Relè elettromeccanici e relè a stato solido: differenze chiave

Scegliere tra un relè elettromeccanico e un relè a stato solido non è semplicemente una questione di scelta della tecnologia più recente. Entrambi i dispositivi consentono a un segnale di controllo a bassa-potenza di commutare un carico di-potenza maggiore, ma ottengono questo risultato in modi molto diversi.

Un relè elettromeccanico, spesso abbreviato in EMR, utilizza una bobina, una forza magnetica e contatti fisici. Un relè a stato solido, o SSR, esegue l'operazione di commutazione con componenti a semiconduttore e non ha contatti mobili.

Queste differenze strutturali influiscono sulla velocità di commutazione, sulla durata, sulla generazione di calore, sulla corrente di dispersione, sull'isolamento elettrico, sul rumore, sui costi e sulla compatibilità del carico.

Quindi, quale relè è migliore?

La risposta breve è:

Scegli un relè elettromeccanico quando hai bisogno di una bassa resistenza dello stato-, una corrente di dispersione minima, una commutazione CA/CC flessibile, un isolamento dei contatti visibile o un costo iniziale inferiore.

Scegli un relè a stato solido quando hai bisogno di commutazioni veloci, silenziose e frequenti senza usura dei contatti meccanici.

Questa guida spiega le differenze tra relè elettromeccanici e relè a stato solido per aiutarti a selezionare il dispositivo appropriato per la tua applicazione.

Cos'è un relè elettromeccanico?

Un relè elettromeccanico è un interruttore azionato elettricamente che utilizza la forza elettromagnetica per spostare uno o più contatti fisici.

I suoi principali componenti interni normalmente includono:

Bobina elettromagnetica

Armatura

Meccanismo a molla

Contatti fissi e mobili

Terminali

Custodia protettiva

Quando alla bobina viene applicata la tensione nominale, la bobina genera un campo magnetico. Questo campo magnetico muove l'armatura, provocando l'apertura o la chiusura dei contatti.

Quando l'alimentazione della bobina viene rimossa, normalmente una molla riporta i contatti nella loro posizione originale.

A seconda della configurazione dei contatti, un relè elettromeccanico può fornire:

Contatti normalmente aperti

Contatti normalmente chiusi

Contatti di commutazione

Commutazione SPST

Commutazione SPDT

Commutazione DPDT

Commutazione-multipolare

I relè elettromeccanici sono ampiamente utilizzati nei pannelli di controllo industriali, negli elettrodomestici, nei sistemi automobilistici, nei macchinari, nelle pompe, nei motori, nei sistemi di illuminazione e nelle apparecchiature di distribuzione dell'energia.

Cos'è un relè a stato solido?

Un relè a stato solido è un dispositivo di commutazione elettronico che svolge una funzione simile a un relè elettromeccanico ma non utilizza contatti meccanici mobili.

Utilizza invece componenti di commutazione a semiconduttore come:

TRIAC

Tiristori o SCR

MOSFET

Transistor

Optoaccoppiatori

Quando viene applicata una tensione di controllo al lato di ingresso, il circuito elettronico interno attiva l'uscita a semiconduttore. L'uscita consente quindi alla corrente di fluire attraverso il carico collegato.

Molti SSR utilizzano l'accoppiamento ottico per fornire isolamento elettrico tra il circuito di controllo di ingresso e il circuito di carico di uscita.

Poiché un SSR non ha contatti meccanici, può commutare rapidamente e silenziosamente senza rimbalzo dei contatti o usura meccanica. Tuttavia, la sua uscita a semiconduttore introduce caratteristiche come caduta di tensione, corrente di dispersione e generazione di calore che devono essere considerate durante la selezione.

Relè elettromeccanici e relè a stato solido: confronto rapido

1. Principio di funzionamento

La differenza più grande tra un relè elettromeccanico e un relè a stato solido è il modo in cui viene commutato il circuito di carico.

Funzionamento del relè elettromeccanico

Un EMR sposta fisicamente i contatti conduttivi. Quando i contatti si chiudono, la corrente scorre attraverso le superfici di contatto metalliche. Quando i contatti si aprono, un traferro separa il circuito di carico.

Questa separazione fisica conferisce ai relè elettromeccanici uno stato di spegnimento-e una corrente di dispersione generalmente molto bassa.

Tuttavia, ogni movimento di contatto crea stress meccanico. Quando il relè commuta un carico sotto tensione, anche la formazione di archi elettrici può danneggiare gradualmente le superfici di contatto.

Funzionamento del relè a stato solido

Un SSR utilizza componenti a semiconduttore per controllare il circuito di uscita. Niente si muove fisicamente durante il cambio.

Ciò elimina l'usura meccanica e il rimbalzo dei contatti, ma il semiconduttore non si comporta esattamente come un contatto metallico. Anche se acceso produce una caduta di tensione. Quando è spento, una piccola quantità di corrente potrebbe ancora passare attraverso l'uscita.

2. Velocità di cambio

I relè a stato solido generalmente commutano più velocemente dei relè elettromeccanici.

Un relè elettromeccanico ha bisogno di tempo per:

Eccitare la bobina.

Costruisci un campo magnetico.

Muovi l'armatura.

Chiudere o aprire i contatti.

Consentire al rimbalzo del contatto di stabilizzarsi.

Un relè a stato solido completa elettronicamente il processo di commutazione, quindi non attende il movimento di un'armatura meccanica.

Ciò rende gli SSR adatti per applicazioni che coinvolgono:

Controllo rapido della temperatura

Commutazione ad alta-frequenza

Macchine per l'imballaggio

Apparecchiature per semiconduttori

Linee di produzione automatizzate

Controllo ripetitivo del riscaldatore

Tuttavia, una commutazione più rapida non rende automaticamente migliore un SSR. Molte pompe, ventole, luci e circuiti di controllo industriale non richiedono un funzionamento ad alta-velocità.

3. Durata utile

I relè a stato solido solitamente presentano un vantaggio nelle applicazioni che richiedono commutazioni molto frequenti.

Poiché un SSR non ha contatti in movimento, non sperimenta:

Usura dei contatti meccanici

Vaiolatura del contatto

Il contatto rimbalza

Stanchezza primaverile

Guasto dell'armatura meccanica

Un relè elettromeccanico ha sia una durata meccanica che una durata elettrica. La sua vita elettrica può essere molto più breve della vita meccanica perché la commutazione di un carico alimentato può creare archi elettrici distruttivi e usura dei contatti.

Tuttavia, un SSR non è indistruttibile. Calore eccessivo, sovracorrente, cortocircuiti e transitori di tensione possono danneggiare l'uscita del semiconduttore.

Pertanto, la vita utile effettiva di ciascun relè dipende da:

Tipo di carico

Frequenza di commutazione

Corrente di spunto

Temperatura ambiente

Protezione contro le sovratensioni

Qualità dell'installazione

Declassamento del relè

Gestione termica

4. Rumore di commutazione

I relè elettromeccanici normalmente producono un clic udibile quando l'armatura si muove.

In molti ambienti industriali, questo suono non è un problema. Può anche fornire un feedback utile sull'intervento del relè.

Tuttavia, il clic del relè potrebbe essere indesiderato in:

Attrezzature mediche

Attrezzature per ufficio

Sistemi audio

Attrezzature da laboratorio

Controlli residenziali

Sistemi di automazione-sensibili al rumore

Un relè a stato solido funziona silenziosamente perché non contiene armature o contatti mobili.

Se il funzionamento silenzioso è un requisito importante, un SSR è generalmente l'opzione migliore.

5. Contatta Bounce

Quando i contatti all'interno di un relè elettromeccanico si chiudono, potrebbero rimbalzare brevemente prima di stabilizzarsi in una posizione stabile.

Ciò può creare diverse transizioni elettriche rapide invece di una transizione perfettamente pulita. Il rimbalzo dei contatti può influenzare i circuiti elettronici sensibili, i contatori o gli ingressi digitali ad alta-velocità.

Un relè a stato solido non dispone di contatti meccanici e pertanto non è soggetto a rimbalzo meccanico dei contatti.

Per la maggior parte dei motori, dei riscaldatori e dei carichi industriali generali, il rimbalzo dei contatti non rappresenta un grosso problema. Per la commutazione sensibile del segnale, potrebbe essere necessario un filtraggio aggiuntivo o una logica antirimbalzo.

6. Caduta di tensione e calore sullo-stato

Questa è una delle differenze più importanti tra i relè elettromeccanici e quelli a stato solido.

Relè elettromeccanico termico

Quando i contatti EMR sani sono chiusi, la loro resistenza è normalmente molto bassa. Di conseguenza, la perdita di potenza tra i contatti è spesso limitata.

La bobina consuma ancora energia e genera calore, ma i contatti di carico chiusi solitamente producono meno calore di un'uscita a semiconduttore che trasporta la stessa corrente.

Relè termico a stato solido

Un relè a stato solido presenta una caduta di tensione-allo stato attivo sul semiconduttore di uscita.

La potenza approssimativa dissipata dall'SSR può essere calcolata come:

[
P=V_{\\text{drop}} \\times I_{\\text{load}}
]

Ad esempio, se l'SSR presenta una caduta di tensione-allo stato attivo di 1,5 V e trasporta 20 A:

[
P=1.5 \\times 20=30\\text{ W}
]

Trenta watt rappresentano una quantità significativa di calore. La SSR può richiedere:

Dissipatore di calore di dimensioni corrette

Composto termico o cuscinetto termico

Custodia ventilata

Distanziamento adeguato

Declassamento attuale

Monitoraggio della temperatura

Un errore comune nella selezione degli SSR è scegliere un relè basandosi solo sulla corrente nominale stampata senza calcolare la dissipazione del calore.

7. Corrente di dispersione nello stato spento

Quando un relè elettromeccanico è aperto, i suoi contatti separati normalmente forniscono una corrente di dispersione nello stato off- estremamente bassa.

Un relè a stato solido può consentire il passaggio di una piccola quantità di corrente attraverso l'uscita anche quando è spento. Questa è una caratteristica normale delle uscite a semiconduttore e dei circuiti smorzatori interni.

Anche se la corrente di dispersione può essere piccola, può causare problemi con:

Lampade a LED che si illuminano debolmente

Ingressi elettronici sensibili

Carichi ad alta-impedenza

Piccoli solenoidi

Apparecchiature di misurazione

Ipotesi di sicurezza della manutenzione

Un SSR non dovrebbe quindi essere trattato automaticamente come una disconnessione fisica completa.

Se l'applicazione richiede perdite estremamente basse o una separazione visibile dei contatti, potrebbe essere più adatto un relè elettromeccanico o un dispositivo di isolamento meccanico aggiuntivo.

8. Compatibilità del carico CA e CC

I contatti dei relè elettromeccanici possono spesso commutare CA o CC entro i valori specificati dal produttore.

Un relè a stato solido deve essere selezionato in base alla sua tecnologia di uscita.

Le configurazioni SSR comuni includono:

Ingresso CC su uscita CA

Ingresso CA all'uscita CA

Ingresso CC su uscita CC

Ingresso CA all'uscita CC

Un SSR con uscita CA- utilizza comunemente un TRIAC o un SCR. Questi dispositivi si basano sullo zero della corrente CA che attraversa lo zero e pertanto non sono generalmente adatti per la commutazione di carichi CC.

Un SSR con uscita- CC può utilizzare MOSFET o transistor. Alcuni modelli DC sono sensibili alla polarità-.

Verifica sempre:

Tensione di controllo in ingresso

Tensione di carico in uscita

Tipo di uscita CA o CC

Corrente continua massima

Corrente di carico minima

Perdita nello stato off-

Caduta di tensione nello stato-attivo

Non dare mai per scontato che un SSR classificato per una particolare tensione possa commutare sia CA che CC.

9. Corrente di spunto e tolleranza al sovraccarico

Molti carichi elettrici assorbono una corrente di avviamento molto superiore alla normale corrente operativa.

Gli esempi includono:

Motori

Trasformatori

Lampade a incandescenza

Alimentatori capacitivi

Solenoidi

Compressori

I contatti dei relè elettromeccanici possono spesso tollerare brevi picchi di corrente meglio delle uscite a semiconduttore, a condizione che il relè abbia il carico nominale appropriato.

I relè a stato solido possono essere danneggiati rapidamente da una corrente eccessiva. La protezione può richiedere:

Fusibile a semiconduttore-ad azione rapida

Interruttore automatico

MOV

Diodo TVS

Ammortizzatore RC

Diodo flyback

Declassamento di corrente adeguato

Il relè deve essere selezionato utilizzando le caratteristiche di avviamento o di spunto del carico-non solo la sua corrente-stazionaria.

10. Commutazione di carichi induttivi

I carichi induttivi possono generare transitori di tensione quando la corrente viene interrotta.

Gli esempi includono:

Bobine di relè

Solenoidi

Motori

Valvole

Contattori

Trasformatori

Per le bobine CC, un diodo flyback viene spesso posizionato sul carico per sopprimere la tensione inversa generata quando la corrente viene interrotta.

Per i carichi CA, a seconda del circuito, può essere appropriato uno smorzatore RC o un MOV.

Sia i relè elettromeccanici che quelli a stato solido richiedono un'attenta protezione quando si commutano carichi induttivi. Il metodo di protezione corretto dipende dalla tensione di carico, dalla corrente, dalla velocità di commutazione e dal tempo di rilascio accettabile.

11. Zero-Commutazione incrociata

Alcuni relè a stato solido CA utilizzano la commutazione incrociata zero-.

Un SSR a zero-cross attende finché la forma d'onda CA non è vicina allo zero prima di accendersi. Ciò può ridurre:

Rumore elettrico

Interferenza elettromagnetica

Cambiamenti attuali improvvisi

Sollecitazione di commutazione in alcuni carichi resistivi

Gli SSR zero-cross vengono comunemente utilizzati per:

Riscaldatori elettrici

Controllo della temperatura

Forni

Apparecchiature per il riscaldamento industriale

Tuttavia, il passaggio allo zero-cross non è l'ideale per ogni applicazione. Il controllo di fase, l'attenuazione e alcuni carichi induttivi potrebbero richiedere un'accensione casuale-sul SSR o un altro metodo di controllo.

12. Isolamento elettrico

Entrambi i tipi di relè possono fornire isolamento tra un circuito di controllo a bassa-potenza e un circuito di carico a-potenza maggiore.

Un relè elettromeccanico isola la bobina dai contatti attraverso la sua costruzione fisica.

Molti relè a stato solido utilizzano un fotoaccoppiatore per isolare l'ingresso dall'uscita.

Quando si confrontano le prestazioni di isolamento, rivedere i valori del produttore per:

Rigidità dielettrica

Resistenza di isolamento

Distanza di dispersione

Distanza di sicurezza

Resistere alle sovratensioni

Approvazioni di sicurezza

La parola "relè" da sola non garantisce che un particolare modello soddisfi i requisiti di isolamento del proprio sistema.

13. Modalità di fallimento

Comprendere il motivo per cui un relè potrebbe guastarsi è essenziale nelle apparecchiature-sensibili alla sicurezza.

Guasti comuni dei relè elettromeccanici

I contatti si consumano

I contatti si ossidano

I contatti si saldano chiusi

La bobina si brucia

La primavera si indebolisce

L'armatura si blocca

La resistenza del contatto aumenta

Guasti comuni dei relè a stato solido

Il semiconduttore presenta un guasto in cortocircuito-

Il semiconduttore non funziona nel circuito-aperto

L'uscita si surriscalda

Il circuito di isolamento si deteriora

La sovratensione danneggia l'uscita

La corrente di dispersione aumenta

Il sistema non dovrebbe dare per scontato che uno dei relè fallirà sempre in modo sicuro. Laddove il guasto possa creare pericolo, utilizzare protezione aggiuntiva, diagnostica o commutazione ridondante.

14. Costo

I relè elettromeccanici sono generalmente meno costosi a livello di componente, soprattutto per le applicazioni di commutazione a bassa-frequenza.

Tuttavia, il prezzo di acquisto più basso non sempre produce il costo di vita più basso.

Un SSR può ridurre i costi di manutenzione a lungo termine-quando un'applicazione prevede milioni di cicli di commutazione. Un EMR può risultare più economico quando il passaggio avviene solo poche volte all’ora o al giorno.

Il confronto dei costi totali dovrebbe considerare:

Prezzo di acquisto del relè

Costo del dissipatore di calore

Componenti di protezione

Ventilazione dell'involucro

Frequenza di sostituzione prevista

Fermi macchina

Manodopera di manutenzione

Perdita di energia

Spazio di installazione

Quando scegliere un relè elettromeccanico?

Un relè elettromeccanico è spesso la scelta migliore quando:

Il carico cambia raramente.

La perdita di stato-low off è importante.

È necessaria una caduta di tensione nello stato- basso.

Lo stesso contatto deve commutare AC o DC.

Sono necessari più poli o contatti di scambio.

Il costo iniziale dei componenti è importante.

Il carico ha una corrente di spunto elevata.

È preferibile uno spazio di contatto fisico.

La velocità di commutazione non è critica.

Il funzionamento sonoro è accettabile.

Le applicazioni tipiche includono:

Pannelli di controllo industriali

Impianti elettrici automobilistici

Elettrodomestici

Pompe e ventilatori

Controlli dell'illuminazione

Interblocchi di sicurezza

Macchinari generali

Controlli della distribuzione dell'energia

Quando dovresti scegliere un relè a stato solido?

Un relè a stato solido è spesso la scelta migliore quando:

Il carico deve cambiare frequentemente.

È richiesto il funzionamento silenzioso.

Il passaggio rapido è importante.

Il rimbalzo del contatto meccanico non è accettabile.

È necessaria una lunga durata ciclistica.

L'apparecchiatura funziona in un ambiente- soggetto a vibrazioni.

È necessario un controllo preciso del riscaldatore.

L'accesso per la manutenzione è limitato.

Le applicazioni tipiche includono:

Riscaldatori industriali

Forni

Attrezzature per l'imballaggio

Macchinari per semiconduttori

Sistemi di controllo della temperatura

Attrezzature da laboratorio

Sistemi di produzione automatizzati

Controllo del processo a ciclo-elevato

Come scegliere tra un EMR e un SSR

Prima di effettuare una selezione finale, raccogliere le seguenti informazioni:

1. Controllo-informazioni laterali

Tensione di controllo disponibile

Segnale di controllo AC o DC

Controllare la capacità di corrente

Tipo di uscita del PLC

2. Carica-informazioni laterali

Tensione di carico

Carico CA o CC

Corrente operativa normale

Corrente di avviamento o di spunto

Carico resistivo, induttivo o capacitivo

Frequenza di commutazione richiesta

3. Informazioni ambientali

Temperatura ambiente

Temperatura dell'involucro

Ventilazione

Vibrazione

Polvere

Umidità

Altitudine di installazione

4. Requisiti funzionali

Vita utile richiesta

Rumore di commutazione accettabile

Corrente di dispersione massima

Velocità di commutazione richiesta

Numero di poli

Contatti normalmente aperti o normalmente chiusi

Requisiti di sicurezza e isolamento

5. Requisiti di installazione

Montaggio su circuito stampato

Montaggio su presa

Montaggio su guida DIN

Montaggio a pannello

Disponibilità del dissipatore di calore

Spazio di installazione disponibile

È possibile sostituire direttamente un relè elettromeccanico con un SSR?

Non sempre.

Anche se la tensione di controllo e la corrente di carico sembrano compatibili, un SSR si comporta diversamente da un relè elettromeccanico.

Prima di sostituire un EMR con un SSR, verificare:

Se il carico è CA o CC

Corrente di dispersione nello stato-spento

Corrente di carico minima

Caduta di tensione nello stato-attivo

Dissipazione del calore

Corrente di spunto

Polarità di uscita

Funzione normalmente chiusa richiesta

Protezione da corto-circuito

Requisiti di isolamento di sicurezza

Una sostituzione diretta senza considerare questi fattori può provocare surriscaldamento, arresto incompleto del carico o guasto prematuro.

Verdetto finale

Non esiste un vincitore universale nel confronto tra relè elettromeccanici e relè a stato solido.

Un relè elettromeccanico offre contatti fisici, perdite molto basse, bassa resistenza allo stato attivo-, configurazioni di contatti flessibili e un buon rapporto qualità-prezzo per applicazioni di commutazione generali.

Un relè a stato solido offre funzionamento silenzioso, commutazione rapida, nessun rimbalzo dei contatti meccanici e prestazioni eccellenti in applicazioni ad alto-ciclo.

La scelta giusta dipende dal carico effettivo e dalle condizioni operative.

Scegli un relè elettromeccanico quando hai bisogno di:

Bassa corrente di dispersione

Bassa perdita di conduzione

Disposizioni di contatti multipli

Migliore-tolleranza ai picchi a breve termine

Costo iniziale inferiore

Scegli un relè a stato solido quando ti serve:

Commutazione frequente

Funzionamento silenzioso

Risposta più rapida

Nessuna usura meccanica dei contatti

Controllo ripetitivo stabile

Ancora più importante, non selezionare un relè solo in base alla tensione e alla corrente. La frequenza di commutazione, la corrente di spunto, il tipo di carico, la progettazione termica, la corrente di dispersione e il comportamento in caso di guasto richiesto sono ugualmente importanti.

Domande frequenti

Un relè a stato solido è migliore di un relè elettromeccanico?

Non in tutte le applicazioni. Gli SSR sono generalmente migliori per commutazioni veloci, silenziose e frequenti. I relè elettromeccanici sono spesso migliori quando sono più importanti basse perdite, basse perdite di conduzione, disposizioni di contatti multipli o costi inferiori.

Quale relè dura di più?

Un relè a stato solido correttamente selezionato può garantire una durata ciclica più lunga perché non ha contatti mobili. Tuttavia, il surriscaldamento o le sovratensioni elettriche possono causare il guasto prematuro di un SSR.

Un relè a stato solido necessita di un dissipatore di calore?

Molti SSR richiedono un dissipatore di calore quando si commutano correnti moderate o elevate. La decisione dovrebbe basarsi sulla-caduta di tensione allo stato attivo, sulla corrente di carico, sulla temperatura ambiente e sulle informazioni sul declassamento termico del produttore.

Un relè elettromeccanico consuma più energia?

Un relè elettromeccanico richiede alimentazione continua alla bobina mentre è eccitato, a meno che non sia un relè bistabile. Un SSR normalmente richiede meno potenza in ingresso, ma il suo semiconduttore in uscita può dissipare più calore trasportando la corrente di carico.

Un relè a stato solido può commutare sia AC che DC?

Di solito non con lo stesso output. Gli SSR con uscita CA-e gli SSR con uscita-CC utilizzano tecnologie di semiconduttori diverse. Il tipo di uscita deve corrispondere al carico.

Perché un SSR mostra ancora tensione quando è spento?

Piccole correnti di dispersione-nello stato spento possono passare attraverso l'SSR e le apparecchiature di misurazione collegate. Un multimetro ad alta-impedenza potrebbe quindi visualizzare la tensione anche se l'SSR non sta alimentando attivamente il carico.

Un SSR può sostituire un relè automobilistico?

È possibile in alcune applicazioni, ma normalmente non è una sostituzione diretta. I sistemi automobilistici comportano carichi CC, correnti di spunto elevate, transitori di tensione, variazioni di temperatura e vibrazioni. L'SSR deve essere specificamente progettato e protetto per l'ambiente automobilistico.

Quale relè è migliore per il controllo del motore?

Dipende dalla corrente del motore, dalla corrente di avviamento e dalla frequenza di commutazione. I relè di potenza o i contattori elettromeccanici sono comuni per i motori perché possono gestire correnti di spunto elevate. I relè a stato solido con classificazione adeguata possono essere utilizzati in applicazioni a commutazione frequente-con un'adeguata protezione termica e da sovratensione.

Quale relè è migliore per il controllo del riscaldatore?

I relè a stato solido sono comunemente preferiti per il controllo dei riscaldatori elettrici perché offrono commutazioni frequenti e silenziose e possono funzionare bene con i termoregolatori. Sono essenziali una corretta dissipazione del calore e una protezione da sovracorrente.

Qual è lo svantaggio principale di un relè a stato solido?

I suoi principali svantaggi includono la corrente di dispersione nello stato off-, la caduta di tensione nello stato-on, la generazione di calore, la sensibilità ai picchi elettrici e la possibile necessità di un dissipatore di calore.

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