A seconda di chi viene interpellato, i relè stato solido sono la soluzione migliore per gli interruttori di potenza, ma altri insistono che i relè elettromeccanici sono una scelta obbligata. Chi ha ragione e per quali motivi? Per rispondere a queste domande, esaminiamo le differenze tra i relè elettromeccanici e i relè stato solido e il modo in cui essi funzionano, quindi confrontiamo le loro specifiche di prestazione su più livelli.
Cosa è un relè?
Un relè è una soluzione di commutazione di potenza che può essere utilizzata per allocare potenza senza dover aprire e chiudere manualmente l'interruttore. Per attivare e disattivare, un relè richiede semplicemente un piccolo segnale elettrico. Questo segnale è un "custode" metaforico per un segnale elettrico molto più grande. La possibilità di avere un controllo a bassa potenza su un segnale ad alta potenza è la caratteristica che ha reso i relè così importanti nella storia dell'elettronica.
Quali sono le differenze tra i relè elettromeccanici e i relè stato solido?
Relè elettromeccanico (EMR)
Un relè elettromeccanico utilizza una parte mobile fisica per collegare i contatti all'interno della parte di uscita del relè. Il movimento di questo contatto viene generato con l'aiuto di forze elettromagnetiche dal segnale di ingresso a bassa potenza, consentendo di completare il circuito che contiene il segnale ad alta potenza. La parte fisica all'interno del relè elettromeccanico genera di solito un "clic" che può essere utile in alcune situazioni, ma può determinare un arco interno e richiede una quantità di tempo relativamente grande per spostarsi.
Relè stato solido (SSR)
Un relè stato solido potrebbe essere il manifesto del settore dei semiconduttori. Gli SSR utilizzano un segnale elettrico a bassa potenza per generare un segnale del semiconduttore ottico, di solito con un optoaccoppiatore, che trasmette e fornisce elettricità al segnale di uscita. Quando è attivato, il segnale ottico di ingresso funge da "interruttore" che consente a un segnale ad alta tensione di passare attraverso la parte di uscita del SSR. Ciò può avvenire in diversi modi, ma l'aspetto comune è la mancanza di parti in movimento che li rende così a stato solido.
Figura 1 – Un tipico EMR (Relè elettromeccanico) e un diagramma a blocchi EMR che ne illustra le parti mobili.
Figura 2 – Relè stato solido con montaggio a pannello – di Crydom e un diagramma che mostra il meccanismo dell'optotrasmettitore. Diagramma per gentile concessione di Wikipedia.
Entrambe le tecnologie possono essere utilizzate per applicazioni di riscaldamento, illuminazione, controllo del movimento e altro ancora. Tuttavia, i relè stato solido sono superiori ai relè elettromeccanici nella maggior parte delle categorie messe a confronto. I relè elettromeccanici sono una tecnologia relativamente antica che utilizza un approccio di progetto meccanico semplice, mentre i relè stato solido sono molto più nuovi, avanzati e complessi. Qualcuno potrebbe affermare che qualcosa di complesso non è necessariamente migliore di un prodotto più semplice paragonabile che svolge la stessa operazione. Tuttavia, gli SSR più complessi possono solo risultare vincenti in termini di prestazioni.
Quali sono i vantaggi nell'utilizzare un relè stato solido anziché un relè elettromeccanico?
I relè stato solido hanno un prezzo iniziale piuttosto elevato che forse intimorisce se messo a confronto con quello di un relè elettromeccanico. Tuttavia, l'integrazione di un SSR anziché un EMR può comportare un costo complessivo uguale o addirittura inferiore a seconda della particolare applicazione, cosa di cui si discuterà più avanti. Inoltre, gli SSR spesso offrono prestazioni superiori rispetto agli EMR in diverse aree. Confrontiamo i due:
Come si può notare, gli SSR sono generalmente più dinamici nelle prestazioni e nelle caratteristiche che offrono rispetto agli EMR. In un'area però i relè EMR risultano essere più vantaggiosi: la gestione termica. Gli SSR possono avere ordini di grandezza della dissipazione di potenza più grandi rispetto ai relè elettromeccanici semplicemente a causa della fisica che utilizzano. Ciò generalmente implica che i progettisti di parti debbano integrare dissipatori di calore e ventole nei loro progetti, aumentando così il costo iniziale complessivo che si avrebbe normalmente con gli SSR.
Prima di scartare gli SSR in funzione solo del costo iniziale, soffermiamoci sul costo totale di proprietà e su come le persone determinano ciò che significa realmente "costo".
Confronto tra costi: in che modo può valere la pena utilizzare gli SSR alla lunga
Gli ingegneri tendono a concentrarsi sul rendimento e un miglior rendimento generalmente implica costi più elevati. I manager della catena di approvvigionamento, d'altro canto, sono molto più preoccupati del prezzo iniziale delle parti e dei tempi di consegna, quelli che vengono chiamati costi di approvvigionamento. I manager aziendali e di marketing si focalizzano sui costi di garanzia, che comprendono i costi di aspettativa di vita e i costi di mantenimento associati, come tempi di inattività, di viaggio, di sostituzione e di riparazione delle parti, nonché della forza lavoro. Tra tutti questi costi, solo il prezzo iniziale delle parti può essere paragonabili al summenzionato "costo iniziale unico".
Pertanto, proprio poiché i relè elettromeccanici hanno un prezzo iniziale inferiore, non vuol dire che "costino meno" considerata la somma di tutti i costi nascosti che subentrano in un secondo momento. Troppo spesso nelle aziende di oggi i manager richiedono soluzioni "più rapide, migliori e più economiche", che molto spesso sono delle priorità in concorrenza fra loro: più economico non significa necessariamente migliore e/o più veloce. Tuttavia, utilizzando i contattori e i relè di Crydom è possibile comunque raggiungere soluzioni più rapide, migliori e più economiche se si considera il loro costo totale di proprietà. I relè stato solido sono soluzioni con prestazioni affidabili che contribuiscono alla durata dell'applicazione, pertanto raramente ci si deve preoccupare dell'assistenza, della riparazione o della sostituzione una volta che sono stati installati.
Un utile strumento per confrontare il costo totale di proprietà
Per un aiuto nell'analisi del costo totale di proprietà (TCO) per gli SSR rispetto agli EMR, Crydom ha sviluppato un calcolatore del TCO facile da usare, che è possibile trovare sul rispettivo sito Web sotto la scheda "Strumenti". Il calcolatore prende in considerazione le informazioni correlate sia ai costi diretti che a quelli indiretti e presuppone che entrambe le soluzioni di commutazione siano state selezionate correttamente per corrispondere ai sistemi di carico e di potenza. Inoltre, il calcolatore tiene conto dei costi principali associati alla tecnologia, data la loro frequenza tra le diverse applicazioni.
Il costo unitario del calcolatore è il costo dell'acquisizione della soluzione di commutazione. È ugualmente possibile aggiungere dei dissipatori di calore (per gli SSR) e degli zoccoli (per gli EMR) se richiesti. Anche la durata, espressa in numero di cicli o operazioni, è usata nei calcoli perché è un requisito specifico per una data applicazione. Potrebbero essere inclusi i cicli al minuto o il tipo di carico (ad es. resistivo, induttivo, trasformatore/condensatore o resistenza).
Il tipo di carico serve per stimare le regolazioni della durata degli EMR e il calcolatore seleziona automaticamente la riduzione corretta in base al carico scelto: 80% per motori, bobine o solenoidi; 75% per trasformatori o condensatori; 70% per le resistenze. Il periodo di garanzia, anch'esso compreso nel calcolo, viene usato come riferimento temporale nella presentazione dei risultati stimati del costo totale. Può essere regolato in modo da mostrare periodi di tempo diversi, da un mese a un anno o più. Anche il costo per servizio, un'altra variabile, deve essere considerato perché cambia a seconda delle applicazioni o da un modello aziendale all'altro. La figura 3 mostra il calcolatore del TCO di Crydom.
Figura 3 – Calcolatore del TCO di Crydom.
Nella scelta tra la tecnologia di relè elettromeccanici e quella a stato solido, si potrebbe avere qualche difficoltà a superare l'impatto del costo iniziale degli SSR. Tuttavia, mentre il costo iniziale dell'EMR è inferiore a quello del SSR, man mano che il conteggio dei cicli cresce, aumentano anche i costi di mantenimento, riparazione e sostituzione dell'EMR. Pertanto, una volta verificato il costo totale di proprietà sia degli SSR che degli EMR, ci si renderà conto che il costo della durata di vita degli SSR è uguale o inferiore a quello degli EMR in molti casi. Considerati i vantaggi che gli SSR hanno sugli EMR in merito alle caratteristiche e al rendimento, non è difficile giustificare l'integrazione di un SSR nel proprio progetto.
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Per ulteriori informazioni, leggere Cosa c'è dentro un relè stato solido?