Schema elettrico del relè bistabile: principio di funzionamento, guida al cablaggio e suggerimenti per la selezione

Progettare uno schema elettrico di un relè bistabile è uno di quei compiti che sembrano complicati finché non si comprende l'idea fondamentale: il relè ricorda il suo ultimo stato senza consumare corrente continua della bobina. La conclusione pratica è semplice: una volta deciso tra un dispositivo a bobina singola e uno a doppia bobina, lo schema di cablaggio diventa un design prevedibile a due pulsanti che è possibile riutilizzare in contatori intelligenti, controllo dell'illuminazione e applicazioni di pile di ricarica. In questa guida analizzeremo il principio di funzionamento, mostreremo esempi di diagrammi, confronteremo i relè bistabili con i relè standard ed esamineremo i criteri di selezione che contano nella produzione.

Cos'è un relè bistabile?

Un relè ad aggancio è un relè elettromeccanico che mantiene i suoi contatti in posizione aperta o chiusa attraverso una struttura ad aggancio magnetico, senza richiedere corrente continua attraverso la bobina. In un relè monostabile standard, la bobina deve rimanere eccitata affinché i contatti rimangano nella posizione commutata. Un relè bistabile, al contrario, necessita solo di un breve impulso per cambiare stato, quindi un magnete permanente o una forza magnetica residua mantiene quello stato.

Dal punto di vista del progettista, questo affronta tre problemi contemporaneamente: consumo di energia, generazione di calore e rischio di esaurimento della bobina. Considera un contatore intelligente che funziona 24 ore su 24. Una bobina di relè monostabile che assorbe 150 mW consuma continuamente circa 1,3 kWh all'anno, mentre un relè bistabile non assorbe quasi nulla tra gli eventi di commutazione. Nel corso di una durata di servizio di dieci anni, questa differenza si somma.

Se hai bisogno di un aggiornamento su come funzionano i contatti e le categorie di inoltro, puoi consultare il nostro articolo su come funziona un relè e i suoi tipi di contatti .

Come funziona un relè bistabile?

Due stati stabili

Un relè bistabile ha due posizioni meccanicamente stabili. Quando la bobina impostata riceve un impulso, l'armatura si sposta nella posizione chiusa e il fermo magnetico la mantiene lì. Quando la bobina di ripristino riceve un impulso, l'armatura si sposta indietro e il fermo la mantiene in posizione aperta. I contatti non cambiano stato quando viene interrotta l'alimentazione perché il fermo magnetico non dipende dalla corrente della bobina.

Design a bobina singola e doppia bobina

La decisione principale quando si studia uno schema elettrico di un relè bistabile è il tipo di bobina. Un relè bistabile a bobina singola utilizza l'inversione di polarità: un filo è positivo per l'impostazione, negativo per il ripristino o il contrario. Un relè bistabile a doppia bobina utilizza due bobine indipendenti: una per l'impostazione e una per il ripristino. Ciò semplifica il cablaggio quando è necessario solo un semplice controllo push-pull o quando il driver IC ha solo un'uscita per direzione.

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Esempi di schemi circuitali di relè bistabili

Cablaggio set/reset a doppia bobina

In una configurazione a doppia bobina, la bobina di impostazione e la bobina di ripristino sono cablate come rami separati dalla guida positiva a terra. Premendo momentaneamente il pulsante di impostazione si eccita la bobina di impostazione e si blocca il relè. Premendo il pulsante di ripristino si eccita la bobina di ripristino e si rilascia il fermo.

Cablaggio con inversione di polarità a bobina singola

In un design a bobina singola, sia l'impostazione che il ripristino utilizzano la stessa bobina. Per cambiare stato, invertire la polarità della tensione applicata alla bobina. Un approccio tipico utilizza un ponte H o due transistor disposti in una configurazione push-pull. Un impulso con polarità positiva imposta il relè, mentre un impulso con polarità inversa lo ripristina. Poiché la bobina è la stessa per entrambe le operazioni, l'ingombro del PCB è più piccolo, ma il circuito del driver è leggermente più complesso.

Relè bistabile pilotato da MCU

Quando un microcontroller pilota un relè bistabile, puoi utilizzare due pin GPIO con transistor per un dispositivo a doppia bobina o un driver a ponte H per un dispositivo a bobina singola. Poiché il relè assorbe corrente solo durante l'impulso di commutazione, il driver può essere valutato per un impulso breve anziché per un carico continuo. Ciò rende i circuiti pilotati da MCU particolarmente attraenti nei dispositivi alimentati a batteria e nei sistemi di misurazione intelligenti dove ogni milliwatt conta.

Relè bistabile e relè monostabile

La scelta dipende se la vostra applicazione necessita di una funzione di memoria o di uno stato fail-safe. Se una perdita di alimentazione deve comportare uno stato spento, un relè monoblocco è più sicuro. Se il dispositivo deve preservare il suo stato e ripristinare la posizione corretta dopo un'interruzione di corrente, un relè bistabile è la soluzione migliore.

Come scegliere il relè bistabile giusto

Tensione della bobina

Abbina la tensione della bobina alla guida di alimentazione. I valori comuni includono 5 V, 12 V e 24 V. Una bobina classificata per 12 V utilizzata a 5 V non si aggancia in modo affidabile e la sovratensione può danneggiare l'isolamento. Se il tuo circuito utilizza l'inversione di polarità, assicurati che il driver possa fornire impulsi sia positivi che negativi in ​​modo pulito.

Tipo di bobina

La scelta tra single coil e dual coil dipende dal circuito del driver. La doppia bobina offre una logica di controllo più semplice poiché l'impostazione e il ripristino sono indipendenti. La bobina singola utilizza meno terminali ma richiede l'inversione di polarità, che aumenta il numero dei componenti del driver. Per un progetto con spazio limitato sul PCB, un dispositivo a doppia bobina con piedinatura compatta è spesso più semplice da instradare.

Configurazione dei contatti

Seleziona il modulo di contatto in base al tuo carico. SPST è il più semplice, ma le strutture SPDT e doppio contatto consentono di controllare due circuiti contemporaneamente. I contatti biforcati migliorano l'affidabilità nella commutazione di segnali a bassa corrente e sono utili quando è necessario commutare sia l'alimentazione che i segnali ausiliari da un relè.

Valutazioni del carico

La corrente di commutazione, la tensione e la corrente di spunto sono tutte questioni importanti. I carichi resistivi sono più facili da gestire rispetto ai carichi induttivi o capacitivi, che generano transitori che possono saldare i contatti. Per un'applicazione da 16 A a 20 A con requisiti di approvazione UL e CQC, il Relè bistabile FH42L con conformità UL e CQC è un'opzione pratica perché è testata per i mercati globali e utilizza un layout terminale PCB standard.

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Risoluzione dei problemi comuni relativi ai relè bistabili

• Il relè non cambia stato: Controllare la tensione della bobina e il driver. Assicurarsi che la durata dell'impulso sia compresa tra almeno 20 ms e 50 ms in modo che l'armatura si sposti completamente.
• Il relè non manterrà lo stato: Ispezionare il fermo magnetico. Un impulso troppo breve può lasciare l'armatura in una posizione intermedia, quindi la chiusura non si innesta completamente.
• I contatti si attaccano o si saldano: Ridurre la corrente di spunto o utilizzare un materiale di contatto adatto al carico, come AgSnO2, che resiste meglio all'erosione dell'arco rispetto ai contatti solo argento.
• Rumore o falsa commutazione: Aggiungere diodi flyback attraverso la bobina, soprattutto nei circuiti a doppia bobina, e filtrare le linee di alimentazione rumorose con un piccolo condensatore vicino al relè.

Applicazioni in cui i relè bistabili brillano

I relè bistabili sono comuni nei contatori elettrici intelligenti perché il relè deve rimanere in un determinato stato per lunghi periodi senza scaricare il contatore. Sono inoltre ampiamente utilizzati nel controllo dell’illuminazione domestica intelligente, nelle pile di ricarica, nell’automazione industriale e nei nuovi sistemi energetici. In questi ambienti, la capacità di mantenere uno stato senza alimentazione continua della bobina riduce l'autoriscaldamento e prolunga la durata del gruppo PCB.

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Domande frequenti

Q1: I relè bistabili necessitano di alimentazione costante?

No. Un relè bistabile necessita solo di un impulso per cambiare stato. Dopo la commutazione, il fermo magnetico mantiene i contatti in posizione senza corrente continua nella bobina, quindi la bobina non consuma energia mentre il relè è inattivo.

Q2: Cos'è meglio: single-coil o dual-coil?

Dipende dall'autista. La doppia bobina è più facile da controllare con semplici GPIO perché l'impostazione e il ripristino sono indipendenti. La bobina singola consente di risparmiare terminali ma richiede circuiti di inversione di polarità, come un ponte H. Se si sta ottimizzando lo spazio sul PCB, in genere è conveniente la doppia bobina con un layout terminale compatto.

Q3: Un relè bistabile può non riuscire ad aprirsi o chiudersi?

SÌ. L'usura meccanica, i contatti saldati o un fermo magnetico guasto possono causare entrambe le modalità di guasto. Una corretta selezione del carico, un'adeguata azionamento della bobina e un relè con una struttura di contatti robusta aiutano a prevenire questi guasti.

Q4: Quanto dovrebbe durare l'impulso di controllo?

In genere, per un relè bistabile da 12 V o 24 V sono sufficienti da 20 ms a 50 ms. Impulsi più lunghi non danneggiano il relè ma sprecano energia, mentre impulsi estremamente brevi potrebbero non spostare completamente l'armatura e provocare una commutazione inaffidabile.

Conclusione

Uno schema elettrico del relè bistabile è facile da leggere una volta che si sa se il dispositivo utilizza una o due bobine. Una volta chiaro il tipo di bobina, il cablaggio segue uno schema prevedibile e il lavoro di progettazione principale si sposta sulla selezione della tensione della bobina, della portata dei contatti e dei componenti di protezione corretti. Per i contatori intelligenti, il controllo dell'illuminazione e le nuove apparecchiature energetiche, il risparmio energetico e l'affidabilità a lungo termine di un relè bistabile sono difficili da eguagliare con un'alternativa non bistabile.