Relè ausiliari e relè a tempo, contaimpulsi
Relè ausiliari e relè a tempo, contaimpulsi
Pubblicato il: 16/10/2006
Aggiornato al: 16/10/2006
di Gianfranco Ceresini
Il relè 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 verranno descritti i tipi di relè elettromagnetici
maggiormente utilizzati.
Il primo tipo preso in esame è il relè monostabile o a rilascio, nel quale 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.
Fig. 1a
Quando una bobina (1) è attraversata da una corrente elettrica I, nasce nel suo nucleo ferromagnetico (2) un flusso Φ che attraversa il
giogo (3). L'estremità dell'elettromagnete da cui esce il flusso si chiama polo nord, mentre l'altro si chiama polo sud. Φs = flusso
disperso.
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Il materiale e i contenuti presentati nel documento sono stati attentamente vagliati e analizzati, e sono stati elaborati con la massima cura. In ogni caso errori, inesattezze e omissioni sono
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Fig. 1b
L'elettromagnete viene ora completato con un'ancora mobile (5), che viene attratta con una forza F attraverso la spalla del giogo (4).
Sarà la forza F di attrazione che determinerà il movimento dei contatti. Cambiando la direzione della corrente, varia anche la polarità
dell'elettromagnete.
Fig. 1c
Le precedenti rappresentazioni vengono ora completate con i contatti (8, 8', 9, 9') la molla (7), i contatti mobili, i bracci dei contatti fissi
10 e 10' e la molla di richiamo (11) nonchè con il contatto fisso comune (12). Il carico (V) verrà alimentato dalla sorgente (Q) mediante
la chiusura e l'apertura del contatto (8, 9).
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a
b
Fig. 2 - Esempio di relè monostabile tipo MK3P: a) Alcuni modelli disponibili - b) Collegamenti. Questi relè sono reperibili in commercio
con i terminali ad innesto, con 2 o 3 contatti in deviazione, indicatore meccanico o a diodo LED e pulsante di prova. Sono disponibili
modelli con bobina funzionante in AC (6-240 V) o DC (6-110 V). La corrente massima di passaggio è di 10 A, mentre la tensione
massima di funzionamento è di 440 V AC e 250 V DC (Omron).
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). I relè a ritenuta magnetica o meccanica, invece, hanno un
comportamento bistabile. Mediante un impulso elettrico inviato ad una bobina, il relè 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 debbono 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. I relè passo-passo
dispongono di un meccanismo dotato di una rotella a denti di sega e di un eccentrico che agisce sui contatti,
chiudendoli e aprendoli alternativamente ad ogni eccitazione della bobina. Un esempio tipico è il relè
commutatore/interruttore utilizzato negli impianti civili per il comando di apparecchi di illuminazione.
Nella figura 6 vengono presentati tre schemi elettrici che mostrano come è possibile comandare un relè
monostabile (a), bistabile (b) e passo-passo (c). Nel primo caso (a) mediante il pulsante S1 si chiude il
circuito attraverso il pulsante normalmente chiuso S2 e il relè K1 viene eccitato (set), determinando così la
chiusura dei contatti 13-14 e 23-24; il primo contatto (contatto di autoalimentazione) provvederà ad
alimentare la bobina di K1 anche quando verrà rilasciato il pulsante S1, mentre il secondo contatto
alimenterà il carico, rappresentato in questo caso da una lampada H1. Il segnale proveniente dal pulsante
S1 viene così memorizzato; per diseccitare il relè è sufficiente premere il pulsante S2 (reset) che consente di
riportare i contatti nella condizione di riposo. Da notare che, senza l'uso del contatto di autoalimentazione, il
relè monostabile K1 si diseccita ogni qualvolta si rilascia il pulsante S1.
Il secondo schema presenta invece il comando di un relè bistabile (b). In questo caso premendo il pulsante
S3 (set) si alimenta la bobina A1-A2 che provvede ad eccitare il relè K2. Si determina così la chiusura del
contatto 13-14 che, conseguentemente, alimenta il carico (H2). Il relè, date le sue caratteristiche costruttive,
rimane eccitato anche se si rilascia il pulsante S3, consentendo così la memorizzazione del segnale. Per
ripristinare le condizioni di partenza, e cioè per riaprire il contatto 13-14 di K2, è necessario premere il
pulsante S4 (reset), ciò determinerà lo spegnimento della lampada H2. In questo caso, entrambi i segnali
provenienti dai due pulsanti vengono memorizzati mediante il meccanismo interno del relè.
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L'ultimo schema propone il comando di un relè passo-passo (c) che possiamo considerare come un relè
bistabile dotato però di una sola bobina. In questo caso, infatti, basta premere il pulsante S5 per eccitare la
bobina del relè K3 e per ottenere la corrispondente chiusura del contatto 13-14 e l'alimentazione del carico
H3. Un successivo azionamento del pulsante S5 determina una nuova eccitazione della bobina del relè e
la corrispondente apertura del contatto che alimenta il carico. Questo funzionamento è reso possibile
dal meccanismo interno (passo-passo) che, ogni qualvolta la bobina viene eccitata mediante l'azionamento
di un unico pulsante, consente la chiusura e la successiva apertura dei contatti.
Fig. 3 - Esempio di relè bistabile tipo MK2K e MYK: a) Modelli disponibili - b) Collegamenti. Questi relè, del tipo a ritenuta magnetica o
meccanica, sono disponibili con i terminali ad innesto e per circuito stampato (MYK), con 2 contatti in deviazione e con indicatore
meccanico di stato. Sono disponibili modelli con bobina funzionante in AC (6?230 V) o DC (6?110 V). La corrente massima di
passaggio è di 5 A, mentre la tensione massima di funzionamento è di 440 V AC e 250 V DC (Omron).
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Fig. 4 - Sequenze del relè modulare passo-passo interruttore/commutatore art. 5313N. Da notare che per utilizzarlo come relè
interruttore è necessario usare il contatto 1-2 (bticino).
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Fig. 6 - Tipi di comando di un relè: a) Monostabile - b) Bistabile - c) Passo-passo
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Fig. 7 - Esempi di esecuzioni di relè elettromeccanici: A giorno-Con soffio magnetico-Protetto con terminali a vite-A ritenuta meccanica
I relè sono caratterizzati dal numero dei contatti in commutazione (1-4), dal collegamento esterno (terminali
ad innesto su zoccolo o a saldare per circuiti stampati) e dall'esecuzione (a giorno o protetta con calotta
trasparente). I relè possono essere del tipo modulare, da montare direttamente su guida DIN, oppure nella
versione a zoccolo per il montaggio su guida DIN o il fissaggio in un quadro elettrico. L'innesto a zoccolo può
essere di tipo rettangolare oppure circolare (octal=8 fori o undecal=11 fori); sulle macchine industriali, per
evitare che il relè si possa disinserire dal proprio zoccolo a causa delle vibrazioni della macchina, può
venire applicata un'apposita molletta di ritegno imperniata sui bordi dello zoccolo. Il collegamento dei
conduttori può essere fatto mediante attacchi a vite, terminali tipo faston, oppure a saldare. Sullo zoccolo è
presente normalmente la numerazione per l'identificazione dei terminali dei contatti e della bobina. Questa
soluzione ne consente la facile individuazione e agevola la fase di montaggio o di manutenzione del quadro
elettrico.
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Esistono dei modelli con attacchi a saldare dalle ridotte dimensioni per il fissaggio su circuito stampato.
Questi relè vengono utilizzati, per esempio, nei circuiti di uscita delle schede elettroniche e dei controllori
logici programmabili. Oltre ai modelli con esecuzione verticale, si hanno anche i modelli piatti, con asse della
bobina e dei contatti paralleli al piano del circuito stampato.Sono disponibili per queste applicazioni anche i
cosiddetti relè reed, nei quali i contatti sono contenuti in un'ampolla di vetro riempita di gas inerte. Questi
contatti, simili a quelli utilizzati nei sensori magnetici, vengono azionati da un campo magnetico generato
da una bobina che li avvolge completamente. I contatti sono ricoperti in superficie da un piccolo strato di
rodio, che consente di sopportare carichi con un'elevata corrente di spunto, senza subire delle microfusioni.
Da notare, inoltre, che i contatti funzionano in un'atmosfera protetta, essendo racchiusi in un'ampolla di vetro
contenente un gas inerte e sigillata alle estremità. La bobina e l'ampolla reed sono incapsulate in resina
epossidica e vengono racchiuse in un unico contenitore che ne garantisce la robustezza meccanica e
un'elevata protezione contro gli agenti atmosferici.
Questi relè consentono un elevato numero di commutazioni (circa 100 milioni) anche a velocità di lavoro
particolarmente alte (500 Hz); hanno tempi di chiusura che variano da 0,5 a 3 ms a seconda dei tipi.
Esistono modelli che, con una singola bobina, riescono a comandare più contatti.
La parte più delicata dei relè ausiliari sono i contatti. Nella fig. 11 sono stati riportati due grafici: il primo
rappresenta la curva di vita elettrica in funzione della potenza commutata; al valore ricavato si deve
applicare un coefficiente di riduzione dovuto al fattore di potenza del carico, ricavabile dal secondo grafico.
I carichi fortemente induttivi riducono notevolmente la vita dei contatti a causa delle elevate
sovratensioni che si manifestano proprio sui contatti durante la fase di apertura. In modo analogo a
quanto indicato per i contattori, si può ovviare al fenomeno utilizzando un gruppo RC o un varistore inserito
in parallelo al carico (contattore, elettrovalvola, elettromagnete, ecc.) se il circuito funziona in corrente
alternata. Se, invece, il circuito funziona in corrente continua, è possibile collegare, sempre in parallelo al
carico, un diodo, anche se questa soluzione può determinare un aumento del tempo di sgancio dell'ordine
dei 30 40 ms.
Fig. 8 - Esempi di zoccoli per relè elettromeccanici e relativi collegamenti interni
Fig. 9 - Esempio di relè miniaturizzato per circuiti stampati
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Fig. 10 - Esempio della sezione interna di un relè reed
Fig. 11 - Curve caratteristiche dei relè ausiliari: Vita elettrica: numero delle operazioni in funzione della potenza commutata
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Fig. 11 - Curve caratteristiche dei relè ausiliari: ) Determinazione del coefficiente di riduzione da applicare alla vita elettrica di un relè in
base al fattore di potenza del carico
Fig. 12 - Esempio di relè reed per circuiti stampati
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Fig. 13 - Nomogramma per determinare i valori di R e C per la protezione dei contatti
I relè temporizzatori o, più comunemente, i temporizzatori sono apparecchiature elettromeccaniche o
elettroniche normalmente utilizzate negli automatismi per determinare le sequenze operative. 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 (contattori,
relè, elettrovalvole, ecc.). L'applicazione dei temporizzatori negli impianti industriali è molto vasta: dai
semplici comandi per motori asincroni, ai cicli automatici per macchine utensili e per la produzione.
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.
Nel primo tipo, quando si alimenta la bobina del temporizzatore, inizia la fase di temporizzazione, al termine
della quale si ha la commutazione dei contatti. In pratica la temporizzazione inizia solo quando si alimenta
l'apparecchio e solo alla fine del ritardo si ottiene la commutazione dei contatti. Nel secondo tipo, quando si
alimenta l'apparecchiatura, si ottiene la commutazione immediata dei contatti, mentre il ripristino delle
condizioni iniziali si ha alla fine della temporizzazione che inizia con l'interruzione dell'alimentazione o
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mediante un segnale di comando che viene applicato ad una seconda bobina. Il terzo tipo comprende
entrambe le funzioni. I temporizzatori elettromeccanici, ormai sostituiti da quelli di tipo elettronico, basano il
loro funzionamento sull'uso di un piccolo motore sincrono il quale, mediante un meccanismo, comanda i
contatti. Questi temporizzatori hanno la caratteristica di dipendere, per il loro funzionamento, dalla frequenza
e dalla tensione di alimentazione. I temporizzatori elettronici basano il loro funzionamento sull'uso di un
circuito RC (resistenza e capacità) con un comparatore, oppure mediante un circuito oscillante (oscillatore
RC o al quarzo) con un circuito di conteggio degli impulsi.
Il primo principio di funzionamento si basa sulla carica e sulla scarica di un condensatore nel quale, durante
il funzionamento, il valore di tensione, che varia nel tempo, viene confrontato con quello di riferimento
mediante un circuito comparatore. Quando viene raggiunto il valore di tensione prefissato, viene attivata
l'uscita.
Esempi di temporizzatori
Ritardato all’eccitazione
Ritardato alla diseccitazione
Ritardato all’eccitazione e alla diseccitazione
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Fig. 14 - Schema di collegamento e diagramma di lavoro di temporizzatori elettronici: ritardato all'eccitazione, ritardato alla
diseccitazione, ritardato all'eccitazione e alla diseccitazione. Il tipo ritardato alla diseccitazione può presentare in alcuni modelli i morsetti
B1 e B2; in questo caso prevede il seguente funzionamento: in presenza della tensione ai capi dei morsetti A1 e A2, i contatti
rimangono nella posizione di riposo (17-18 aperto e 25-26 chiuso). Cortocircuitando i morsetti B1 e B2 mediante un contatto in chiusura
a potenziale libero (relè, contattore, ecc.), i contatti vengono immediatamente azionati (17-18 chiuso e 25-26 aperto). Interrompendo il
collegamento tra i morsetti B1 e B2, i contatti, trascorso il tempo impostato, ritornano nella posizione di riposo (ritardo alla
diseccitazione).
Regolando il valore della resistenza, mediante l'uso di una resistenza variabile, risulta possibile variare il
tempo di impostazione. Una buona precisione di funzionamento si ottiene con i modelli che utilizzano un
circuito con oscillatore RC, oppure, per avere una maggiore precisione, al quarzo. In questi casi l'oscillatore
fornisce una sequenza di impulsi che vengono contati e confrontati con il valore impostato; quando i due
valori sono uguali, l'uscita viene attivata (relè). I temporizzatori elettronici hanno caratteristiche più
pregiate rispetto ai temporizzatori elettromeccanici; infatti hanno una regolazione più ampia dei tempi
(campi di regolazione del tempo commutabili da 0,001 s fino a 9999 h), un'elevata ripetibilità del tempo di
intervento, un grado di precisione più elevato, che risulta indipendente dalle variazioni della frequenza e
della tensione di alimentazione (0.8 1,1 Un), un funzionamento ad elevate temperature (fino a +55 °C),
un'elevata resistenza agli urti ed alle vibrazioni e hanno un minor tempo di riazzeramento.
Sono disponibili con uno o due contatti in scambio ritardati e, in alcuni casi, anche con un contatto
istantaneo. Per i temporizzatori elettronici sono previste generalmente le seguenti tensioni di alimentazione:
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24 V AC/DC;
110 127 V AC;
220 240 V AC;
42 48 V AC/DC;
60 V AC/DC.
Tramite appositi morsetti alcuni modelli possono funzionare a differenti tensioni di alimentazione e
differenti tipi di corrente. Questa caratteristica permette di coprire i più usuali campi di impiego nei
quadri elettrici di comando, con pochi apparecchi.
Fig. 15 - Esempio di temporizzatore elettronico digitale: a) Modello con dimensioni standard DIN 72x72 mm tipo H5BR
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Fig. 15 - Esempio di temporizzatore elettronico digitale: b) Descrizione del pannello frontale
Dal punto di vista costruttivo, i temporizzatori possono essere del tipo per il montaggio su zoccolo o per il
montaggio diretto su profilato DIN EN 50022-35 (DIN 35), per il fissaggio a vite o per il montaggio incassato
in quadri con dimensioni standard DIN 72x72 mm. Con l'impiego di accessori di montaggio si può elevarne
anche il grado di protezione, un po' come si è visto a proposito dei relè ausiliari. Un temporizzatore può
essere realizzato anche utilizzando, oltre ad un relè ausiliario, un apposito modulo temporizzatore che viene
inserito tra il relè e lo zoccolo o di fianco come rappresentato nella fig. 16a. Mediante lo spostamento di
appositi microselettori, è possibile commutare la gamma di taratura del tempo di ritardo.
Il contaimpulsi è un'apparecchiatura, in genere elettronica ma anche elettromeccanica, in grado di contare e
visualizzare gli impulsi che arrivano al suo ingresso e generare un segnale in uscita quando è stato
raggiunto il valore impostato. Il segnale in uscita è normalmente costituito da un contatto in commutazione o
da un'uscita statica (a transistor). Esistono delle apparecchiature, chiamate totalizzatori, che hanno
solamente la capacità di visualizzare il numero totale di impulsi che arrivano al loro ingresso, ma non hanno
nessun tipo di uscita (vengono utilizzate, per esempio, nelle fotocopiatrici e nei distributori automatici per
avere un'indicazione sulla vita operativa della macchina). I contaimpulsi sono normalmente del tipo a
preselezione: forniscono un segnale in uscita quando si raggiunge un valore di conteggio precedentemente
impostato. Una volta che il contaimpulsi ha attivato la sua uscita (conteggio raggiunto), può venire azzerato
o resettato in vari modi: manualmente con un pulsante posto sull'apparecchiatura, mediante un impulso
proveniente dall'esterno o, infine, automaticamente al raggiungimento del valore impostato.
I contaimpulsi si differenziano per il tipo di conteggio che sono in grado di effettuare, in particolare:
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addizionale (UP), visualizza gli impulsi che arrivano all'ingresso partendo da zero fino al
raggiungimento del valore impostato;
sottraente (DOWN), visualizza in modo decrescente gli impulsi che arrivano all'ingresso; vengono
perciò visualizzati gli impulsi partendo dal valore impostato fino ad arrivare a zero;
bidirezionale (UP-DOWN), conta e visualizza in modo crescente o decrescente, a seconda del
segnale che riceve.
Alcuni modelli di contaimpulsi sono dotati di una batteria tampone, della durata media di 6 7 anni, che
consente di mantenere memorizzato il valore di conteggio raggiunto e i parametri di impostazione al
mancare dell'alimentazione. Le principali caratteristiche che contraddistinguono i contaimpulsi sono:
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•
•
•
la capacità di conteggio, ovvero il valore massimo di conteggio, che normalmente viene visualizzato
sul display posto sull'apparecchio (per esempio, 4 8 cifre);
la velocità di conteggio, espressa normalmente in conteggi per secondo (per esempio, 30 5000 cps);
la modalità di funzionamento (addizionale, sottraente, bidirezionale, ecc.);
il tipo di uscita (a relè o statica a transistor);
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la tensione nominale di funzionamento e relativa tolleranza di funzionamento (24 240 V AC/DC con
una tolleranza che varia dall'85% al 110% della tensione nominale);
le caratteristiche delle uscite (a contatto, corrente massima di 3 A alla tensione di 250 V AC su
carico resistivo; statica, corrente massima di 100 mA alla tensione di 30 V DC);
la presenza o meno della batteria tampone;
il tipo di visualizzazione (LCD retroilluminato per facilitare la lettura in ambienti con una scarsa
illuminazione);
le dimensioni standard DIN per il montaggio su pannello (48x48 mm oppure 72x72 mm).
Fig. 16 - a) Esempio di relè monostabile con modulo temporizzatore multiscala con montaggio su zoccolo (Finder) - b)
Temporizzatore elettronico analogico modulare multifunzione e multiscala con dimensioni standard da 17,5 mm, due contatti in
scambio e fissaggio su guida DIN simmetrica (EN 50022). Si noti sull'apparecchio il commutatore rotativo per la selezione delle
funzioni (mode), il commutatore per selezionare la scala (range), nell'esempio impostata ad 1 s, il trimmer per la regolazione del
tempo, tarabile manualmente con un cacciavite, la targhetta bianca a scatto per l'identificazione dell'apparecchio, i due LED che
indicano lo stato del temporizzatore e i morsetti per i collegamenti con le altre apparecchiature. Si noti infine a lato lo schema
elettrico e il diagramma di lavoro a seconda della funzione scelta (Crouzet).
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Relè ausiliari e relè a tempo, contaimpulsi
Fig. 17 - Funzioni disponibili con i relè a tempo multifunzione e multiscala
Fig. 18 - Esempio di contaimpulsi digitale: a) Contaimpulsi digitale a quattro cifre tipo H7CR
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Relè ausiliari e relè a tempo, contaimpulsi
Fig. 18 - Esempio di contaimpulsi digitale: - b) Pannello di comando del contaimpulsi H7CR con visualizzatore LCD
Fig. 19 - Funzionamento dei contaimpulsi: a) Addizionale (UP) - b) Sottraente (DOWN)
Fig. 20 - Funzionamento dei contaimpulsi bidirezionale (UP-DOWN)
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