RELE' IBRIDO




INTRODUZIONE

L'accensione di un carico sia esso una piccola lampada o un motore di alcuni kW può essere fatto banalmente interponendo un interruttore AC tra l'alimentazione e il carico. Questa semplice soluzione espone il circuito e il carico a problemi di affidabilità e di efficienza per fenomeni come le correnti di spunto o archi voltaici dovuti all' interruzione di circuiti con caratteristiche induttive ( vedi motori).  Per ovviare a queste problematiche si e' soliti utilizzare speciali interruttori AC come i relè ibridi.

Il relè ibrido ( o interruttore ibrido)  è un interruttore AC costituito da una coppia di interruttori di natura diversa (da cui il nome ibrido) posti in parallelo per pilotare un carico con un' alimentazione in AC. Nel relè ibrido i vantaggi di ciascun interruttore vengono uniti per ottenere una soluzione robusta in termini di affidabilità e prestazioni. In genere si utilizzano interruttori meccanici in parallelo a interruttori elettronici allo stato solido.


Schema di base di un relè ibrido

La figura 1 mostra lo schema di base di un relè ibrido basato su un TRIAC in parallelo ad un relè elettromeccanico. Nella sua definizione il relè ibrido si presenta come una struttura molto semplice. Va considerato che entrambi gli elementi hanno un loro circuito di attivazione non rappresentato in figura. Spesso questi circuiti di controllo dei due interruttori sono realizzati in un unico microcontrollore che garantisce  valori elettrici e tempistiche precise.
rele ibrido schema

Figura 1: Schema di base di un relè ibrido

Questo tipo di relè ibrido mette assieme le caratteristiche elettriche di un relè elettromeccanico con quelle di un interruttore elettronico come un TRIAC. Nel caso del relè elettromeccanico si utilizza il fatto che la resistenza di contatto e' molto bassa e questa caratteristica e' usata nella fase di piena conduzione. Dell'interruttore elettronico si prende invece la velocità di attivazione e la possibilità di controllarne  l'accensione in maniera precisa rispetto alla sinusoide della alimentazione ( per esempio quando la tensione AC raggiunge lo zero). Altra caratteristica del TRIAC e' la possibilità di assorbire elevati impulsi di corrente in tempi brevi come potrebbe essere lo spunto di corrente dovuto dall'accessione del carico.


COME PILOTARE UN RELÈ IBRIDO

In figura 2 è riportato il diagramma temporale dei segnali di controllo  del TRIAC ( linea blu) e del relè elettromeccanico ( linea rossa) durante un processo di accensione (ON) e spegnimento (OFF) di  un carico Load  con la tensione di rete elettrica Vline tramite il relè ibrido di figura 1.
rele ibrido timing

Figura 2: diagramma temporale segnali attivazione TRIAC e relè elettromeccanico

Consideriamo il caso in cui si alimenta il carico (tempo di ON nella sequenza in figura) precedentemente spento.  Questa operazione può essere suddivisa in due fasi: fase di START e fase di FULL_ON (conduzione completa). La fase di spegnimento del carico comprende solo una fase detta di STOP.

Fase START:

In figura 3 e' riportato il diagramma temporale dei segnali di controllo del TRIAC e del relè elettromeccanico nella fase di ON partendo da una situazione di OFF  il cui il relè ibrido era gia spento (entrambe le linee rossa e blue sono a zero).

rele ibrido start
Figura 3: diagramma temporale della fase di START per un relè ibrido

La fase di START  parte accendendo il TRIAC e lasciando spendo il relè elettromeccanico. Quindi, la tensione di linea Vline viene applicata al carico Load. La corrente Iload comincerà a scorrere attraverso il TRIAC. Dopo qualche millisecondo, in genere pari a qualche ciclo di tensione di linea Vline, sufficienti per far estinguere fenomeni iniziali (corrente di spunto), si attiva il relè elettromeccanico. La corrente Iload del carico passerà dal TRIAC al relè elettromeccanico per la sua bassa resistività inferiore rispetto a quello del TRIAC. Infine, la fase di START si esaurisce con lo spegnimento del TRIAC.
Ci sono due motivi perché si preferisce accendere prima il TRIAC. Il primo motivo è la velocità di risposta del TRIAC ovvero questo si accede subito dopo (qualche nanosecondo) dalla applicazione del segnale di attivazione al suo terminale GATE. Questa rapidità permette di accendere il TRIAC in corrispondenza dello zero della tensione Vline riducendo al minimo fenomeni di interferenze elettromagnetiche (EMI).
Per la sua struttura in silicio, inoltre,  il TRIAC può assorbire picchi di corrente elevati e ripetitivi per cui è particolarmente adatto se il carico ha un elevata corrente di spunto. A tal proposito, in questa fase si possono quindi attuare strategie di accensione del TRIAC per realizzare dei limitatori della corrente di spunto poiche un TRIAC può essere attivato in modalità sfasata rispetto allo zero di tensione e quindi accenderlo per limitare la corrente di spunto.
 

Fase di conduzione completa (FULL_ON):

Finita la fase di START inizia la fase di FULL_ON o di conduzione completa in cui la corrente del carico Iload scorre solo attraverso il relè mentre il TRIAC è già spento. Il vantaggio di usare solo il relè meccanico è quello di diminuire le perdite di potenza del relè ibrido in quanto ha bassa resistenza di conduzione più bassa del TRIAC.

 
Fase di STOP:

In figura 4 e' riportato il diagramma temporale dei segnali di controllo del TRIAC e del relè elettromeccanico nella fase di OFF
rele ibrido stop
Figura 4: diagramma temporale della fase di STOP per un relè ibrido

Quando si decide di spegnere il carico inizia la procedura di spegnimento del relè’ Ibrido. Questa fase inizia riattivando il TRIAC che va quindi in parallelo al relè elettromeccanico. A causa della bassa resistività del relè meccanico, la corrente Iload continua a scorre attraverso di esso. Il relè elettromeccanico è quindi disattivato e la corrente ora scorre attraverso il TRIAC che consente di mantenere bassa la tensione ai capi del relè ibrido per cui quando l'interruttore meccanico apre i suoi contatti si evita la formazione di archi voltaici. Infine, il TRIAC viene spento e quindi il carico viene spento. Eventuali correnti residue dovute alla natura induttiva del carico continueranno a scorrere nel TRIAC fino ad esaurimento o fino a che questa non scenda sotto un valore limite (corrente di Hold) al di sotto del quale il TRIAC si spegne definitivamente.