La rivoluzione tecnologica nei relè di commutazione a stato solido

La tecnologia si è evoluta da semplici attuatori a bobina magnetica a isolamento capacitivo, il relè continua ad essere una componente essenziale all’interno dell’arena di automazione.

il relè moderno come lo conosciamo nasce negli anni ’60 e la sua funzione principale è quella di fornire l’automazione con isolamento elettrico. Tutti i relè sono dotati di due circuiti separati: ingresso e uscita. Lo scopo principale di un relè è quello di controllare una tensione e una corrente di carico a volte pericolosi impiegando un piccolo segnale al lato di ingresso.

Il relè viene utilizzata in un numero infinito di applicazioni in quasi tutti i settori dell’elettronica. Sono disponibili in molte forme e dimensioni, ma sono generalmente divise in due categorie principali: relè elettromeccanici e solidi.

1. Ecco un esempio di un relè ultra-piccolo a stato solido.

I relè elettromeccanici si suddividono in più sottocategorie basandosi sulle caratteristiche del carico.

Con corrente di carico fino a 2A vengono chiamati relè di segnale, per segnali RF sono chiamati relè ad alta frequenza, i relè di potenza solitamente commutano corrente di carico elevato.

Sviluppati più tardi di quelli elettromeccanici, i relè a stato solido sono classificati in base al loro chip di uscita. Questi consistono di fototriac (per uscita ac), fototransistori (per uscita DC) e relè MOSFET (per uscita ac e / o DC).

Stato a stato solido contro elettromeccanica

Senza parti in movimento, i relè a stato solido non sono soggetti ai guasti meccanici tipici dei relè tradizionali, ad esempio assenza di contatto o saldatura permanente. Tendono inoltre a offrire caratteristiche più vantaggiose e vantaggi di progettazione, come il basso consumo energetico, la resistenza stabile durante la vita, la lunga durata, le dimensioni ridotte, la alta velocità di commutazione, la resistenza agli urti e alle vibrazioni e l’eliminazione del rumore meccanico. Quando si confrontano i vantaggi delle prestazioni della tecnologia SSR (Solid-State-Relay), ci si accorge rapidamente che questi dispositivi hanno caratteristiche diverse.

Questi SSR con uscita a MOSFET possono anche controllare piccoli segnali analogici senza distorsioni.

Quelli che utilizzano uscita a triac o transistor bipolari hanno tensioni offset che distorcono e segnano i segnali. Questa caratteristica è molto importante per apparecchiature e dispositivi di misura precisi. Un certo numero di produttori offrono SSR che utilizzano due MOSFET complementari integrati, il che gli consente di controllare entrambe le polarità ac.

I relè MOSFET sono tipicamente costituiti da un LED e da una fotocamera che è stampata in una resina traslucida, che permette di far passare la luce mentre fornisce una barriera dielettrica tra l’ingresso e l’uscita.

Per accendere il relè, una corrente viene applicata al LED sul lato d’ingresso, che si illuminerà. La luce viene poi assorbita dall’elemento fotoelettrico che converte la luce in energia elettrica, simile a una cella solare. Questa corrente elettrica passa poi attraverso un circuito di controllo e carica le porte dei due MOSFET sul lato di uscita. Quando la tensione del gate dei due MOSFET raggiunge la soglia impostata, i MOSFET iniziano a condurre, permettendo al carico di passare attraverso i terminali. Una volta disattivato il LED, il circuito di controllo scarica rapidamente i gate, forzando il MOSFET a smettere di condurre e spegnere il carico.

Relè ad accoppiamento capacitivo

Partendo questa tecnologia, un ulteriore passo avanti è un relè ad accoppiamento capacitivo, come il CC TSON della Panasonic , che impiega un metodo di controllo diverso dai relè MOSFET a LED. In questo dispositivo, il LED di ingresso è stato sostituito da un oscillatore di accoppiamento capacitivo. Ciò consente al relè di essere pilotato in tensione piuttosto che in corrente.

Quando una tensione DC viene applicato ai morsetti di ingresso, il circuito oscillantore viene alimentato producendo un segnale alternato alle sue uscite. Questo segnale attraversa i condensatori che forniscono l’isolamento tra ingresso e uscita.

Successivamente, il segnale viene convertito in una tensione DC da un circuito raddrizzatore. Un circuito di controllo prende questo segnale dc rettificato e carica i gate dei MOSFET sul lato di uscita. Una volta che la tensione di gate del MOSFET fornita dal driver IC raggiunge un valore di tensione preimpostato, i MOSFET iniziano a condurre e accendono il carico.

Rimuovendo il LED dal lato dell’ingresso, vengono rimossi alcuni dei limiti di progettazione precedentemente rilevati dai relè MOSFET, in particolare, il LED occupa un sacco di spazio. Senza di esso, l’area di montaggio è approssimativamente del 46% più piccola del precedente pacchetto tipo SON, rendendo il relè uno dei più piccoli dell’industria.

Inoltre, dal momento che il circuito di controllo è azionato da tensione, non c’è bisogno di una resistenza di limitazione della corrente sul lato di ingresso, esso ha un consumo di corrente estremamente basso.

l’attuazione necessita di correnti di ingresso di 0,2 mA o meno, che è notevolmente inferiore rispetto alla corrente di LED del relè MOSFET precedente.

Poiché la temperatura ha un impatto diretto sulle caratteristiche del LED, un altro vantaggio di rimuoverlo dal relè è la capacità di resistere alle temperature industriali di funzionamento. il relè capacitivo (CC TSON) può funzionare in modo affidabile a temperature fino a 105 ° C, che è 20 ° C superiore alle temperature di funzionamento ambientali per i relè controllati da LED.

Il PhotoMOS si è costantemente ridotto nelle dimensioni negli anni.

Non sono però tutte rose e fiori , esistono alcune limitazioni. Un vincolo è che l’isolamento tra ingresso e uscita è al massimo di 200 V. Poiché la dimensione dei MOSFET interni è molto piccola, il relè è ancora limitato a tensioni di carico di 30 e 40 V (ac-picco o dc) e corrente di carico di 300 o 750 mA, a seconda del modello.

I vantaggi del CC TSON

Questi possono includere, ma non sono certamente i soli, apparecchiature di prova automatiche, attrezzature di sicurezza e telecomunicazioni. Applicazioni quali sonde e tester di bordo richiedono un montaggio ad alta densità. La piccola dimensione di questo tipo di relè consente di spingere i limiti di quante sonde possono essere aggiunte ad una singola scheda di prova.

Per i dispositivi di sicurezza a batteria come telecamere, allarmi antincendio, rivelatori di fumo e radio portatili, è estremamente importante estendere la durata della batteria. La richiesta di bassa potenza per il funzionamento del relè capacitivo-accoppiato può essere molto attraente in queste applicazioni.

Nei moduli I / O per dispositivi PLC di sicurezza, la capacità di resistere ad alta temperatura industriale e le piccole dimensioni possono essere cruciali. Quindi, quando si desidera l’isolamento funzionale per la conversione analogico-digitale, il CC TSON è una soluzione.Inoltre, il basso consumo di corrente da 0,2 mA consente di azionare direttamente l’interruttore dal microcontrollore senza l’assistenza di un circuito di amplificatore a transistor.

Conclusione

Finché la progettazione del circuito ha la necessità di automatizzare la commutazione con l’isolamento elettrico, i relè continueranno a rimanere componenti integranti. L’evoluzione dei relè è passata dall’utilizzo di attuatori a bobina magnetica, ai LED utilizzati per guidare triac o MOSFETS, al recente sviluppo di isolamento capacitivo.

A causa dell’ampia gamma di vantaggi e limitazioni di ciascun tipo, nessuna di queste tecnologie sarà obsoleta nel prossimo futuro. La tensione di comando diretta a 3V o 5V lo rendono praticamente universale e la dimostrazione è la continua crescita nella domanda di questo nuovo prodotto.