Elettromeccanici o semiconduttori? Nella scelta delle tecniche e dei dispositivi di commutazione da utilizzare in vari tipi di apparati industriali e consumer la questione è meno banale di quanto possa sembrare. I classici interruttori e relè elettromeccanici, benché subiscano la crescente concorrenza dei componenti a stato solido, continuano ad essere la soluzione preferita in numerose applicazioni. La varietà di interruttori attualmente disponibile sul mercato è enorme e qualsiasi tipo di classificazione descrittiva sarebbe comunque inadeguata. Questo però non significa che l'interruttore sia un componente secondario o poco importante per un qualsiasi circuito: anzi spesso gioca un ruolo critico nel funzionamento del circuito stesso, a seconda dell'operazione che deve svolgere, delle condizioni di funzionamento, del tipo di carico, del numero di cicli che deve sopportare, ecc.
L'importanza dell'interruttore
In realtà i vari tipi di interruttori svolgono tutti la stessa funzione fondamentale, ovvero trasformare un comando manuale diretto in una variazione dello stato di un circuito elettrico; idealmente tale funzione dovrebbe essere realizzata senza introdurre nel circuito elementi parassiti o transitori vari, per permettere la massima trasmissione del segnale ( o della potenza), la cosa in pratica è impossibile. Quindi molto spesso uno dei parametri principali nella scelta del componente da utilizzare è il valore della resistenza di contatto, che è funzione del tipo di materiale e delle dimensioni dell'area di contattazione. Tipicamente tale resistenza è nell'ordine di pochi milliohm, ma questo valore può modificarsi nel tempo (per degradamento dei materiali) oppure può peggiorare a causa di fenomeni fisico chimici che avvengono al momento della commutazione e che deteriorano l'interfaccia di contatto. I diversi tipi di materiali con cui sono realizzati i contatti rappresentano un primo importante elemento di diversificazione dei dispositivi: dal rame (il più economico) alle metallizzazioni in argento, oppure in oro (più cari ma molto efficienti in termini di minima resistenza di contatto e molto resistenti alla corrosione) o addirittura in platino o in iridio (i più sofisticati e costosi). Altrettanto variabile sono le dimensioni, la tipologia di azionamento che realizza fisicamente il contatto (a pulsante, a leva, a slitta, a bilanciere, ecc.), le modalità di commutazione, il numero di contatti (o posizioni) e le tensioni o correnti nominali.
Switch: un mercato vivace
La disponibilità di numerosissime soluzioni, anche molto personalizzate ha fatto si che il mercato di questi dispositivi si mantenesse vivace e in regolare crescita fino a pochi mesi or sono, ma la recente recessione economica non ha risparmiato neppure questo segmento. Se all'inizio del 2008 molti costruttori ancora si aspettavano crescite a doppia cifra, la situazione odierna vede cali consistenti dei volumi di vendita, e anche prezzi unitari in leggero declino. Negli Stati Uniti le vendite nel primo trimestre del 2009 hanno registrato cali consistenti (anche del 30% su alcune tipologie di prodotti) rispetto agli stessi periodi dell'anno precedente, mentre in Europa la situazione era meno grave (cali intorno al 10%) ma senza previsioni di inversioni di tendenza, almeno a giudicare dall'andamento degli ordinativi. Globalmente il mercato a fine 2009 dovrebbe essersi ridotto di un 9-10% rispetto al 2008, attestandosi su un valore prossimo a 6 miliardi di dollari.
L'innovazione tecnologica negli switch
I produttori reagiscono investendo nella ricerca per individuare nuovi materiali (ad esempio materie plastiche per il packaging) che permettano di ridurre i costi, rispondendo allo stesso tempo ai nuovi vincoli imposti dalle norme in materia di impatto ambientale dei materiali, oppure cercando di proporre ai clienti prodotti con maggior valore aggiunto assumendosi gli oneri di ingegnerizzazione e personalizzazione dei dispositivi. Contemporaneamente dedicano crescente attenzione ai settori applicativi che sembrano resistere meglio alla recessione o necessitare maggiormente componenti di nuovo tipo, ad esempio il settore industriale oppure gli apparati di trasmissione radio, o l'automotive. Dal punto di vista dell'innovazione tecnologica, l'approccio, che prevede un costante aumento della miniaturizzazione, si abbina all'esigenza di integrare nel classico interruttore alcune funzioni che lo rendano più "intelligente" rispetto ai suoi predecessori.
Un tipico esempio è la comparsa degli interruttori con schermi programmabili che permettono di realizzare soluzioni a metà strada tra i tasti funzione e i pannelli touchscreen; attualmente, in ambito industriale e consumer, un numero crescente di pannelli di controllo degli apparati integra tasti funzione (pulsanti con un simbolo o una scritta che ne descrivono la funzione, appunto); il limite di queste soluzioni è che volendo aggiungere o modificare una singola funzione occorrerebbe inserire nuovi tasti o modificare il pannello. L'alternativa sono gli schermi touchscreen, in cui l'utente può selezionare la funzione desiderata con un semplice tocco e le opzioni disponibili vengono via via modificate dal software in modo da realizzare un opportuno percorso di comandi o di scelte. Gli svantaggi, in questo caso sono che spesso l'azionamento del touchscreen è poco definito (l'utente non è certo di aver premuto il pulsante) oppure è relativamente facile toccare lo schermo in un punto errato. Un interruttore con uno schermo programmabile può visualizzare una serie di funzioni o di comandi diversi a seconda delle impostazioni software, realizzando così una soluzione che integra tutti i vantaggi dei due metodi descritti in precedenza.
Oggi esistono interruttori con display Lcd e di recente sono stati proposti anche soluzioni in tecnologia a Oled. NKK Switches è infatti riuscita a utilizzare questo tipo di tecnologia di visualizzazione su schermi minuscoli (13 X 10 mm) integrandoli nella propria famiglia di interruttori programmabili SmartSwitch. Rispetto agli interruttori programmabili a Lcd che offrono solamente un'immagine monocromatica con retroilluminazione a Led, la tecnologia Oled offre un maggiore angolo visuale, permette di avere a disposizione fino a 65.000 colori, una risoluzione molto maggiore e un maggiore contrasto. Inoltre garantisce una maggiore velocità di risposta nel cambiamento dell'immagine visualizzata. Senza dimenticare che in display Oled consuma molto meno potenza (circa un quarto) ed è quindi estremamente vantaggioso se integrato in dispositivi alimentati a batteria. A parte il prezzo superiore, l'unico vero svantaggio (e non da poco) degli Oled è la minore durata rispetto agli Lcd.
Relè per ogni applicazione
L'altra grande categoria di componenti elettromeccanici per la commutazione è quella dei relè, dispositivi che, in risposta a un segnale di comando proveniente dall'esterno, azionano meccanicamente uno o più contatti elettrici in uscita commutando lo stato di un circuito. Esistono in commercio svariati tipi di relè, con caratteristiche differenti a seconda della casa costruttrice ed al tipo di applicazione, tra cui, relè subminiaturizzati e miniaturizzati, relè per circuito stampato, per radiofrequenza, ad innesto, a spina e i vari tipi di potenza per impieghi pesanti. Questi tipi di relè sono simili nell'architettura, che prevede una bobina di eccitazione e uno o più contatti meccanici in uscita. La forma, le dimensioni, il tipo di connessione, la caratteristica dei materiali impiegati per i contatti e gli eventuali accessori aggiuntivi (Led, diodi di protezione, ecc.) possono variare a seconda del costruttore e dell'impiego a cui sono destinati. I contatti di uscita sono isolati elettricamente e sostenuti dall'armatura, che si sposta per effetto del comando dell'elettromagnete (bobina) chiudendo o aprendo l'uscita. L'eccitazione della bobina richiede correnti di poche centinaia di milliampere e tensioni di qualche volt, ma i contatti di uscita possono sopportare correnti di decine di ampere e sostenere tensioni di centinaia di volt. Un relè dunque permette il controllo di grandi potenze elettriche utilizzando di piccole tensioni e correnti ed è quindi ideale per comandare carichi che gli interruttori non sono in grado di gestire, ad esempio i fari abbaglianti di un'automobile, che assorbono diversi ampere. Vengono solitamente considerati relè di potenza quelli in grado di gestire correnti tra i 10 e i 30 ampere, usati in sistemi estremamente potenti, come i radiotrasmettitori. In molte applicazioni i classici relè elettromeccanici stanno sempre più cedendo il posto ai relè a stato solido, che sfruttano le proprietà dei semiconduttori, ad esempio utilizzando un accoppiatore optoelettronico come circuito di comando e un commutatore costituito da un transistor di potenza o da un tiristore. La crescente diffusione del relè a stato solido ha però un limite preciso: le norme sulla sicurezza elettrica prevedono che le reti di distribuzione siano comandate da interruttori e relè che separano meccanicamente i circuiti, e in modo tale che la separazione sia visibile. Questo criterio può essere soddisfatto solo con componenti elettromeccanici.
Relè: un mercato competitivo
Il mercato mondiale dei relè è stato caratterizzato nel 2008 da prezzi in aumento, a causa dell'aumento del costo delle materie prime, mentre nel 2009 la tendenza si è invertita soprattutto in seguito a un indebolimento della domanda, sia in volumi che in valore. La applicazioni meno soggette all'attuale ciclo recessivo sono quelle collegate agli apparati per lo sfruttamento delle energie alternative, mentre la domanda da parte dei costruttori di strumenti di misura e di sistemi di collaudo rimane ciclicamente bassa. I costruttori di relè cercano di mantenere la competitività riducendo i costi di produzione (spostando le operazioni in paesi a basso costo di manodopera) o selezionando le linee di prodotto per privilegiare quelle più remunerative, innovando dove possibile, integrando nei dispositivi nuove funzioni, offrendo versioni con ingombro ridotto (sempre più richieste ad esempio sui mercati automotive.
Elettromeccanici o a stato solido?
Il segmento dei relè a stato solido continuerà a crescere rimpiazzando i modelli elettromeccanici nei mercati dell'automazione industriale, delle applicazioni militari e degli elettrodomestici. Il mercato dell'auto aumenta l'impiego di relè per montaggio su circuito stampato ma la pressione sui prezzi potrebbe causare una lotta feroce tra i vari produttori e una possibile razionalizzazione del numero dei concorrenti. I relè per alte correnti continueranno ad essere un segmento remunerativo nonostante l'elevato costo dei materiali. I nuovi dispositivi Mems cominciano a guadagnare spazio in particolare nel segmento delle trasmissioni RF/microonde oppure per i sistemi Ate. Un recente esempio di relè Mems è un nuovo dispositivo proposto da Omron, descritto come il più piccolo relè “hot switchable”, cioè in grado di commutare un circuito sotto tensione, attualmente disponibile sul mercato.
Nell'immediato futuro saranno comunque ancora i dispositivi elettromeccanici a fare la parte del leone in termini di venduto, in particolare i tipi con alimentazione in continua che offrono prestazioni migliori e maggiore durata rispetto ai tipi comandati in alternata, con una tendenza alla ricerca di prodotti con tensioni di eccitazione o di interruzione più basse, in linea con la tendenza a soluzioni circuitali a basso consumo. Nei relè per circuito stampato le versioni Smt stanno progressivamente sostituendo quelle a fori passanti. I principali costruttori di relè elettromeccanici (Tyco, Omron, Matsushita, Nec, Fujitsu) e a stato solido (Matsushita, Omron, Crydom, Clare) che già controllano insieme oltre il 60% dei mercati di riferimento, continueranno a guidare l'evoluzione del settore.
