Controlla dispositivi AC con Relè a Stato Solido

In questo tutorial imparerai come controllare dispositivi AC come luci, ventilatori o motori con un modulo Solid State Relay e un Arduino UNO. Rispetto ai relè meccanici, i Solid State Relay (SSR) sono silenziosi e possono commutare molto più velocemente e più frequentemente.

Tuttavia, nota che questo tipo specifico di relè può essere usato solo per commutare dispositivi AC, ad esempio luci che funzionano a ~110V o ~220V corrente alternata (AC). Non puoi usarlo per controllare dispositivi che funzionano a corrente continua (DC).

Userò una luce LED COB come esempio di dispositivo AC che può essere controllato da un modulo Solid State Relay. Puoi scegliere facilmente il tuo dispositivo. Assicurati solo che il consumo di potenza sia inferiore a 400 Watt, poiché questo è circa il carico massimo che il Solid State Relay che usiamo qui può commutare.

Componenti necessari

Di seguito trovi i componenti necessari per questo progetto. Ovviamente ti servirà un modulo Solid State Relay. Ma attenzione, esistono moduli a trigger a livello basso e a livello alto. A livello basso significa che il relè si attiva quando il segnale di ingresso è basso. Questo è il tipo che usiamo in questo tutorial. Se acquisti un modulo Solid State Relay, leggi attentamente la descrizione per assicurarti di prendere quello giusto.

Oltre al Solid State Relay ti servirà un microcontrollore. Ho scelto un Arduino UNO ma puoi usare anche altri Arduino. Se vuoi usare un ESP32 è possibile, ma ti serve una scheda che fornisca un’uscita di alimentazione a 5V.

Per quanto riguarda il dispositivo AC, volevo commutare una luce LED COB. Funzionano a ~110V o ~220V. Ho elencato il modello da ~110V qui sotto. Devi scegliere uno che corrisponda alla tensione di rete AC del tuo paese.

Nota che le luci LED COB sono molto luminose e si scaldano molto. Se vuoi tenerle accese per più di un secondo devi usare un dissipatore di calore, preferibilmente con una ventola di raffreddamento! Ho elencato un dissipatore qui sotto.

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Relè meccanici vs Solid State Relay

Parliamo brevemente delle differenze tra i comuni relè meccanici e il Solid State Relay che usiamo in questo tutorial.

Relè meccanico

Un relè meccanico è il tipo tradizionale che usa un elettromagnete per muovere fisicamente un set di contatti. Quando la corrente scorre nella sua bobina, si crea un campo magnetico che tira un piccolo armatura e chiude o apre i contatti dell’interruttore. Poiché la commutazione è meccanica, spesso si sente un “clic” distinto ogni volta che il relè cambia stato.

I relè meccanici sono abbastanza versatili, possono gestire carichi sia AC che DC, e sono generalmente più economici dei loro equivalenti a stato solido. Sono anche molto robusti nel commutare alte tensioni e correnti, rendendoli una scelta popolare in sistemi di controllo industriali, elettronica automobilistica e elettrodomestici.

Tuttavia, le parti mobili introducono limitazioni. I contatti si usurano nel tempo a causa dell’arco elettrico durante la commutazione di carichi induttivi, riducendo la loro durata. Il movimento meccanico li rende anche più lenti, con tempi di commutazione solitamente tra 5 e 15 millisecondi. Inoltre, generano rumore elettrico durante la commutazione, che a volte può interferire con circuiti sensibili.

Se vuoi saperne di più sui relè meccanici, dai un’occhiata ai nostri How To Use A Relay With Arduino e ai Interfacing a Relay Module With ESP32 – A Complete Guide tutorial.

Solid State Relay

Un Solid State Relay (SSR), invece, non ha parti mobili. Al posto di contatti fisici, usa componenti a semiconduttore come optoisolatori, TRIAC, tiristori o MOSFET per effettuare la commutazione.

Questo design li rende molto più veloci dei relè meccanici, con tempi di commutazione spesso in microsecondi anziché millisecondi. Poiché non ci sono contatti fisici, sono silenziosi in funzione e hanno una durata molto più lunga, dato che non c’è usura meccanica o arco elettrico.

Sono anche più resistenti a vibrazioni e urti, il che li rende adatti ad ambienti dove affidabilità e durata sono critiche. Un altro vantaggio è il minor consumo di potenza di controllo: molti SSR possono essere attivati direttamente dalle uscite a livello logico di un microcontrollore come Arduino senza bisogno di un driver transistor esterno.

Nonostante questi vantaggi, i relè a stato solido hanno i loro compromessi. Poiché usano dispositivi a semiconduttore, introducono tipicamente una piccola caduta di tensione sull’uscita, che genera calore. Questo significa che spesso gli SSR richiedono dissipatori di calore quando pilotano carichi ad alta corrente.

Possono anche perdere una piccola quantità di corrente anche quando sono spenti, cosa che può essere problematica in applicazioni che richiedono un circuito veramente aperto. Inoltre, mentre i relè meccanici possono commutare facilmente sia AC che DC, la maggior parte degli SSR è ottimizzata per carichi AC o DC, non entrambi. Sono anche generalmente più costosi dei relè meccanici.

Riassunto

In pratica, la scelta tra relè meccanici e a stato solido dipende molto dall’applicazione. Se devi commutare correnti elevate occasionalmente, vuoi una soluzione economica e non ti dispiace il rumore del clic, un relè meccanico è solitamente la scelta giusta.

Se invece ti serve una commutazione veloce, silenziosa e affidabile, specialmente in ambienti dove il relè sarà ciclicamente attivato molto spesso o dove la durata è importante, allora un relè a stato solido è l’opzione migliore.

Modulo Solid State Relay

Puoi controllare un Solid State Relay direttamente, ma per facilità d’uso con un microcontrollore e per motivi di sicurezza di solito si preferisce qualche componente in più e usare un modulo Solid State Relay, invece del relè a stato solido “puro”. L’immagine sotto mostra il modulo Solid State Relay che usiamo in questo tutorial:

Il grande blocco nero al centro è il vero Solid State Relay (SSR). È un G3MB-202P con tensione di ingresso di 5V DC che può commutare carichi AC fino a 240VAC con 2 Ampere:

Nota che esistono diverse varianti del G3MB con differenti tensioni di ingresso e carico come mostrato nella tabella seguente:

Per maggiori dettagli vedi il Datasheet for the G3MB Solid State Relay.

Circuito del modulo

Come detto, un modulo Solid State Relay contiene componenti aggiuntivi attorno al relè vero e proprio. Il diagramma sotto mostra il circuito tipico di un modulo Solid State Relay basato sul G3MB-202P:

Esaminiamo il circuito più da vicino: il diodo 1N4007 (D1) protegge il circuito di ingresso e il SSR G3MB-202P da un collegamento di polarità errata.

Il transistor driver S8050 (T1) accende il SSR quando un segnale a livello logico alto (H) è applicato al pin SIG dell’intestazione di ingresso. Esiste un’altra versione (quella che usiamo qui), con ingresso di commutazione attivo a livello basso (L) che usa invece il transistor S8550. Se guardi attentamente il fondo del modulo puoi leggere “Low Level Trigger”:

Il modulo necessita di un’alimentazione a 5V DC tramite il pin 5V dell’intestazione di ingresso e la corrente operativa tipica è circa 10mA.

La tensione del segnale di controllo in ingresso (SIG) dovrebbe essere tra 0-2.5V per il livello basso (relè SPENTO) e tra 3-5V per il livello alto (relè ACCESO). Questo vale per la versione a livello basso che usiamo qui. Il circuito contiene anche un LED rosso (LED1), che si accende quando il relè è nello stato ON.

I contatti di commutazione (SW-1 & SW-2) sono usati per commutare carichi AC a 240V fino a 2A e il fusibile (F1) serve come protezione in uscita. Ciò significa che puoi commutare dispositivi AC fino a 240V×2A=480W ma per sicurezza dovresti limitarti a 400 Watt.

Componenti del modulo Solid State Relay

Se guardi il modulo Solid State Relay dall’alto puoi identificare le parti più importanti del circuito:

Una parola finale riguardo al layout del modulo. Noterai che il lato ad alta tensione è molto vicino ai pin e alle piste del lato a bassa tensione. Sarebbe stato meglio cambiare l’orientamento del G3MB-202P sulla PCB per separare maggiormente i lati ad alta e bassa tensione.

Collegare il modulo Solid State Relay ad Arduino

In questa sezione collegheremo il modulo Solid State Relay a un Arduino UNO. Inizia collegando il 5V dell’Arduino all’ingresso DC+ del modulo SSR e il GND all’ingresso DC-. Il pin di segnale CH1 del modulo può essere collegato a qualsiasi pin digitale di uscita dell’Arduino. Ho scelto il GPIO 13 ma qualsiasi altro GPIO digitale va bene.

Sul lato ad alta tensione devi collegare la tua sorgente di tensione AC al carico AC, ad esempio una lampada, attraverso il lato di commutazione del modulo.Fai molta attenzione quando maneggi alte tensioni!

Per scopi di test, ho collegato una luce LED COB da 220V, 50 Watt come carico come mostrato sotto:

Poiché non ho usato un dissipatore, ho dovuto assicurarmi di accendere il LED COB solo per periodi molto brevi! L’esempio di codice nella sezione seguente quindi attiva il LED COB solo per 100 millisecondi. Come detto, se vuoi tenere acceso il LED COB più a lungo devi usare un dissipatore – preferibilmente con ventola!

Codice per controllare dispositivi AC con Solid State Relay

Il codice seguente mostra come controllare un dispositivo AC con il Solid State Relay. È essenzialmente il semplice programma Blink. Accende l’uscita (lampada) per 100 millisecondi e poi la spegne per 1 secondo:

const byte relayPin = 13;

void setup() {
  pinMode(relayPin, OUTPUT);
}

void loop() {
  // Relay ON    
  digitalWrite(relayPin, LOW);   
  delay(100);    

  // Relay OFF
  digitalWrite(relayPin, HIGH); 
  delay(1000);  
}  

Nota che la logica è invertita (LOW significa ON) e (HIGH significa OFF), poiché usiamo un modulo SSR a trigger a livello basso. Se hai un SSR a trigger a livello alto, inverti semplicemente la logica.

Con questo codice e un LED COB ottieni essenzialmente un flash molto luminoso che potrebbe essere usato come parte di un sistema di allarme per spaventare gli intrusi. L’effetto stroboscopico è molto fastidioso e accecante.

Conclusioni e commenti

In questo tutorial hai imparato come controllare un LED COB con un Solid State Relay G3MB-202P e un Arduino. Poiché il G3MB-202P legge un livello di ingresso tra 3V e 5V come alto, potresti usare un ESP32 per controllarlo. Tuttavia, il G3MB-202P richiede anche 5V per l’alimentazione e quindi ti servirà un ESP32 con un pin di alimentazione a 5V.

I Solid State Relay sono ottimi se ti serve una commutazione veloce, silenziosa e frequente. Ma sono più costosi dei relè meccanici e tipicamente commutano carichi AC o DC ma non entrambi.

Se devi commutare correnti elevate occasionalmente, i relè meccanici sono spesso una scelta migliore. Per saperne di più sui relè meccanici dai un’occhiata ai nostri How To Use A Relay With Arduino e ai Interfacing a Relay Module With ESP32 tutorial.

Se hai domande sentiti libero di lasciarle nella sezione commenti.

Buon divertimento con il fai-da-te ; )