RELÈ OPTO-ELETTRONICO 

 

Introduzione

Nelle  applicazioni di controllo della potenza uno dei problemi maggiori e' quello di interfacciare la sezione di potenza con la sezione di controllo. La diversità delle tensioni e delle correnti in gioco nelle due diverse sezioni e' tale da dare origine a seri problemi di sicurezza per gli utenti e di affidabilità per gli apparati di controllo. Un primo approccio risolutivo e' l'utilizzo dei relè elettromeccanici, che pur avendo una  certa robustezza meccanica, soffrono di alcune  limitazioni quali l'usura dei contatti, la lentezza di commutazione e una certa potenza richiesta per la loro attivazione. 
L'avvento di dispositivi quali il tiristori e i TRIAC ha permesso di interfacciare direttamente i circuiti di potenza con quelli di controllo in maniera elettronica realizzando quei circuiti noti con  il nome di relè allo stato solido o solid-state relay. Ma anche questo circuito quasi sempre solleva alcune difficoltà applicative: il collegamento diretto può introdurre il potenziale di rete nell'apparato di controllo, con grave pericolo per l'operatore e per certe delicate apparecchiature, dato che tutti i disturbi generati dal carico pilotato a TRIAC o comunque presenti nella rete, entrano direttamente nel circuito di pilotaggio, bloccandone il funzionamento e talvolta distruggendone alcuni componenti. 
Uno dei sistemi migliori per risolvere questo importante problema dell'isolamento del circuito di controllo da quello di carico, in grado di cautelare qualsiasi delicata apparecchiatura contro ogni tipo di disturbo o di potenziale di rete, è certamente quello pilotare "otticamente" il carico utilizzando un dispositivo noto con il nome di foto-accoppiatore o di opto-isolatore che è ormai disponibile in commercio in una vasta gamma di modelli, a basso costo. 
Accoppiando quindi un opto-isolatore  con un TRIAC ed aggiungendo alcuni altri componenti, è possibile realizzare un relè allo stato solido nel quale il segnale di comando rimane elettricamente isolato dal circuito di potenza.

Il foto-accoppiatore

Il foto-accoppiatore  è un componente costituito principalmente due principali elementi: l'emettitore ed il ricevitore. Questi sono collegati fra loro soltanto da raggi di luce e quindi sono elettricamente isolati. Esternamente I tipi più comuni di foto-accoppiatori, chiamati anche opto-isolatori, assumono la forma di un normale integrato in package di tipo dual in line, dotato di quattro, sei, otto o più piedini, a seconda del modello. Il modello utilizzato nel progetto e' mostrato in  figura 1.

modello di foto-accoppiatore siglato 4N33 dotato dì sei piedini

Fig. 1 - modello di foto-accoppiatore siglato 4N33 dotato dì sei piedini

Nella versione più comune, l'emettitore è costituito da un diodo led, mentre il ricevitore è rappresentato da un foto-transistor al silicio, sensibile alle radiazioni di luce, che appartengono alla regione dell'infrarosso, emesse dal diodo led.
Le corrispondenze fra i vari elettrodi del foto-accoppiatore F.A. e i piedini sono le seguenti:

Anodo diodo led 1

 o

 6 Base fototransistor
Catodo diodo led 2 5 Collettore fototransistor
Non collegato 3 4 Emittore fototransistor

In commercio esistono attualmente foto-accoppiatori che possono avere al loro interno più circuiti di accoppiamento,amplificatori, e TRIAC interno, ecc. 
Le caratteristiche principali dei foto-accoppiatori possiamo essere cosi riassunte:

a) Elevata velocità di risposta (pochi us)

b) Alto isolamento (1.500 - 2.500 - 7.500 V)

c) Bassa capacità di accoppiamento (2 pF)

d) Rapporto di trasferimento (0,1 - 500)

Il rapporto di trasferimento rappresenta il rapporto tra la corrente di collettore del foto-transistor e quella di eccitazione del diodo led. Il valore di tale parametro varia enormemente a seconda del modello, fra 0,1 e 500. Ma questi limiti possono anche essere superati dai modelli a singolo transistor e da quelli con amplificatore interno. 
La corrente di eccitazione del diodo led varia in funzione dei modelli di foto-accoppiatori fra i 10 e i 20 mA per quelli semplici, fra i 2 e i 5 mA per i tipi darlington e sino a 0,5 mA per gli opto-isolatori più sofisticati.