I relè a stato solido sono relè di commutazione che non richiedono l'uso di parti meccaniche. Ciò conferisce loro solitamente il vantaggio di avere una durata maggiore rispetto a quella di un comune relè elettromeccanico e, sebbene i relè allo stato solido siano molto più veloci dei relè elettromeccanici, presentano alcune limitazioni di progettazione.
I relè a stato solido hanno preso piede, rivoluzionando la distribuzione dell'alimentazione in tutti i settori, dall'automazione dell'agricoltura all'industria aerospaziale. Ma forse ti starai chiedendo… "Come funziona esattamente un relè a stato solido?". Questo articolo tratterà tutto, dalle nozioni di base sui relè a stato solido agli optoisolatori e agli optoaccoppiatori, fotodiodi e alle giunzioni PN.
Progettazione del relè a stato solido spiegata
La progettazione di un relè a stato solido è semplice come quella di un interruttore on/off, con un morsetto di alimentazione e un terminale di carico che si attiva quando un segnale di controllo esterno viene passato al relè attraverso un altro terminale. Quando questo accade, la commutazione avviene molto rapidamente e il carico viene alimentato, solitamente tramite un transistor di potenza MOSFET.
I relè possono essere progettati e utilizzati con capacità di commutazione AC o DC, ma la configurazione interna deve essere modificata per funzionare in entrambi gli scenari. I relè CC possono funzionare con un singolo MOSFET, con la sorgente e il drain collegati all'alimentazione e al carico del circuito principale e il segnale di controllo collegato al pass-gate. Il segnale di controllo può avere una potenza molto bassa, il che consente di controllare il relè (e il circuito di carico massiccio) tramite un dispositivo piccolo come un Arduino. I relè a stato solido possono avere più transistor allineati in parallelo per consentire un potenziale di flusso di corrente più alto, che può essere nell'ordine delle centinaia di ampere. Gli interruttori CA richiedono almeno due transistor perché un MOSFET non può inibire la corrente in entrambe le direzioni quando il relè è spento. Due transistor, con le rispettive sorgenti collegate, vengono utilizzati per bloccare la corrente quando sono spenti e poi far passare la corrente quando il segnale di controllo viene attivato all'interno del relè.
Come funziona un relè a stato solido?
Forse ti stai chiedendo quale tipo di interruttore consente al segnale di controllo di fornire corrente a centinaia di ampere. La vera bellezza della progettazione di relè a stato solido rispetto a quella di relè elettromeccanici risiede in definitiva nella differenza tra i meccanismi di commutazione. I relè allo stato solido utilizzano quelli che nel settore vengono chiamati optoisolatori o optoaccoppiatori. In sostanza, significa "separatore di luce". Esatto: l'interruttore all'interno di un relè a stato solido è proprio un raggio di luce. In genere, c'è un LED a bassissima potenza che emette un fascio di luce su un fotodiodo, che consente quasi istantaneamente il passaggio di energia attraverso di esso: ovvero viene "acceso".
Figura 1: Questo è uno schema di esempio di un tipico fotodiodo. Il diagramma mostra un LED che illumina un fotodiodo transistor. Questa azione è ciò che consente alla corrente di fluire attraverso il transistor.
Gli optoisolatori sono fondamentali nella progettazione dei relè a stato solido poiché separano due o più circuiti del relè. Poiché i relè utilizzano segnali di piccola tensione per controllare segnali di grande tensione, è estremamente importante mantenere separati questi segnali. La bellezza e la caratteristica rivoluzionaria degli optoisolatori è che non hanno parti mobili. Ad esempio, nei relè elettromeccanici, questa separazione del circuito è resa possibile da un campo elettromagnetico, che è anche ciò che viene utilizzato per completare in ultima analisi il circuito di carico di grandi dimensioni.
In un relè a stato solido, il fotodiodo è ciò che rende completa la connessione all'interno del circuito di carico. Ma cos'è un fotodiodo? Si tratta di un transistor molto specializzato che utilizza fotoni per fornire corrente al gate, anziché un tipico segnale elettrico. Come diavolo funziona? Utilizza una giunzione P-N in silicio altamente specializzata.
Cos'è la giunzione P-N e come funziona?
Una giunzione P-N è presente in moltissimi componenti in silicio diversi e trova impiego in svariate applicazioni, ed è ciò che sostanzialmente consente al "silicio" di funzionare come semiconduttore. Come elemento autonomo, il silicio ha una conduttività elettrica molto bassa. Tuttavia, quando il silicio viene drogato con altri elementi come fosforo e boro, il silicio di tipo p e di tipo n diventa molto più conduttivo elettricamente. L'area del silicio in cui si incontrano il silicio di tipo p e quello di tipo n è chiamata giunzione P-N. In un circuito optoisolatore, questa giunzione P-N è nota come fotodiodo, che in definitiva ha uno scopo principale: generare corrente in presenza di luce.
Figura 2: Questa immagine è una rappresentazione artistica di una giunzione PN che illustra la regione di svuotamento del fotodiodo.
La luce è composta da fotoni, ovvero particelle che trasportano energia, che rappresentano il "pane quotidiano" della fisica dei fotodiodi. In genere, la luce a cui i fotodiodi rispondono meglio è quella intorno ai 200 nm (ultravioletta) o 1100 nm (infrarossa). Questi fotoni creano coppie elettrone-lacuna nella regione di svuotamento del fotodiodo al silicio. La regione di svuotamento si forma quando il silicio drogato di tipo p entra in contatto con il silicio di tipo n e gli elettroni e le lacune fluiscono in aree a potenziale più basso. Quando la luce colpisce il silicio, i fotoni vengono assorbiti, creando coppie elettrone-lacuna. Quando le coppie elettrone-lacuna cominciano ad allontanarsi, vengono trascinate via dal campo elettrico della zona di svuotamento. Questo movimento di coppie elettrone-lacuna è ciò che crea il flusso di corrente nel fotodiodo finché la giunzione PN viene azionata in direzione di polarizzazione inversa.
Ora che all'estremità di uscita dell'optoisolatore viene generato un segnale, è possibile utilizzare un transistor o una serie di transistor per amplificare tale segnale e generare infine segnali molto grandi, un metodo menzionato in precedenza nell'articolo. Il fine ultimo del relè a stato solido è la capacità di utilizzare un segnale a bassissima potenza come ingresso dell'optoisolatore e di trasformarlo in un segnale di uscita molto grande.
Per ulteriori informazioni, approfondisci il confronto tra relè a stato solido e relè elettromeccanici.
