Il relè

      

Il relè un'apparecchiatura costituita da una bobina, in grado, se alimentata in entrata, di aprire o chiudere dei contatti. Il suo funzionamento è basato sull'azione esercitata dal campo magnetico generato dalla corrente elettrica che attraversa una bobina su di un'ancora mobile solidale ad un meccanismo in grado di muovere i contatti.

Il relè è un apparecchio che contribuisce a risolvere parecchi problemi di logica circuitale elettrica, di natura sia combinatoria sia sequenziale.

Nei tradizionali impianti elettrici negli edifici civili, i relè maggiormente utilizzati sono:

● Relè monostabili, caratterizzati da un solo stato di riposo, possono essere suddivisi in ausiliari, serie o speciali per controlli elettronici. Nel relè monostabile o a rilascio trova posto una bobina con un nucleo ferromagnetico. Se la bobina viene percorsa da una corrente elettrica, si crea una forza che attrae un'ancora mobile. Questa agisce su dei contatti che consentono di inserire o disinserire il carico. Quando la bobina non è più alimentata, una molla di richiamo e, in alcuni casi, l'elasticità dei contatti stessi, riportano il tutto nella posizione di riposo. I contatti consentono di inserire o disinserire il carico. Per facilitare le operazioni di manutenzione, questi relè possono essere dotati di una levetta esterna per l'azionamento dei contatti e di un indicatore meccanico o elettronico (LED) che indica la posizione dei contatti (relè eccitato o diseccitato).

● Relè bistabili, caratterizzati da due possibili stati di riposo, sono del tipo a ritenuta magnetica e presentano pertanto due bobine distinte che hanno la funzione di attrarre o rilasciare i contatti. Mediante un impulso elettrico inviato ad una bobina, il relè bistabile a ritenuta magnetica o meccanica assume la posizione di funzionamento, mentre con un secondo impulso ad un'altra bobina, si ripristinano le condizioni di partenza con i contatti nella posizione di riposo. Il funzionamento è basato su di un'azione magnetica, oppure su un dispositivo meccanico. Per il corretto funzionamento, gli impulsi devono avere una durata di almeno 20÷50 ms. La ritenuta di tipo meccanico permette anche un interblocco, in modo tale che ognuna delle due bobine possa far assumere al relè la posizione di funzionamento solo se l'altra è diseccitata. Come i relè monostabili, anche questi tipi di relè, per facilitare le operazioni di manutenzione, possono essere dotati di una levetta esterna per l'azionamento dei contatti e di un indicatore meccanico o elettronico (LED) che ne indichi la posizione.

● Relè passo-passo, chiamati anche relè ciclici o ad impulso, sono caratterizzati da una bobina che agisce su di un meccanismo che aziona, tramite una camma, uno o più contatti. Con il comando ad impulsi di uno o più pulsanti (fra loro in parallelo) è possibile cambiare lo stato dei contatti.Un esempio tipico è il relè commutatore/interruttore utilizzato negli impianti civili per il comando di apparecchi di illuminazione. Esistono modelli in cui il meccanismo di apertura e chiusura dei contatti è sostituito da un circuito elettronico, presentando quindi il vantaggio di avere una vita meccanica ed elettrica più lunga e di essere particolarmente silenziosi.

● Relè temporizzatori, sono apparecchiature elettromeccaniche o elettroniche normalmente utilizzate negli automatismi per determinare le sequenze operative;essi sono adibiti appunto a funzioni di temporizzazione come accade in certi elettrodomestici come le lavatrici. Queste apparecchiature, quando comandate, intervengono automaticamente dopo un arco di tempo prefissato, chiudendo o aprendo dei contatti che, a loro volta, comandano altre apparecchiature elettriche (lampade, relè, elettrovalvole, motori per aspiratori per cucine e bagni, ecc.). Dal punto di vista del funzionamento, il ritardo può essere ottenuto in vari modi, per esempio per mezzo di azioni meccaniche o elettromeccaniche (con un motorino sincrono che chiude, mediante un'opportuna riduzione meccanica, dei contatti), pneumatiche (con un sistema di smorzamento ad aria, si ottiene aggiungendo un modulo all'unità base del contattore) o elettroniche (consentono svariate funzioni e dispongono in genere di segnalazioni di stato mediante LED o un display a diodi LED o a cristalli liquidi LCD). Le funzioni di ritardo possono essere sostanzialmente di tre tipi: all'eccitazione, alla diseccitazione oppure ad entrambe.

● Relè termici sono utilizzati per la protezione contro i sovraccarichi che si possono verificare in un circuito elettrico. I relè termici sono apparecchiature in grado di controllare la quantità di corrente elettrica che at- traversa un circuito, nonché di pilotare altri dispositivi, come, per esempio, i contattori, in genere diseccitandoli. Elementi essenziali per il funzionamento di un relè termico sono le lamine bimetalliche, una per fase, realizzate con due materiali aventi una diversa dilatazione termica e saldati l'uno sopra l'altro; queste lamine, riscaldandosi al passaggio della corrente elettrica, si dilatano diversa- mente, flettendo la lamina bimetallica e provocando lo spostamento di un meccanismo che determina la commutazione di due contatti ausiliari.

● Relè ausiliari. Nei circuiti ausiliari di comando degli impianti industriali, non esistono solo le apparecchiature viste sinora (pulsanti, selettori, interruttori di posizione, ecc.), ma esistono anche dispositivi elettromagnetici di comando, denominati genericamente relè. Il relè, come già detto, è un'apparecchiatura elettromeccanica molto diffusa. Comandata da una grandezza elettrica, consente l'azionamento di contatti, che, a loro volta, determinano l'apertura o la chiusura di determinati circuiti. Mediante l'appropriato utilizzo di questi contatti, è possibile realizzare la logica di comando di semplici automatismi, nei quali il costo di un PLC non risulta giustificato. In realtà, l'avvento delle apparecchiature elettroniche di controllo ha ridotto drasticamente l'uso dei relè, che tuttavia sono importanti per la realizzazione di circuiti di sicurezza e come interfaccia tra le logiche di controllo elettroniche (PLC) e le apparecchiature di potenza (contattori). Di seguito sono descritti i tipi di relè elettromagnetici maggiormente utilizzati.

Funzionamento del relè

      

Il relè elettromeccanico è formato da un elettromagnete (nucleo ferromagnetico + bobina) e da una serie di contatti (normalmente chiusi N.C., normalmente aperti N.A. o di scambio).

Se la bobina viene eccitata attraverso un circuito elettrico di comando (o secondario), si ha la commutazione dei contatti posti sul circuito di utilizzazione (o primario). I relè possono essere divisi in due tipi: monostabili, quando al cessare del comando sul circuito secondario si ha il ritorno dei contatti nella posizione iniziale, a causa dell'azione di una molla di richiamo; bistabili, quando al cessare del contatto sul circuito secondario, i contatti mantengono la posizione raggiunta.

Impieghi del relè

      

Il relè deve la sua grande diffusione al fatto di poter svolgere numerose funzioni, che possiamo così riassumere:

• relè per aumentare il numero di contatti disponibili;
• relè per negare una funzione logica;
• relè in bassa tensione;
• relè per comandi di sicurezza;
• relè come elemento di memoria.

Relè per aumentare il numero di contatti disponibili

  

In condizione iniziale di riposo, il contatto del pulsante T è aperto, la bobina del relè K non è attivata e pertanto il contatto k₁ è aperto e k₂ è chiuso. Ne consegue che la lampada rossa R è spenta, mentre quella verde V accesa.

La chiusura del contatto del pulsante T indicato nello schema precedente determina l'attivazione della bobina K con conseguente commutazione dei contatti k₁ e k2; si ottiene così l'accensione della lampada rossa R e lo spegnimento della lampada verde V. Il rilascio del pulsante riporta alla riapertura del contatto di T e quindi alla ristabilizzazione della situazione precedente. Il relè permette quindi di ottenere più contatti a disposizione (in questo caso k₁ e k₂) agendo su un solo contatto T. Questa funzione si rivela utile quando si usano sensori e finecorsa, che possiedono solitamente solo un contatto, o al più un contatto di scambio. Se il circuito elettrico richiede più di un contatto, per ragioni di collegamenti logici, si deve necessariamente fare uso di relè aggiuntivi.

Relè per negare una funzione logica

      

Nella pratica è piuttosto semplice implementare un circuito logico. Il seguente schema mostra un circuito equivalente ad una porta NOT.

Quando il contatto A è aperto (0 logico) la lampada Y è attiva (1 logico), viceversa la chiusura (1 logico) del contatto A determina lo spegnimento (0 logico) della lampada Y. In questo caso realizziamo la funzione:
$Y=A↖{-}$
Si possono creare anche funzioni più articolate come nello schema seguente:

dove si realizza la funzione
$Y=A↖{-}·B↖{-}$
per il teorema di De Morgan
$Y=A↖{-}·B↖{-}=\ov{(A+B)}$
Vogliamo implementare quest’ultima funzione usando un relè.
Se prendiamo in considerazione il circuito seguente:

possiamo scrivere:
$X=\ov k_1$
Poiché il contatto $k_1$ è subordinato alla bobina K
$k_1=K$
ed è possibile scrivere:
$K=A+B$
Sostituendo, si ottiene:
$X=\ov k_1= K↖{—}=\ov {A+B}$

Relè in bassa tensione

      

Per ragioni di sicurezza, è di fondamentale importanza che gli operatori alle macchine non eseguano interventi su pulsanti che lavorano a tensioni pericolose.

Attraverso l'uso di un relè si può attuare la separazione tra la tensione del circuito di comando e la tensione del circuito di potenza come si vede nello schema seguente.

La bobina K del relè provoca la commutazione del contatto su una tensione più alta. L'azione sul circuito secondario a bassa tensione (24 V) determina l'attivazione della bobina K del relè e la conseguente commutazione del contatto k1 dello stesso relè su una tensione ben più alta, con avvio del motore M.

Relè per comandi di sicurezza

      

La mancanza di alimentazione è un evento che si può verificare di frequente in un impianto elettrico; in questi casi, si ha un immediato arresto del meccanismo.

Con il ripristino dell'alimentazione, la macchina equipaggiata con contatti bistabili riprende a funzionare come al momento in cui si era interrotta, perché i contatti hanno mantenuto la loro posizione .

In molti casi, però, questo comportamento può risultare pericoloso per gli operatori, nel caso in cui si trovino impiegati in operazioni di verifica del guasto, o può rischiare di danneggiare la stessa macchina o il prodotto. Per questo motivo, i piccoli elettrodomestici a uso domestico sono equipaggiati con appositi sistemi di sicurezza (blocchi meccanici) che impediscono incidenti al ritorno della tensione.

Al contrario di quelli bistabili, i relè monostabili rimangono disattivati anche al ritorno dell'alimentazione e la ripartenza è subordinata al comando dell'operatore.

Questo tipo di relè è azionato mediante un segnale impulsivo: c'è perciò la necessità di alimentarlo in modo permanente attraverso un circuito di autoritenuta.

Consideriamo un esempio pratico. Immaginiamo di dover comandare un motore funzionante a 24 V. Escludendo l'uso di un pulsante bistabile per le ragioni viste precedentemente, possiamo ricorrere a un pulsante monostabile con ritorno a molla. Il funzionamento è subordinato al fatto che si rimanga con il tasto premuto per tutto il tempo necessario, ma è evidente che tale tipo di funzionamento non è attuabile, a causa della scarsa praticità. Tuttavia, lo si può impiegare in circuiti con autoritenuta.

Nel disegno precedente, un relè azionato da un segnale impulsivo deve essere alimentato in modo permanente con un circuito di autoritenuta.

Premendo il tasto di Start, si causa un flusso di corrente nel circuito con avviamento del motore e attivazione della bobina del relè K. Ciò provoca la chiusura del contatto k₁ e conseguente flusso di corrente anche sul ramo di k₂.

Il rilascio del pulsante monostabile Start non determina l'arresto del motore, perché il ramo di autoritenuta (con k₁ ora chiuso) continua ad alimentare la bobina. La bobina del relè si autoalimenta attraverso il suo contatto k₁ come si vede nello schema seguente.

Solo premendo il tasto Stop si ha l'interruzione del flusso della corrente elettrica e la non alimentazione della bobina del relè K. Ne consegue l'apertura del contatto k₁ il ripristino delle condizioni iniziali e l'arresto del motore come si vede nel disegno che segue.

Inoltre, nel caso di interruzione dell'alimentazione a 24 V, la diseccitazione della bobina K comporta l'immediata apertura del contatto k₁. Il riavvio della macchina, una volta ripristinata l'alimentazione, è possibile solamente attraverso il pulsante di Start.

Se si interrompe l'alimentazione della bobina, si ha l'apertura immediata dei contatti k e l'arresto del motore.

Relè come elemento di memoria

      

Alcuni circuiti hanno la peculiarità di poter memorizzare l'ultimo comando eseguito. Esistono due tipi di circuito dotati di memoria, che si caratterizzano per l'effetto conseguente al contemporaneo azionamento di SET e RESET. Si avranno infatti una configurazione a disattivazione prevalente, indicata nello schema seguente;

In questo caso, con Set e Reset commutati la lampada si spegne.
Ci può, poi, essere una configurazione ad attivazione prevalente, come si vede qui di seguito.

In questo caso, con Set e Reset commutati la lampada si accende.

Dunque, nel primo caso la lampada rimane spenta, mentre nel secondo si accende.

Immaginiamo, per entrambi i circuiti, di chiudere il contatto di SET e riaprirlo, poi di chiudere il contatto di RESET e riaprirlo. Possiamo riassumere il funziona- mento del circuito nella tabella seguente; nella prima colonna sono riportati i tempi di azionamento dei contatti SET e RESET (Aperto = 0, Chiuso = 1) e nell'ultima colonna lo stato della lampada X (Spenta = 0, Accesa = 1):

Tempo	Set	Reset	X
0	0	0	0
1	1	0	0
2	0	0	1
3	0	1	0
4	0	0	0

Appare evidente che la lampada è accesa se l'ultimo pulsante premuto è stato il SET, mentre è spenta se l'ultimo pulsante a essere stato premuto è il RESET.

Questo sistema, in sostanza, memorizza l'ultimo comando: possiamo infatti dire che lo stato acceso/spento della lampada è una spia dell'ultimo comando eseguito SET/RESET sul circuito. Pertanto, tali circuiti possono essere usati per memorizzare comandi, bit e informazioni. La differenza tra il circuito di disattivazione prevalente e quello di attivazione prevalente consiste nel fatto che premendo contemporaneamente i due pulsanti SET e RESET, nel primo circuito la lampada si spegne, mentre nel secondo si accende. La memoria del circuito a disattivazione prevalente, ed è maggiormente impiegata nella pratica. La sua funzione logica è la seguente:
$X = K = (Set + k_1)· \ov{Reset}\ $
Mentre il circuito di memoria ad attivazione prevalente è descritto dalla funzione logica :
$X = K = Set + (k_1·\ov{Reset}\)$

Questi circuiti sono alla base dei circuiti sequenziali, dove l'uscita non è più solo funzione degli ingressi, ma anche dello stato assunto nell'istante precedente dall'uscita stessa. Infatti, come si può notare dalla tabella riportata in precedenza, all'istante 2 e all'istante 4 gli ingressi SET e RESET valgono 0, mentre l'uscita vale 1 nel primo caso e 0 nel secondo. Risulta quindi chiaro che l'uscita non può dipendere solo dalla combinazione degli ingressi, ma anche da un altro parametro. Essa assumerà valore 0 oppure 1 se precedentemente aveva, rispettivamente, valore 0 oppure 1. Quindi, se all'istante 1 aveva valore 1, allora all'istante 2 permarrà il valore 1; se invece all'istante 3 aveva valore 0, allora all'istante 4 permarrà il valore 0. In conclusione, l'uscita deve "ricordare" il valore assunto precedentemente dall'uscita stessa. Per un qualunque sistema, il modo per riconoscere il valore dell'uscita è far sì che questa diventi un ingresso per il sistema stesso (retroazione). Sia per la memoria ad attivazione sia per quella a disattivazione prevalente, si può notare dall'espressione della funzione risolutrice che il valore di uscita K dipende dal valore di k₁, che è un parametro strettamente connesso all'uscita stessa.