Présentation: Phénomène d’arc de contact

Qu’est-ce qu’un arc électrique ? Comment s’enflamme-t-il et comment l’éteindre ? En quoi un arc affecte-t-il la durée de vie des contacts de relais ?

Voici quelques questions auxquelles nous allons répondre. Nous espérons vous aider à mieux comprendre comment obtenir la plus longue durée de vie possible pour les contacts de relais tels que ceux-ci.

Prenons tout d’abord une minute pour définir quelques-uns des termes que nous utiliserons.

Commençons par la « constriction ». Cela fait référence au tout premier et minuscule point de surface de contact à établir et au tout dernier point à rompre.

La tension de fusion représente la quantité de tension qui existe à travers la constriction qui provoquera un courant suffisant pour liquéfier le matériau de contact à la constriction.

La tension d’arc est la quantité de tension qui existe sur les contacts séparés par un petit espace qui provoquera une décharge électrique sur l’espace.

Enfin, le courant d’arc est la quantité de courant nécessaire pour simplement soutenir un arc causé par la décharge électrique de tension d’arc.

Gardez à présent ces termes à l’esprit car nous allons nous plonger dans le monde des contacts de relais, un environnement plutôt difficile. Jetons un coup d’œil microscopique aux effets de l’arc de contact.

Comme vous le savez, le résultat final de l’arc de contact est une durée de vie de contact raccourcie. Selon la gravité et la durée de l’arc, chaque fois qu’un arc s’allume, une érosion du contact se produit. Cette érosion provoque une perte de matériau de contact qui entraînera l’une de deux conditions.

La condition n° 1 est celle où tant de matière est perdue au niveau des contacts qu’ils ne parviennent pas à fermer électriquement le circuit de charge. La condition n° 2 est celle où un contact perd tellement de matière au niveau de l’autre contact qu’il en résulte un pic et un cratère.

Le terme Synchronisation, relatif à la commutation de charge CA, est utilisé plusieurs fois dans cette note d’application. Dans ce contexte, la synchronisation est le fonctionnement d’un relais de manière que les contacts se font ou se cassent (ou les deux) au même point sur la forme d’onde de la tension d’alimentation de charge, ou principalement à la même polarité sur l’onde sinusoïdale de la tension de charge.

Une telle synchronisation entraînera un transfert net du matériel de contact entre les contacts. Cela augmente la probabilité de verrouillage mécanique et/ou de soudage des contacts, et réduit ainsi la durée de vie attendue des contacts. Tous nos valeurs nominales et résultats de tests de durée de vie publiés sont basés sur une commutation aléatoire par rapport à la fréquence d’alimentation en charge, sauf indication contraire.

La synchronisation accidentelle des contacts avec la fréquence de ligne peut être causée, sans s’y limiter, par les scénarios suivants :

• Microcontrôleurs synchronisés sur la fréquence d’alimentation
• Thyristors synchronisés sur la fréquence d’alimentation
• Filtrage insuffisant de l’alimentation CC qui entraîne la bobine
• Bruit de fréquence de ligne induit dans les circuits de capteurs 

Faites preuve de prudence dans la conception du circuit, car un circuit « zéro tension » prévu qui est mal conçu peut entraîner une fermeture du contact, et surtout un rebond, lors d’un flux de courant plus élevé et à la même polarité.

Un autre résultat d’un arc sévère qui peut se produire de temps en temps est le soudage des contacts. Cependant, lorsque cela se produit, il est généralement prouvé que le relais a été mal appliqué dans un circuit où la tension et/ou le courant sont beaucoup plus importants que ce que le relais en question peut gérer.

En ce qui concerne une condition de pic et de cratère, lorsque la condition devient suffisamment grave, le point haut, c’est-à-dire le pic, peut mécaniquement pendre sur le bord du cratère. Alors, lorsque le relais est mis hors tension, les contacts ne s’ouvrent pas et la charge est dans un état non contrôlé. Inutile de dire que c’est une situation indésirable.

En règle générale, une condition de transfert de matériau avec pic et cratère est associée à une application de courant continu. Mais nous commençons à remarquer que même dans certaines applications à courant alternatif, un transfert de matériaux avec pic et cratère est clairement visible. En effet, dans ces applications, les relais fonctionnent en synchronisation avec la tension de ligne CA. Cette synchronisation est généralement le résultat de la synchronisation sur la ligne CA de la logique à semi-conducteurs ou du circuit micro-ordinateur qui fait fonctionner le relais. Si la synchronisation se produit juste à la crête de tension de ligne ou à proximité, alors, chaque fois que les contacts de relais fonctionnent, ils le font à 170 volts ou 340 volts, ou à des valeurs proches, selon, bien sûr, que la tension de ligne est de 120 ou 240 volts.

Si l’application exige que l’horloge du circuit soit synchronisée sur la ligne CA, des circuits supplémentaires doivent être inclus pour obtenir un fonctionnement aléatoire du relais. Ou, la synchronisation peut être définie pour que les contacts des relais s’ouvrent à zéro ou près de zéro.

Juste un autre commentaire ici concernant le transfert de matériaux avec pic et cratère. Ne présumez pas automatiquement que ce type de transfert est le résultat d’un arc de contact. Ce n’est peut-être pas le cas. Même dans les circuits où aucun arc ne s’enflamme, un transfert de matériau peut se produire. En effet, la tension du circuit est supérieure à la tension de fusion du matériau de contact et lorsque les contacts se rejoignent ou se séparent, le matériau fond, se déplace du contact le plus chaud, l’anode, au contact plus froid, la cathode, et y reste. Dans une application CA où le fonctionnement est vraiment aléatoire, le matériau est d’abord transféré dans un sens une fois et dans l’autre une autre fois. Le résultat net n’est pas un gain appréciable de matière par l’un ou l’autre contact. Mais dans une application CC ou dans une application où le relais est synchronisé sur la ligne CA, le transfert de matériau est toujours dans la même direction et une condition de pic et cratère peut en résulter.

Lorsqu’un arc s’enflamme, le transfert de matériau se fait du contact de la cathode au contact de l’anode. Par conséquent, dans une opération donnée du contact, avant qu’un arc ne s’enflamme, le matériau passe de l’anode à la cathode, puis lorsque l’arc s’enflamme, le matériau passe de la cathode à l’anode. La quantité de transfert est généralement la plus grande pendant l’arc. Gardez à l’esprit, cependant, comme nous venons de l’expliquer – et c’est important – dans une application CA vraiment aléatoire, le gain de matériau net de l’un ou l’autre contact est négligeable, tandis que dans une application CC ou dans une application synchronisée sur la ligne CA, il peut y avoir un gain de matériau important par un contact.

Maintenant, jetons un coup d’œil à ce qui se passe lors de la fermeture du contact. Si vous pouviez examiner la surface d’un contact de relais sous un microscope à haute puissance, vous verriez que la surface est assez irrégulière, composée de points bas profonds et de beaucoup de points hauts - avec certains points plus hauts que les autres. 

Comme les contacts viennent de se rassembler, le premier point haut à entrer en contact est soumis au courant de pleine charge. Si le courant de charge est même une fraction d’un ampère, la chaleur I²R générée dans ce point élevé provoque instantanément la fonte et peut-être même l’ébullition du point haut. L’air entourant le point haut est surchauffé et commence à s’ioniser par la perte d’électrons. Si l’énergie I²R est suffisante, le point haut peut atteindre une température de 5 000 Kelvin ou plus et peut exploser, laissant de l’air surchauffé et ionisé ainsi que des ions métalliques dans l’espace entre les contacts. Selon le matériau du contact et la contrainte de tension sur cet espace d’air, c’est-à-dire la tension de contact au moment de l’explosion, l’espace d’air ionisé peut commencer à conduire le courant électronique de la cathode à l’anode. Cette décharge électrique entre contacts est en fait le début d’un arc. Si le courant de charge est supérieur au courant d’arc nominal du matériau du contact, l’arc contiendra suffisamment d’énergie pour se maintenir. Sinon, la décharge entre les contacts ne provoquera pas d’allumage de l’arc.

Si un arc s’allume, en raison de l’effet Thompson, il y a un gradient de température le long de la colonne d’arc, la cathode étant le contact le plus chaud. C’est-à-dire que la chaleur circulera de la cathode à l’anode. Le point cathodique dans lequel la chaleur I²R est la plus grande peut bouillir, dégageant ainsi des émissions atomiques et même moléculaires. Ces émissions sont tirées à travers la colonne d’arc et déposées sur le contact d’anode légèrement plus froid. Ceci, bien sûr, est le principe de la soudure à l’arc. Tout cela se produit en peut-être dix nanosecondes ou plus lorsque les contacts continuent de se déplacer ensemble.

L’arc existe jusqu’au prochain point haut ou jusqu’aux prochains points hauts. Encore une fois, la chaleur dans ces points élevés peut les faire fondre. Quand ils le font, ils commencent à s’étendre, augmentant la zone de contact. Lorsque les contacts se déplacent ensemble avec force, ce métal liquéfié peut éclabousser, entraînant une perte de matériau. Au fur et à mesure que le métal fondu entre les contacts refroidit, les contacts sont gelés ensemble de la manière normale. Contrairement à la soudure catastrophique qui peut survenir lorsqu’un relais est mal appliqué, cette soudure est faible et facilement brisée par l’action des forces du ressort du relais lorsque le relais est mis hors tension. Maintenant, repensez-y ! Que devait-il réellement se passer avant que l’arc puisse s’allumer ? Le courant de charge ou la tension étaient-ils responsables de l’arc ? Eh bien, l’arc doit certainement avoir un support à travers lequel voyager, et l’espace ionisé entre les contacts joue ce rôle. Et c’est certainement le chauffage par courant de charge d’un point haut de contact qui a causé les ions. Mais c’est la tension qui existait à travers l’intervalle de coupure qui a entraîné l’allumage de l’arc. Cette tension n’a pas besoin d’être la tension de charge. Il peut s’agir de la tension du circuit. C’est-à-dire qu’au contact, il peut y avoir une certaine capacité dans le circuit qui se chargera à travers les contacts. 

De plus, si un condensateur de suppression d’arc est utilisé sur les contacts, cette capacité se déchargera par elle-même à travers les contacts du relais.

Le courant de choc de décharge peut être de centaines d’ampères pendant quelques nanosecondes ou plus. Pour limiter ces courants de décharge, un condensateur de suppression d’arc doit avoir une certaine résistance en série avec lui. Dans les circuits où il n’y a pas de capacité dédiée, il peut cependant encore y avoir suffisamment de capacité parasite pour provoquer une surintensité momentanée lors du contact. Ce fait est souvent négligé par de nombreux concepteurs de circuits.

Un arc s’allume de la même manière lors de la rupture de contact. Au fur et à mesure que les contacts commencent à se séparer, de moins en moins de zone de contact transporte du courant de charge. Le courant de charge commence à s’infiltrer dans cette zone resserrée et la chaleur I²R commence à augmenter. Le tout dernier point de contact fond et, à mesure que les contacts continuent de se séparer, un mince pont de métal fondu est tendu entre les contacts. L’air dans l’espace commence à s’ioniser. L’énergie I²R dans le pont génère tellement d’énergie que le pont explose littéralement, inondant l’espace d’ions métalliques. Encore une fois, si la tension de contact est suffisante, un arc s’allumera.

Différents matériaux de contact ont des tensions nominales d’arc différentes. Pour l’argent fin, la tension d’arc est de 12 volts. Pour le cadmium, il est de 10 volts ; et pour l’or et le palladium, il est de 15 volts. Supposons que les contacts sont en argent fin. Dans les nanosecondes qui suivent l’explosion du pont fondu, si le matériau est en argent et si la tension du circuit est de 12 volts ou plus, une rupture de tension se produit. Si la tension du circuit est inférieure à 12 volts, la rupture ne peut pas se produire et il n’y aura pas d’arc.

Lorsqu’un arc s’allume entre des contacts de séparation, il sera maintenu tant qu’il y aura suffisamment d’énergie pour l’alimenter. Tant que l’arc existera, le transfert de matériau se poursuivra. Dans une application à courant continu, l’arc ne peut être éteint qu’en l’étirant à une longueur telle que sa propre impédance provoque son extinction, ou en ouvrant le circuit à un autre point. Dans de nombreuses applications, cependant, l’intervalle de coupure est suffisamment large pour que l’arc s’éteigne avant que les contacts ne se soient complètement ouverts. C’est pour cette raison que les relais d’une puissance de contact donnée seront évalués pour, disons, 120 Vca, mais auront une tension nominale CC considérablement inférieure, généralement 28 ou 30 Vcc. C’est-à-dire que l’écart est suffisamment large pour que, compte tenu du basculement périodique à travers zéro du courant alternatif, tout arc CA s’éteigne rapidement. Mais l’écart ne serait pas assez large pour qu’un arc de 110 Vcc s’éteigne.

Dans une application CA, en fonction de la température de l’air ionisé, même si le courant d’arc diminue à zéro tous les demi-cycles, l’arc peut se rallumer après le zéro. En effet, les ions positifs existent toujours entre les contacts et ne nécessitent pas beaucoup d’énergie pour raviver l’arc.

Il est reconnu depuis longtemps que, par rapport à l’argent fin, les contacts argent-oxyde de cadmium offrent une durée de vie supérieure en présence d’un arc. Une théorie dit que puisque les matériaux revêtus d’oxyde produisent des ions négatifs lorsqu’ils sont suffisamment chauffés, les ions négatifs produits par l’oxyde d’argent-cadmium provoquent une recombinaison précoce des ions positifs après le zéro. Cette recombinaison provoque l’extinction de l’arc plus tôt et peut empêcher la réactivation après le zéro. Cela semble indiquer que dans une application CA où l’arc est à prévoir, les contacts argent-oxyde de cadmium protégés par une méthode appropriée de suppression de l’arc devraient avoir une bonne durée de vie de contact. Nous n’entrerons pas dans les techniques de suppression d’arc ici, car c’est le sujet d’une autre note d’application intitulée « Protection des contacts de relais ». Tout ce que nous dirons ici à propos de la suppression de l’arc, c’est qu’une suppression appropriée peut entraîner une durée de vie prolongée des contacts. De plus, en supprimant l’arc, les interférences électromagnétiques (EMI, en abrégé) sont réduites au minimum. Ces interférences sont le résultat d’une action atomique dans la colonne d’arc. Dans un plasma à arc, la surface des contacts est bombardée par des atomes, des ions positifs et négatifs et des électrons, dont certains peuvent être accélérés en traversant le champ électrique, et d’autres peuvent provoquer une émission secondaire d’électrons qui peuvent rayonner de l’énergie sur un large spectre de fréquences. En éteignant l’arc rapidement, cette action est réduite au minimum. Le résultat est souvent une quantité considérablement réduite d’interférences électromagnétiques et de radiofréquences.

En résumé, pour obtenir la durée de vie maximale des contacts de relais avec arc, une application appropriée du relais et du contact et l’utilisation possible de la suppression de l’arc sont les plus importantes.

Méfiez-vous des applications CA où le relais est synchronisé sur la tension de ligne CA. Si la synchronisation est inévitable, réglez l’horloge de sorte que l’opération de contact du relais se produise à un courant égal ou proche de zéro.

Et, lorsque des conditions d’arc sévères sont attendues, sélectionnez un relais ayant un matériau de contact en argent et cadmium.