Relè statico o relè allo stato solido (SSR- solid state relay)

Nonostante il costo superiore rispetto al suo predecessore: relè di tipo elettromeccanico, il relè statico risulta essere sempre maggiormente diffuso, principalmente in ambito industriale dove l’efficienza ed i tempi di commutazione sono determinanti nel campo dell’automazione.
I relè statici, o SSR offrono caratteristiche elettriche e di funzionamento elevate, proprie per la loro struttura che utilizza al meglio la tecnologia dei semiconduttori (transistor per i carici in DC e triac per i carichi in AC) oltre ad offrire sul loro corpo la presenza di un diodo led che indica lo stato di comando dello stesso relè statico.

1 relè statico monofase

Le caratteristiche importanti, e vantaggi del relè statico possono essere riassunte brevemente in …
non hanno parti meccaniche in movimento, quindi logorio zero dei contatti ed efficienza massima pertanto indicato dove necessitano numerosissimi scambi,
lo scambio avviene attraverso lo stato solido dei semiconduttori, pertanto condizione di lavoro silenziosissima, ottimo in specifiche applicazioni (es. campo medico),
il passaggio di stato da aperto a chiuso, a tensione zero e da chiuso ad aperto , a corrente zero rende il relè statico con minimo rumore elettrico, e altrettanti disturbi elettrici,
per il loro comando richiedono bassissime potenze, stiamo intorno a poco più di una decina di mA, e parimenti possono commutare carichi oltre le centinaia di ampere,
offrono un’ottima resistenza meccanica a vibrazioni e shock, pertanto non sono suscettibili a installazioni errate,
hanno un elevato grado di isolamento (4kV), non generano scintille e non sono soggetti a rimbalzi elettrici o meccanici, e non sono influenzabili da campi magnetici pertanto si prestano bene per applicazioni estreme,
possono essere comandati da ogni tipo di sistema analogico o digitale, del tipo PLC o microprocessore quindi hanno un’elevata compatibilità,
hanno un’elevata velocità di commutazione, dell’ordine dei microsecondi,
non hanno problemi di installazione sia in verticale che in orizzontale.

Ovviamente, anche per questo tipo di relè la disponibilità copre ogni esigenza, sia per quanto concerne la sorgente di alimentazione disponibile (Ac o Dc) sia per quanto concerne il tipo di applicazione (per circuiti stampati, o per applicazioni su barra din industriali) pertanto potranno essere del tipo a saldare, o del tipo a fissaggio su supporti, ed in alcuni casi dove richiesto il fissaggio su adeguati radiatori di raffreddamento, e non ultima importante caratteristica riguarda gli assorbimenti in gioco (Ampere) da parte dei carichi che i relè andranno a controllare o gestire, ed anche in questo caso sia in alternata che in continua.

I relè statici come già detto sfruttano i principi e le caratteristiche dei dispositivi a semiconduttore, per farsi un’idea del loro funzionamento, si può semplificare la loro struttura in uno schema a blocchi, considerando sia l’SSR con tensione di comando in AC e con tensione di comando in DC, che alimenteranno carichi in AC o in DC, pertanto il blocco del circuito di uscita potrà essere o del tipo con Triac o del tipo con BJT.

Nel caso di tensione di comando in DC, nel blocco del circuito di ingresso sarà presente un circuito di protezione da possibili inversioni di polarità, mentre nel caso di comando in AC il circuito di ingresso sarà realizzato da un ponte di diodi con filtro che fornirà il comando al blocco del circuito fotoaccoppiatore , in entrambi i tipi di relè statici sul corpo del relè è presente un diodo led, in genere di colore verde, che segnala la presenza dell’impulso di comando del relè statico.

O meglio, i blocchi che costituiscono un relè statico o SSR sono.
– Il blocco di ingresso, dove si fornisce la tensione di comando, ai morsetti contrassegnati con A1 ed A2
– Il blocco successivo è il blocco del fotoaccoppiatore, che fornisce la separazione galvanica fra lo stadio di ingresso e quello di uscita
– Il blocco che segue è quello di commutazione a zero, ovvero la funzione zero cross, cioè la commutazione avviene quando la tensione per il carico passa per lo zero o in prossimità, una funzione questa che contribuisce ad una commutazione sicura, ma al contempo inserisce un leggerissimo ritardo nei tempi (ordine dei micros) di commutazione; questo tipo di circuito può non essere utilizzato nei relè statiti con tensioni in DC
– Ultimo blocco è quello che riguarda il circuito di uscita che può essere in AC o in DC, la differenza sta nell’utilizzo di semiconduttori differenti in questo blocco, ovvero nel caso di carico funzionante in AC lo stadio di uscita utilizzerà i Triac,e sarà presente un circuito di protezione di tipo RC; nel caso di carico funzionante in DC lo stadio di uscita funzionerà con un BJT in questo caso sarà presente un diodo di protezione.

2 ssr schema a blocchi

Altra caratteristica peculiare di questo tipo di relè è la piccola potenza richiesta per il loro pilotaggio, a differenza dei fratelli elettromeccanici che richiedono una maggiore potenza di comando. In sostanza questo tipo di relè se controllati o gestiti dalle uscite di un PLC, offrono un carico minore , e di conseguenza un assorbimento minore alle schede di uscita del PLC rendendo meno gravoso il compito di quest’ultimo per il loro pilotaggio, e al contempo offrono i relè statici la possibilità di gestire grossi carichi, ovvero carichi con assorbimenti consistenti, anche fino a decine di kW.

Una considerazione importante da fare su questo tipo di relè, riguarda il loro funzionamento sulla commutazione. Che sia utilizzato per un carico in AC o un carico in DC, questo tipo di relè non commuta un’apertura-chiusura come i contatti di un relè elettromeccanico, ma cambia lo stato di un semiconduttore Triac o Bjt, questo significa che quando l’SSR interrompe l’alimentazione verso il carico non apre perfettamente il circuito ma lascia passare una piccola corrente residua, che a volte può mantenere alimentato il carico se questi è piccolo (es elettrovalvola, o relè) pertanto in questi casi si ricorre ad utilizzare un resistore di dispersione in derivazione al carico.

Altra considerazione può essere quella relativa alla commutazione di carichi importanti, che possono generare durante la loro disinserzione a dei picchi di tensione, che potrebbero rientrare nell’SSR e mantenerlo in conduzione, per sopperire a questo possibile problema si utilizzano in genere dei circuiti di protezione realizzati con RC, o con varistore o nel caso di circuiti in DC si utilizzano dei diodi.
Di seguito rappresentato un relè statico della Gavazzi, di tipo trifase in quanto ha la possibilità di interrompere tre linee di alimentazione, come da schema raffigurato sullo stesso relè…

1a relè statico trifase

ed il particolare della superficie di contatto per il raffreddamento del relè statico….

3a particolare superficie ssr

Non ultima ma importante considerazione deve esser fatta sulla dispersione del calore. Infatti gli SSR ad esempio per utilizzo industriale, come quello sopra rappresentato, sono realizzati su un supporto di alluminio, in modo da poter essere fissati sulle delle alette di raffreddamento a seconda dell’importanza del carico che si dovrà controllare.
DI seguito la rappresentazione di una aletta di raffreddamento che può ospitare due relè statici di tipo monofase o un relè statico di tipo trifase, nel kit di installazione è previsto tutto l’occorrente per il fissaggio dell’elemento di raffreddamento su barra din, e la pasta termica da utilizzare fra le superfici di contatto dell’aletta di raffreddamento e quella del relè statico, per migliorare il contatto tra le superfici e quindi una migliore dissipazione termica.

3 radiatore

Avendo presente l’aspetto sicurezza, occorre considerare che il relè statico, presenta il circuito di uscita senza separazione galvanica, pertanto offre su quest’ultimo la possibilità di circolazione di una piccola intensità di corrente verso il carico, e questo aspetto ai fini della sicurezza non è positivo perché non garantisce la perfetta apertura del circuito, pertanto volendo considerare le norme di sicurezza contro gli infortuni, in caso di necessità manutentive su circuiti che interessano l’applicazione degli SSR si dovrà provvedere ad inserire un ulteriore stadio di tipo elettromeccanico per garantire l’isolamento galvanico richiesto.

Quindi per l’utilizzo dei relè statici occorre considerare oltre ai vantaggi visti in precedenza , anche:
sono per circuiti con tensione di tipo AC o DC ma non possono funzionare per entrambi,
hanno un costo maggiore, dei loro fratelli elettromeccanici,
in genere sono costruiti per un solo polo, o una sola via,
offrono delle piccole perdite quando il relè non è in conduzione, e queste possono essere pericolose in quanto non è presente un isolamento galvanico,
necessita di un dissipatore, particolarmente se si utilizza per carichi importanti.

Per quanto riguarda il collegamento di un relè statico, risulta essere sufficientemente intuitivo e semplice, in quanto il circuito di ingresso è identificato con l’indicazione alfanumerica di A1-A2 (come nel caso della bobina per i relè elettromeccanici) o con la polarità -/+ nel caso di circuito DC, ed il circuito di uscita con L1-L2,per il contatto che andrà a controllare il carico esterno.

4 collegamento ssr

Riferimenti :
Link della Gavazzi
http://it.onlinecomponents.com/carlo-gavazzi-rz3a40d55.html?p=11061346
datasheet relè stato solido monofase gavazzi
http://www.farnell.com/datasheets/1482748.pdf

datasheet relè statico trifase gavazzi
http://it.onlinecomponents.com/datasheet/rz3a40d55.aspx?p=11061346

 

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