipica applicazione industriale l’apertura di un finecorsa comanda l’interruzione dell’alimentazione di un motore tramite un apposito relè.

Riassumendo, le caratteristiche principali e più comuni di impiego di un relè sono le seguenti:

• comandare più uscite azionando un singolo ingresso;
• ottenere una separazione tra il circuito di comando e quello di potenza;
• ottenere una separazione tra circuiti in corrente continua e circuiti in corrente alternata;
• gestione ritardata del segnale di commutazione in uscita.

Simbolo grafico del relè

All’interno degli schemi elettrici il relè è rappresentato tramite i seguenti simboli grafici.

Tipo di relè	CEI 3-19
Relè
Relè con due avvolgimenti separati
Relè rapido
Relè ad aggancio meccanico (relè passo-passo)
Relè termico
Relè magnetotermico
Relè elettronico
Relè di Buchholz

Quanti tipi di relè ci sono?

I relè vengono classificati sulla basi di diversi criteri tra i quali il principio di funzionamento, il tipo di grandezza fisica che ne genera l’attivazione oppure il valore di tale grandezza. Vediamo di seguito i principali tipi di relè, le loro caratteristiche ed in base a cosa vengono classificati.

Relè monostabile

I relè monostabili sono quei relè che necessitano di rimanere alimentati per conservare la posizione di lavoro. Facciamo un esempio. Consideriamo un relè che in condizione di riposo, ovvero senza che venga eccitato da una tensione in ingresso, presenta i contatti aperti. Applichiamo quindi una tensione in ingresso al relè, questa tensione andrà ad eccitare il relè ed i contatti si chiuderanno. Nel caso in cui il relè dell’esempio sia monostabile allora per mantenere i contatti chiusi occorre mantenere l’alimentazione cioè la tensione in ingresso. Quindi, i relè monostabili sono quei relè che mantengono la posizione di lavoro fintanto che sono alimentati. E’ sufficiente togliere l’alimentazione al relè perché questo torni nella posizione di riposo.

Relè bistabile

I relè bistabili sono quei relè che cambiano lo stato dei contatti ad ogni impulso di alimentazione mantenendo l’ultimo stato in assenza di alimentazione. In questo caso, quindi, non occorre mantenere il relè alimentato per preservarne lo stato bensì è sufficiente un impulso perché il relè vada nello stato desiderato. Facciamo un esempio. Consideriamo un relè che in condizione di riposo, ovvero non alimentato, presenta i contatti aperti. In questo caso è sufficiente un impulso sull’alimentazione per chiudere i contatti dopodiché il relè manterrà i contatti chiusi anche in assenza di alimentazione. Questi relè sono stabili sia in condizione di riposo che in condizione di lavoro e per questo vengono chiamati bistabili.

Relè passo-passo

Un relè passo-passo è un tipo di relè bistabile ovvero mantiene la sua condizione di riposo oppure di lavoro senza essere alimentato mentre cambia la condizione ad ogni singolo impulso. Viene chiamato anche relè ad arpionismo per via del meccanismo di ritenuta ad “arpione” che permette il cambio di stato ed il mantenimento dello stesso ad ogni impulso che il relè riceve. Questo tipo di relè permette di variare tra più stati diversi a partire da tutte le combinazioni possibili di stato dei propri contatti, siano essi entrambi aperti, entrambi chiusi oppure uno dei due aperto e l’altro chiuso. Vediamo nelle immagini seguenti l’interno del relè Finder 26.08 per capirne meglio il funzionamento.

A titolo di esempio, osserviamo nell’interno del relè passo-passo della figura precedente la bobina che, quando alimentata per via del campo elettromagnetico generato, porta al movimento dell’azionatore che muove la rotella dentata spostando i contatti in una posizione diversa dalla precedente.

I relè passo-passo sono molto utilizzati negli impianti civili nella gestione dei punti di illuminazione cioè per comandare accensione / spegnimento di un punto luce da diverse posizioni.

Relè temporizzati

I relè temporizzati sono relè che mantengono la posizione di riposo / funzionamento ad un tempo ben definito. Questo tipo di relè vengono utilizzati nella maniera seguente. Impostando ad esempio un tempo di trenta secondi si comanda al relè di aprire o chiudere i contatti dopo trenta secondi dopo aver ricevuto il comando di attivazione che a seconda delle impostazioni può significare aver messo o tolto alimentazione al relè. In figura è mostrato il relè temporizzato della marca ABB modello CT-WBS con regolazione di tempo ed intervalli tramite vite regolabile.

Relè di massima / di minima / differenziali

Una altra classificazione dei relè è quella basata sul valore della grandezza controllata. In questo caso il comportamento del relè e quindi il suo cambiamento di stato dalla condizione di riposo a quella di lavoro avviene in funzione del valore di una grandezza. Nel caso dei relè di massima quando la grandezza supera un determinato valore si ha l’intervento del relè. Nei relè di minima questi intervengono quando la grandezza controllata è inferiore ad un determinato valore. Nei relè differenziali l’attivazione avviene in base alla differenza di valori in ingresso ed uscita di un altro dispositivo.

Relè elettromagnetico

I relè elettromagnetici sono la tipologia più diffusa per via del costo contenuto, della buona affidabilità li rendono adatti ad un utilizzo generico.

Sono caratterizzati dalla presenza di una bobina ovvero un solenoide in prossimità del quale è presente una ancora collegata ad un contatto mobile. L’ancora dispone di un sistema di ritenuta come ad esempio una molla che mantiene il contatto in una posizione di riposo.

La schematizzazione seguente può aiutarci a capire più facilmente il principio di funzionamento di questo tipo di relè. Innanzitutto quello che vediamo nella figura seguente è un relè molto semplice, un relè elettromagnetico con un unico contatto in uscita. La bobina presenta dei contatti attraverso cui viene alimentata. Quando viene alimentata, è percorsa da corrente ed il comportamento è quello di un elettromagnete. Al crescere della corrente aumenta la forza magnetica che l’elettromagnete esercita sul nucleo mobile collegato alla molla. Oltre una certa soglia di corrente la forza magnetica riesce a contrastare e superare la forza meccanica della molla muovendo il contatto mobile. In questa situazione si dice che il relè è intervenuto e si trova nello stato di lavoro, come mostrato nella figura seguente a destra.

I relè elettromagnetici, come detto, sono molto diffusi in quanto robusti ed economici, hanno tuttavia delle limitazioni d’uso a seconda delle prestazione richieste nella modalità di utilizzo. Il punto più delicato di questi relè è sicuramente il contatto. L’attivazione del contatto richiede un certo tempo detto “tempo di attivazione” che dipende dalla natura meccanica del dispositivo. Un altro aspetto che a seconda delle applicazioni può risultarne sconveniente l’utilizzo è l’ingombro.

Relè elettronici

I relè elettronici sono quei relè che non presentano un azionamento meccanico ovvero sono sprovvisti di contatti mobili ma utilizzano degli elementi a semiconduttore come i TRIAC oppure i transistori MOSFET. Nei relè elettronici tipicamente troviamo i seguenti componenti che sono il diodo led, il fotodiodo ed il transistor. Il principio di funzionamento, molto semplicemente, è il seguente: una tensione in ingresso eccita il led che così emette luce, questa luce viene ricevuta dal fotodiodo che la converte nella tensione che va sul gate del transistor permettendo a quest’ultimo di commutare.

Relè termico

Nei relè termici l’apertura / chiusura dei contatti avviene dipendentemente dal valore di temperatura rilevato. I relè termici vengono generalmente utilizzati come dispositivi di protezione dal sovraccarico di circuiti elettrici oppure di motori. Il sovraccarico viene indirettamente riscontrato dalla temperatura dell’elemento termico posto nel relè. Prendiamo in considerazione a titolo d’esempio il funzionamento di un relè termico posto sulla linea di alimentazione di un motore. In condizioni normali, i livelli di assorbimento di corrente da parte del motore sono nei range di funzionamento e quindi anche la temperatura rilevata dall’elemento termico del relè è tale da non farlo intervenire. Nel caso di un sovraccarico, invece, il motore non solo andrà più lentamente ma comincerà ad assorbire più corrente portando anche ad un innalzamento della temperatura degli avvolgimenti del motore. In questa situazione entra in gioco il relè termico che, rilevando un eccessivo aumento di temperatura ,interviene e di conseguenza toglie alimentazione al motore. Ovviamente questo è un esempio molto semplice in quanto, a seconda dell’applicazione e del tipo di motore, può essere necessario un arresto controllato del motore invece di togliere direttamente l’alimentazione tramite il relè.

Esistono 3 tipi di relè termici a seconda del principio di funzionamento ovvero di come viene rilevata la corrente di assorbimento del motore e sono i relè termici bimetallici, i relè termici a lega fondibile, i relè termici elettronici. Vediamo di seguito le caratteristiche salienti di questi 3 tipi di relè termico.

Relè termico bimetallico

Il relè termico bimetallico di relè di protezione contro il sovraccarico agisce tramite l’utilizzo di una lamella bimetallica per ogni fase dell’alimentazione. Tali lamelle sono composte da due metalli diversi e sovrapposti che presentano un diverso coefficiente di dilatazione termica. Al variare della temperatura, la lamella si deforma andando ad agire su un meccanismo di sgancio dei contatti del relè.

Relè termico in lega fondibile

Nei relè termici in lega fondibile, la protezione contro il sovraccarico si realizzata tramite la presenza di un materiale come ad esempio una miscela eutettica che, in combinazione con un meccanismo di ritenuta, mantiene i contatti del relè in una determinata posizione. Un materiale eutettico è un insieme di metalli e leghe con una caratteristica particolare, ovvero quando arriva al punto di fusione passa pressoché istantaneamente dallo stato solido a quello liquido. Da qui si può capire il funzionamento del relè. Quando la temperatura dovuta al sovraccarico supera un certo livello l’eutettico liquefacendosi rilascia il contatto che così si apre. Questo tipo di relè, quando interviene, necessita di essere ripristinato manualmente.

Relè magnetotermico

Il relè magnetotermico è una combinazione di relè termico e relè elettromagnetico. Questo relè combina le caratteristiche di entrambi al fine di fornire una maggiore protezione del carico a valle del relè. La parte termica interviene per valori contenuti di corrente che generalmente sono nell’ordine di 5-10 volte la corrente nominale del circuito. La parte elettromagnetica del relè interviene in caso di corrente più elevate. Questo permette al relè magnetotermico di offrire protezione contro i sovraccarichi tramite la parte termica e protezione contro i cortocircuiti tramite la parte elettromagnetica. Occorre pensare anche al fatto che, nel caso di cortocircuito, la corrente non solo è elevata ma raggiunge valori importante molto rapidamente e il relè elettromagnetico è adatto ad intervenire velocemente.

Relè Buchholz

Il relè di Buchholz è un particolare dispositivo che viene utilizzato a protezione dei trasformatori raffreddati ad olio. Presenta una camera sigillata ermeticamente contenente due galleggianti e collegata da una parte alla camera del trasformatore e dall’altra al serbatoio dell’olio. In caso di malfunzionamenti nel trasformatore come ad esempio una scarica tra gli avvolgimenti o verso terra, si generano delle bolle di gas nell’olio. Nel caso le bolle di gas siano poche il primo galleggiante interviene ed apre il primo contatto mentre nel caso di una grande bolla di gas entrambi i galleggianti sono spinti verso il basso ed aprono entrambi i contatti del relè.

Relè di segnale

I relè di segnale sono dispositivi utilizzati tipicamente in sistemi elettronici e generalmente nella telecomunicazione ma anche negli strumenti di misura per la commutazione di segnali. Tipicamente utilizzati per pilotare carichi inferiori ai 2 Ampere si distinguono principalmente per la qualità alta dei contatti. L’elevato numero di commutazioni che devono sostenere fanno sì che l’affidabilità dei contatti di questi relè sia molto elevata.

Relè di potenza

I relè di potenza sono quei relè che sono in grado di lavorare a valori di tensione e corrente elevati. Particolarmente utilizzati in applicazioni industriali possono lavorare a tensioni anche di 600 Volt e sostenere una corrente di commutazione fino a 100 Ampere, tipicamente nelle macchine automatiche dell’industria un valore tipico è 20 Ampere.

Contattori

Un contattore è a livello costruttivo del tutto simile al relè ha infatti una bobina che quando eccitata apre o chiude dei contatti. I contattori dispongono inoltre di una alimentazione dedicata e di contatti ausiliari che si attivano in conseguenza dell’attivazione dei contatti principali. I contatti ausiliari possono avere diversi utilizzi come ad esempio il monitoraggio dello stato del relè da parte di un dispositivo di logica. La differenza principale rispetto ai relè è rappresentata dall’elevata capacità di commutazione. I contattori sono tipicamente utilizzati con funzione di interruttori diretto su motore.

Relè reed

I relè reed sono chiamati così perchè dispongono di una tipologia particolare di contatti, chiamata reed. Rappresentano una valida alternativa ai relè elettromeccanici qualora le correnti in gioco siano inferiori ad 1 Ampere. I relè reed presentano contatti a lamina in materiale ferromagnetico distanziati tra loro di poche decine di millimetri che si chiudono all’applicazione di un campo magnetico. Il vantaggio nell’utilizzo di un relè reed rispetto ai relè elettromeccanici consiste nel fatto che l’assenza di leve che muovono in contatti li rende più robusti e possono essere realizzati con un ingombro ridotto. Una limitazione nell’utilizzo di questi relè è legata ai bassi valori di corrente che sono in grado di gestire tipicamente inferiori ad 1 Ampere e che possono arrivare a massimo 3 Ampere.

Come si sceglie un relè?

Un relè si sceglie sulle base delle sue caratteristiche tecniche e costruttive e sulla base dell’applicazione in cui esso va inserito. Bisogna tener conto innanzitutto degli aspetti legati all’utilizzo come ad esempio la tensione di lavoro, la corrente nominale ma, a seconda dei casi, anche altri aspetti diventano importanti. Se per esempio non ho problemi di spazio potrò tranquillamente utilizzare dei relè elettromagnetici a bobina che sono ingombranti ma sono piuttosto economici; se ho bisogno di porre un relè su un motore potrei utilizzare un contattore che mi assicura robustezza dal punto di vista delle tensioni e correnti in gioco oltre ai contatti aggiuntivi che mi permettono di azionarlo da un dispositivo di comando; se invece ho carichi ridotti e devo ridurre l’ingombro potrebbe essermi utile un relè elettronico come quelli a stato solido. In generale, quando si sceglie un relè bisogna porre molta attenzione al tipo di carico che si trova a valle del relè ed in particolare ai carichi capacitivi (come motori sincroni, condensatori, correttori del fattore di potenza) ed induttivi (come motori asincroni, trasformatori, raddrizzatori). La chiusura dei contatti di un relè che pilota carichi capacitivi così come l’apertura dei contatti di un relè che pilota carichi induttivi può dar luogo ad importanti picchi di corrente o tensione che possono danneggiare lo stesso relè se non è adeguatamente dimensionato. Nel paragrafo successivo vediamo quali sono le tipiche specifiche di un relè in modo da avere una buona consapevolezza sulla scelta del relè.

Quali sono le specifiche elettriche dei relè?

I parametri caratteristici dei relè dipendono ovviamente dalla tipologia del relè ma possono possono essere raggruppati in specifiche generali, specifiche dei contatti e specifiche della bobina. Vediamo di seguito le caratteristiche principali.

Specifiche generali dei relè

• Durata meccanica, spesso indicata come “mechanical life”. Indica il numero di cicli, ovvero di volte in cui il relè passa dalla condizione di riposo a quella di eccitazione o viceversa, che il relè è in grado di sostenere senza carico sui contatti prima che si danneggi.
• Durata elettrica, anche chiamata “electrical life”. Indica il numero di cicli che il relè è in grado di sostenere prima di di danneggiarsi applicando un carico resistivo (o debolmente induttivo) ed applicando in ingresso una tensione pari a quella nominale
• Temperatura di lavoro. E’ il valore della temperatura per cui è garantito il funzionamento corretto. E’ generalmente un range di temperature e, al di fuori di questo range, c’è un alto rischio di rottura del componente. La temperatura di lavoro è un parametro che può essere importante prendere in considerazione per i relè che si montano su schede PCB.
• Rigidità dielettrica. Esprime il valore della tensione in alternata oppure impulsiva che il relè è in grado di sostenere senza subire danneggiamenti. La prova di rigidità dielettrica è tipica per componenti, prodotti elettrici / elettronici, macchine industriali, elettrodomestici, quadri elettrici etc etc e serve a verificare la tenuta degli isolamenti.
• Grado di protezione IP. Espresso con un codice a 2 cifre di cui la prima cifra indica il grado di protezione alla penetrazioni di corpi solidi come le polveri e la seconda cifra indica il grado di protezione contro i liquidi. Più è alta la cifra, maggiore è la protezione che ha il componente. Per esempio il grado IP00 indica che non c’è alcuna protezione del componente a polvere ed acqua, IP22 indica che il componente ha protezione al contatto con il dito di prova (termine in cui in laboratorio viene simulato l’intervento di un dito) ed alla caduta verticale di acqua, IP66 indica che il componente ha una protezione completa alla polvere ed a getti di acqua in pressione. Per conoscenza, si consideri che oltre ad una cifra si può utilizzare la lettera “X” per indicare che non è noto il grado di protezione IP del componente (ad esempio IP2X, il componente è protetto dall’accesso al dito di prova ma non è nota la protezione contro i liquidi). I gradi di protezioni IP sono definiti dalla norma EN 60529.
• Categoria di protezione ambientale. Indica il grado di protezione del relè ed è espresso nelle categorie che vanno da RT 0 (zero), RT I, RT II, RT III, RT IV, RT V. Più è alta la categoria maggiore è la protezione ambientale del relè. RT 0 ad esempio indica un relè privo di coperchio, detto anche relè a cielo, mentre RT V indica un relè sigillato ermeticamente.
• Resistenza alle vibrazioni. E’ espressa in g ed indica la massima accelerazione che il relè è in grado di sostenere in tutti e tre gli assi mantenendo il suo corretto funzionamento.

Specifiche dei contatti dei relè

• Corrente nominale. E’ la massima corrente continua che il relè è in grado di sostenere senza danneggiarsi. E’ un parametro molto importante perché tanto più il relè viene fatto funzionare nell’intorno di questo valore tanto minore sarà la vita utile del componente. Bisogna tenere conto del fatto che il valore di corrente nominale è valido se il relè viene utilizzato nel range della temperatura di lavoro.
• Tensione nominale. E’ la tensione del carico sui contatti che garantisce la tenuta dell’isolamento del relè
• Capacità di rottura detto anche Potere di rottura. Rappresenta il valore massimo di corrente cui il relè è in grado di commutare in aperto senza che subisca danni dovuti all’insorgere di archi elettrici. E’ un valore che è riferito alla tensione in ingresso.
• Carico minimo commutabile. Indica il minimo valore in potenza, tensione e corrente necessario al relè per commutare.
• Carico nominale. E’ il valore massimo della potenza che il relè è in grado di sostenere senza rompersi quando ad esso è applicato un carico.

Specifiche delle bobine dei relè

• Tensione di alimentazione nominale, detta anche tensione di lavoro. Può essere sia in continua che in alternata e rappresenta la tensione che è necessaria porre in ingresso al relè perché commuti. Nel caso in cui la tensione fornita al relè sia pari a quella nominale, il relè commuta. In generale, la tensione minima per eccitare il relè è pari al 70% del valore della tensione nominale. Operare nell’intorno della tensione nominale è importante per garantire che il relè mantenga integro l’isolamento e quindi non si guasti.
• Tensione minima di funzionamento. Indica la minima tensione applicabile al relè perchè funzioni come previsto.
• Tensione massima di funzionamento. Indica il valore massimo di tensione entro il quale è garantito il corretto funzionamento del relè.
• Tensione di mantenimento. E’ il valore della tensione sulla bobina entro cui un relè eccitato mantiene il proprio stato.
• Tensione di rilascio. E’ il valore della tensione sulla bobina a cui un relè eccitato cambia il proprio stato.
• Resistenza della bobina. E’ il valore della resistenza dell’avvolgimento della bobina.

Modi di guasto dei relè

Il relè ha due modi di guasto che sono: “bloccato aperto” e “bloccato chiuso”. Nel primo caso, ovvero “bloccato aperto”, indipendentemente dal segnale in ingresso, il relè non commuta e rimane nella posizione di aperto mentre nel secondo caso, “bloccato chiuso”, si ha che qualsiasi segnale il relè riceva, sia esso “alto” o “basso”, il relè rimane con i contatti chiusi.

I relè sono i componenti che più spesso si guastano nei circuiti e questo per via della presenza di elementi meccanici mobili che sono facilmente soggetti ad usura nel tempo (ovviamente questo discorso non vale per i relè elettronici come quelli a stato solido!). Vediamo quali sono le cause tipiche di guasto per le categorie principali di relè.

Cause di guasto di un relè elettromagnetico

Nei relè elettromagnetico gli aspetti più delicati sono:

1. la tenuta dell’isolamento della bobina che si può deteriorare nel caso di particolari condizioni ambientali (come ad esempio la presenza di polvere oppure umidità oppure, in generale, corrosione) oppure nel caso di utilizzo del relè a tensioni superiori la tensione nominale di lavoro;
2. il deterioramento dei contatti che può succedere quando i contatti sono sporchi oppure ossidati generalmente a causa delle condizioni ambientali di utilizzo oppure quando i contatti sono incollati cioè quando, a causa di archi elettrici tra i contatti questi si sono fusi assieme e quindi, il relè non ritorna più nella posizione di contatti aperti. Il deterioramento dei contatti è tipico quando il relè è utilizzato fuori specifica.

Cause di guasto di un relè elettronico

Nei relè elettronici non hanno né bobina né elementi mobili e quindi sotto l’aspetto della resistenza meccanica risultano più robusti tuttavia soffrono gli stessi aspetti di tutti i componenti elettronici quali, ad esempio, l’eccessiva temperatura, picchi di tensione o disturbi elettromagnetici.

Cause di guasto dei contattori

I contattori tipicamente pilotano dei carichi importanti e gli aspetti che ne precludono il funzionamento corretto sono:

• i picchi di tensione dovuti ad un utilizzo del contattore fuori specifica oppure perché, in fase di progetto, non si è tenuto conto dei picchi di corrente o tensione dovuti all’inserzione di carichi induttivi o capacitivi
• condizioni ambientali che portano ad deterioramento del componente quali temperature eccessive oppure corrosione.

Il relè in breve

Il relè è un componente che agisce come un interruttore quando in ingresso viene applicato un certo valore di tensione. Il relè permette di aprire o chiudere la parte di circuito a valle dello stesso e viene utilizzato per molteplici applicazioni come la gestione di comandi di accensione / spegnimento luci in ambienti residenziali; la separazione galvanica tra circuiti di comando a tensioni basse e circuiti di potenza a tensioni maggiori oppure la gestione dell’azionamento di motori.