I relè elettrici possono essere suddivisi in due categorie, vale a dire relè elettromeccanici e relè a stato solido.
Relè elettromeccanici
I relè elettromeccanici sono dispositivi di natura elettromagnetica che convertono il flusso magnetico, generato dal segnale CC o CA a bassa potenza in ingresso attorno ai relè, nella forza meccanica utilizzata per azionare i contatti elettrici nei relè. I relè elettromeccanici più comunemente utilizzati sono dotati di circuito; avvolto attorno a un nucleo di ferro assorbente; che è noto come circuito primario.
Il nucleo di ferro ha sia una parte fissa chiamata giogo, sia un'armatura che è una parte mobile caricata a molla, che chiude il traferro tra l'armatura mobile e la bobina elettrica fissa, completando quindi il circuito del campo magnetico. L'armatura chiude i contatti ad essa collegati e può muoversi liberamente nel campo magnetico generato grazie alla sua posizione imperniata o incernierata. Una o più molle sono collegate tra l'armatura e il giogo per generare la corsa di ritorno per ripristinare i collegamenti nella loro posizione originale quando la bobina del relè è diseccitata o è nello stato spento.
Costruzione di Relè Elettromeccanici
La figura sopra mostra il semplice relè che ha due serie di contatti elettricamente conduttivi. I relè possono essere “Normalmente aperti” o “Normalmente chiusi”. La coppia di contatti è caratterizzata come contatti normalmente aperti o chiusi, mentre una coppia è caratterizzata come contatti normalmente chiusi o aperti. Nei contatti Normalmente Aperti i contatti sono aperti quando non c'è alimentazione in ingresso, sono chiusi solo in presenza di corrente di campo, mentre nei contatti Normalmente Chiusi i contatti sono chiusi in assenza di alimentazione in ingresso, sono aperti solo in presenza di corrente di campo corrente di campo. Questi termini vengono utilizzati per impostazione predefinita per i circuiti diseccitati che si trovano nello stato spento.
I contatti dei relè sono pezzi di metallo elettricamente conduttivi, quando entrano in contatto tra loro completano il circuito e conducono il flusso di corrente attraverso il circuito proprio come gli interruttori. Nello stato aperto hanno una resistenza molto elevata in mega ohm e agiscono come un circuito aperto, mentre nello stato chiuso agiscono come un interruttore chiuso e, idealmente, dovrebbero avere una resistenza pari a zero, ma c'è sempre una certa quantità di resistenza di contatto che viene definita “resistenza ON”.
I nuovi contatti e relè hanno una resistenza ON molto bassa perché i loro puntali sono puliti e nuovi, ma col tempo questa resistenza aumenterà. Nei contatti si osserva un effetto di arco che viene definito danneggiamento delle punte dei contatti se non sono adeguatamente protetti da carichi capacitivi e induttivi elevati. Poiché la corrente fluirà attraverso i contatti quando sono collegati, e l'effetto di arco se non controllato continuerà ad aumentare aumentando la resistenza, il che alla fine si tradurrà in contatti strappati e non conduttori anche quando sono nello stato chiuso.
Per ridurre gli effetti di inarcamento e l'elevata “resistenza ON” nei conduttori e migliorarne la durata, le moderne punte dei conduttori sono realizzate o rivestite con diverse leghe d'argento. Alcuni di essi includono Ag (argento fino), AgCu (rame argento), AgCdO (ossido di cadmio d'argento), AgW (tungsteno d'argento), AgNi (nichel d'argento), leghe di platino, oro e argento e AgPd (palladio d'argento).
La lunga durata dei contatti del relè può essere ottenuta utilizzando la tecnica di filtraggio, che viene eseguita aggiungendo una rete di condensatori resistivi nota come circuito soppressore in parallelo alle punte dei contatti del relè. Questo circuito RC cortocircuiterà l'alta tensione, sopprimendo eventualmente qualsiasi effetto di arco.
Classificazione dei relè elettromeccanici in base alla tipologia dei contatti
Poiché NA e NC descrivono come sono collegati i contatti, è possibile classificarli anche in base alle loro azioni. Possono essere realizzati unendo uno o più contatti di commutazione detti anche poli, che possono essere ulteriormente collegati eccitando le bobine dei relè dando origine a quattro diverse tipologie di contatti così definite:
| Tipo | Descrizione | Applicazione |
| Singolo polo singolo lancio (SPST) | Ha un polo singolo e un'uscita singola. Sarà chiuso o completamente disconnesso, non c’è via di mezzo. | Sono perfetti per l'accensione e lo spegnimento. |
| Doppio contatto unipolare (SPDT) | Ha un unico ingresso e due uscite diverse. Può controllare due circuiti diversi attraverso un unico ingresso. | Sono utilizzati nei circuiti di controllo e negli interruttori di uscita del sistema PLC. |
| Doppio polo singolo lancio (DPST) | Ha due ingressi e due uscite. Ciascuno dei suoi terminali può essere in posizione spento (aperto) o in posizione acceso (chiuso). | Vengono utilizzati come termostati per controllare i carichi di riscaldamento elettrico. |
| Doppio polo bipolare (DPDT) | Ha due ingressi e quattro uscite. Ciascuno degli ingressi corrisponde a due uscite. Può controllare due circuiti diversi contemporaneamente. | Sono utilizzati nella selezione dell'alimentazione, nel controllo dell'illuminazione, ecc. |
I relè a stato solido
I relè a stato solido non hanno parti mobili, ma sfruttano le caratteristiche ottiche ed elettriche dei semiconduttori a stato solido per creare isolamento ed eseguire funzioni di commutazione. Poiché non hanno parti mobili, a differenza dei relè elettromeccanici, non vi è usura dei componenti. Forniscono inoltre un isolamento completo tra i contatti di uscita e di ingresso, avendo una resistenza molto elevata in stato aperto e molto bassa in stato di conduzione. Sono simili nella funzionalità ai relè elettromeccanici, poiché eseguono anche operazioni di commutazione. Sono compatibili con la maggior parte delle famiglie logiche di circuiti integrati senza utilizzare amplificatori, driver o circuiti buffer aggiuntivi, a causa dei bassi requisiti di potenza di controllo in ingresso. Richiedono però di essere opportunamente montati su dissipatori di calore per evitare surriscaldamenti.
Relè a stato solido
Nel punto di passaggio per lo zero della forma d'onda sinusoidale CA, il relè a stato solido di tipo CA si attiva e impedisce elevate correnti in ingresso. Durante la commutazione di carichi capacitivi e induttivi elevati, il circuito RC Snubber viene utilizzato per eliminare i picchi transitori di rumore e tensione. Poiché il dispositivo di commutazione in uscita è un relè a semiconduttore a stato solido, la caduta di tensione in uscita è molto elevata, il che comporta la richiesta di rivestimento termico per evitare surriscaldamenti e danni al circuito.
Moduli di interfaccia di ingresso/uscita
I moduli di interfaccia di ingresso/uscita sono un design speciale di relè a semiconduttore a stato solido per collegare microcontrollori, computer e PIC a interruttori e carichi del mondo reale. Esistono quattro tipi base di moduli I/O, uscita a livello logico CMOS o tensione di ingresso CA/CC su TTL, ingresso logico CMOS su tensione di uscita CA o CC e TTL. Questi moduli contengono tutti i circuiti obbligatori per fornire isolamento e un'interfaccia completa all'interno di un piccolo dispositivo. Sono accessibili come moduli a stato solido separati oppure sono integrati in dispositivi da 4, 8 o 16 canali.
Tabella comparativa tra relè elettromeccanici e semiconduttori a stato solido
I relè elettromeccanici utilizzano contatti meccanici per la commutazione e hanno parti mobili, mentre i relè a semiconduttore a stato solido utilizzano dispositivi a semiconduttore per la commutazione e non hanno parti mobili.
| Relè elettromeccanici | Relè a semiconduttore a stato solido |
| Utilizzano campi magnetici, bobine, molle e contatti meccanici per eseguire la commutazione. | Non utilizzano parti mobili, ma sfruttano le proprietà ottiche ed elettriche dei semiconduttori a stato solido. |
| A causa delle parti in movimento subiscono danni ai componenti. | Non subiscono l'usura dei componenti. |
| Hanno un ciclo di vita dei contatti limitato e occupano una grande stanza. Inoltre, hanno una velocità di commutazione lenta. | Non esistono limitazioni di spazio maggiore e velocità lenta. |
| Una tensione con un ingresso piccolo può essere utilizzata per controllare una tensione di uscita grande. | Una tensione con un ingresso piccolo può essere utilizzata per controllare una tensione di uscita grande. |
| Sono convenienti. | Sono costosi. |
| Possono commutare piccoli carichi di tensione e segnali ad alta frequenza come segnali audio e video. | Non possono commutare segnali ad alta frequenza e piccoli carichi di tensione come segnali video e audio. |
| Hanno applicazioni più comuni nelle automobili, negli apparecchi elettronici domestici, ecc. | Hanno le applicazioni più comuni nella commutazione di carichi CA come l'attenuazione della luce, il controllo della velocità del motore, ecc. |
Conclusione
Un relè elettrico è un interruttore che accende e spegne il circuito elettrico attraverso un segnale elettrico esterno. Possono controllare un'elevata corrente elettrica attraverso un segnale a bassa potenza, classificati anche come trasduttori, per la loro capacità di trasformare una grandezza fisica in un'altra. I relè elettromeccanici utilizzano campi magnetici, bobine, molle e contatti meccanici per eseguire la commutazione. A causa delle parti in movimento subiscono danni ai componenti.
Hanno un ciclo di vita dei contatti limitato e occupano molto spazio, inoltre hanno una velocità di commutazione lenta mentre i relè a semiconduttore a stato solido non utilizzano parti mobili, ma sfruttano le proprietà elettriche e ottiche dei semiconduttori a stato solido. Non subiscono l'usura dei componenti, ma sono costosi.