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Relè e optoisolatori: isolamento e controllo dei carichi

Relè e optoisolatori permettono a un circuito di controllo di comandare o ricevere segnali da circuiti elettricamente separati. Il relè usa una bobina e contatti meccanici; l’optoisolatore trasferisce il segnale attraverso la luce. In questa guida vediamo contatti NO/NC/COM, bobina, diodo flyback, pilotaggio con transistor, CTR, isolamento galvanico e uso con Arduino ed ESP32.

Livello: base → intermedio Tempo di lettura: 25–30 min Relè + optoisolatori Arduino / ESP32

Relè e optoisolatori: due modi diversi di separare i circuiti

Un relè elettromeccanico utilizza un campo magnetico per muovere fisicamente uno o più contatti. Un optoisolatore, invece, usa un LED interno e un elemento fotosensibile per trasferire un segnale senza un collegamento elettrico diretto tra ingresso e uscita.

Esempi reali di relè elettromeccanici e optoisolatori: dai relè PCB e di potenza ai componenti optoisolati in package DIP.

Relè

isolamento galvanico;
può commutare AC o DC;
contatti meccanici;
più lento e soggetto a usura.

Optoisolatore

isolamento galvanico del segnale;
nessuna parte meccanica;
molto più veloce;
non commuta direttamente carichi elevati nei modelli standard.

Come funziona un relè elettromeccanico?

Un relè contiene una bobina, un circuito magnetico e un’armatura mobile collegata ai contatti. Quando la bobina viene attraversata da corrente, il campo magnetico attira l’armatura e modifica lo stato dei contatti.

Bobina

Trasforma corrente elettrica in campo magnetico.

Armatura

Si sposta meccanicamente quando la bobina viene eccitata.

Contatti

Aprono o chiudono il circuito del carico.

Comando e carico sono separati La bobina può lavorare, per esempio, a 5 V o 12 V mentre i contatti commutano un circuito a tensione differente, entro i limiti di isolamento e dei contatti dichiarati dal costruttore.

Contatti NO, NC e COM

Sigla	Nome	Stato con bobina non alimentata
COM	Comune	Contatto mobile comune.
NO	Normally Open	Aperto rispetto a COM.
NC	Normally Closed	Chiuso rispetto a COM.

Esempio Se vuoi che una lampada sia spenta quando il relè non è alimentato, normalmente usi COM + NO. Quando ecciti la bobina, COM si collega a NO e il carico viene alimentato.

Tensione, corrente e resistenza della bobina

Una bobina di relè è un carico induttivo con una resistenza DC. Conoscendo tensione nominale e resistenza possiamo stimarne la corrente.

I_coil ≈ V_coil / R_coil

Esempio Bobina da 5 V con resistenza di 70 Ω:

I ≈ 5 / 70 ≈ 71 mA.

Troppo per molti GPIO Una bobina da 70 mA non deve essere collegata direttamente a un pin di microcontrollore. Serve uno stadio di pilotaggio.

Pilotare un relè con transistor o MOSFET

Il collegamento più comune usa un NPN o un N-MOSFET come interruttore low-side.

Bobina+V → bobina → transistor → GND

GPIO→ resistenza base/gate → transistor

Con un BJT va calcolata la resistenza di base. Con un MOSFET bisogna verificare che la RDS(on) sia sufficientemente bassa alla reale VGS disponibile.

Modulo relè ≠ relè nudo Molti moduli commerciali includono già transistor, resistenza, LED e diodo di protezione. Controlla lo schema del modulo prima di aggiungere componenti duplicati.

Perché serve il diodo flyback sulla bobina?

La corrente in un induttore non può annullarsi istantaneamente. Quando il transistor si spegne, la bobina genera una tensione di polarità opposta nel tentativo di mantenere la corrente.

v = L · di/dt

Diodo flyback Un diodo collegato in antiparallelo alla bobina è interdetto durante il normale funzionamento. Allo spegnimento offre un percorso sicuro alla corrente induttiva.

Il diodo rallenta il rilascio del relè Limitando la tensione a un valore basso, la corrente decade più lentamente. Se serve un rilascio rapido, si possono usare Zener, TVS o clamp progettati appositamente.

Che carichi può comandare un relè?

I contatti possono commutare carichi resistivi, induttivi o capacitivi, ma il rating cambia molto a seconda del tipo di carico.

Carico	Problema principale
Resistivo	Condizione generalmente più semplice per i contatti.
Motore / trasformatore	Spunto elevato e arco allo spegnimento.
Lampada a incandescenza	Corrente di spunto a filamento freddo.
Alimentatore switching	Inrush dei condensatori di ingresso.
Carico DC	L’arco può essere più difficile da interrompere rispetto all’AC.

“10 A 250 VAC” non significa automaticamente 10 A su ogni carico Devi verificare il datasheet per AC/DC, carico resistivo, induttivo, motori e capacità di spunto.

Come funziona un optoisolatore?

Un optoisolatore contiene almeno un LED di ingresso e un dispositivo fotosensibile in uscita, separati elettricamente ma accoppiati otticamente.

Ingresso LED

Converte la corrente di ingresso in luce.

Barriera isolante

Non esiste un collegamento galvanico diretto.

Uscita

Fototransistor, fotodiodo, triac o altri dispositivi ricevono il segnale.

L’isolamento non significa che “non passa niente” Il segnale attraversa la barriera sotto forma di luce, mentre la corrente elettrica dei due lati rimane separata.

CTR: Current Transfer Ratio

Nei comuni optoisolatori a fototransistor, il CTR esprime quanto la corrente LED di ingresso si traduce in corrente disponibile in uscita.

CTR = I_C / I_F · 100%

Esempio IF = 5 mA e CTR = 100%:

IC ≈ 5 mA nelle condizioni di test specificate.

CTR varia molto Dipende da componente, corrente LED, temperatura, invecchiamento e lotto di produzione. Progetta usando i valori minimi garantiti quando il funzionamento deve essere affidabile.

Che cos’è l’isolamento galvanico?

Due circuiti sono galvanicamente isolati quando non condividono un percorso conduttivo diretto per la corrente continua. Questo permette di separare riferimenti di massa, ridurre ground loop e proteggere la logica da differenze di potenziale.

Attenzione: “isolato” dipende dall’intero circuito Inserire un optoisolatore non serve a nulla se poi colleghi le masse dei due lati con un altro filo. Anche alimentazioni, USB, sonde e strumenti possono annullare l’isolamento.

Tipi di uscita degli optoisolatori

Tipo	Caratteristiche	Applicazioni
Fototransistor	Semplice, economico, velocità moderata	Segnali digitali lenti, feedback, isolamento GPIO
Fotodiodo + amplificatore	Molto più veloce	Digital isolator/opto ad alta velocità
Photo-triac	Pilota triac AC	Controllo rete AC
PhotoMOS	Uscita MOSFET isolata	Relè statici a bassa/media corrente

Relè e optoisolatori con Arduino ed ESP32

Con un microcontrollore bisogna distinguere tra pilotare un relè e usare un optoisolatore per isolare un segnale.

Relè

GPIO → transistor/MOSFET → bobina, con protezione flyback.

Optoisolatore

GPIO → resistenza → LED interno; uscita fototransistor sul circuito isolato.

ESP32 a 3,3 V Verifica che la corrente necessaria al LED dell’opto e il circuito di pilotaggio del modulo relè siano compatibili con livelli logici e corrente disponibili.

Relè o optoisolatore: quale scegliere?

Caratteristica	Relè	Optoisolatore
Isolamento galvanico	Sì	Sì
Commutazione potenza	Direttamente, entro rating	No nei modelli standard
Velocità	Lenta, ms	Da µs a ns secondo tipo
Usura	Meccanica	Nessun contatto meccanico
AC e DC	Dipende dai contatti	Dipende dal tipo di uscita
Rumore acustico	Click meccanico	Silenzioso

Relè a stato solido e PhotoMOS

Un SSR svolge una funzione simile al relè ma senza contatti meccanici. Può utilizzare triac, SCR o MOSFET come elemento di potenza e spesso integra un ingresso optoisolato.

SSR AC e SSR DC non sono equivalenti Un SSR a triac per rete AC può non spegnersi correttamente su DC. Per carichi DC si usano normalmente versioni a MOSFET.

Lo stato OFF non è perfetto Gli SSR possono avere corrente di leakage e nello stato ON presentano una caduta di tensione o resistenza, quindi dissipano calore.

Sicurezza con relè e tensione di rete

Il fatto che il microcontrollore sia a 5 V non rende automaticamente sicuro il lato contatti. Se il relè commuta la rete elettrica, quella parte del circuito deve essere progettata secondo tensione, isolamento, distanze, protezioni e contenitore appropriati.

230 V AC può essere letale Su breadboard, cavetti Dupont e prototipi aperti non è appropriato realizzare cablaggi di rete accessibili. Usa moduli, PCB, morsetti, fusibili, contenitori e distanze di isolamento adatti alla tensione e alla categoria d’uso.

Creepage e clearance L’isolamento dipende anche dalle distanze attraverso l’aria e lungo la superficie del PCB. Il valore necessario dipende da tensione, materiale, grado di inquinamento e standard applicabile.

Parametri da leggere nel datasheet

Relè

Parametro	Significato
Coil voltage	Tensione nominale della bobina.
Coil resistance/current	Corrente richiesta dal circuito di comando.
Pull-in voltage	Tensione massima alla quale deve sicuramente attivarsi.
Drop-out voltage	Tensione sotto cui rilascia.
Contact rating	Tensione e corrente commutabili per tipo di carico.
Contact resistance	Resistenza dei contatti chiusi.
Mechanical/electrical life	Vita prevista meccanica ed elettrica.

Optoisolatore

Parametro	Significato
IF	Corrente del LED di ingresso.
VF	Caduta diretta del LED.
CTR	Rapporto di trasferimento di corrente.
VISO	Tensione di isolamento specificata.
VCEO	Tensione massima dell’uscita fototransistor.
Rise/Fall time	Velocità di commutazione.

Errori comuni

pilotare la bobina direttamente dal GPIO;
dimenticare il diodo flyback;
confondere NO e NC;
usare il rating resistivo del relè per motori o carichi con forte spunto;
supporre che un optoisolatore possa alimentare direttamente un carico di potenza;
non considerare il CTR minimo;
collegare le masse dei due lati e poi parlare di isolamento galvanico;
usare un SSR AC su un carico DC;
ignorare leakage e dissipazione degli SSR;
usare breadboard o cablaggi inadatti alla rete elettrica.

📋 Riepilogo tecnico

RelèBobina + contatti meccanici con isolamento galvanico.

NO / NC / COMDefiniscono lo stato dei contatti a bobina non alimentata.

PilotaggioLa bobina richiede spesso transistor o MOSFET.

FlybackProtegge lo switch dalla sovratensione induttiva.

OptoisolatoreTrasferisce il segnale con luce, senza connessione galvanica.

CTRRapporto tra corrente di uscita e corrente LED d’ingresso.

SSRCommutazione senza contatti meccanici, ma con leakage e perdite.

SicurezzaLato rete e lato logico richiedono distanze, isolamento e protezioni adeguate.

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