Utilisation du filtrage pour faire fonctionner une bobine de relais
Une bobine de relais est un fil de cuivre enroulé plusieurs fois sur et autour d’une bobine dans laquelle se trouve un noyau en fer. Lorsqu’une tension d’amplitude suffisante passe à travers la bobine, la bobine et le noyau développent un magnétisme qui attire l’armature. L’armature, à son tour, contrôle le mouvement de contact. En fonction de la longueur totale du fil et de sa section transversale unitaire, la bobine présente une certaine résistance au flux de courant électrique. Selon la loi d’Ohm, pour une quantité donnée de résistance, le courant est directement proportionnel à la tension. C’est-à-dire :
une bobine 12 Vcc qui a une résistance de 120 ohms consomme 0,1 ampère de courant. Certaines bobines de relais acceptent la tension CC, tandis que d’autres acceptent la tension CA. La tension CC (courant continu) a une valeur constante et immuable. À tout moment, une source d’alimentation 12 Vcc mesure exactement 12 volts (+/- quelques dixièmes de volt, normalement). (Voir Fig. 1A)
une bobine 12 Vcc qui a une résistance de 120 ohms consomme 0,1 ampère de courant.
Certaines bobines de relais acceptent la tension CC, tandis que d’autres acceptent la tension CA. La tension CC (courant continu) a une valeur constante et immuable. À tout moment, une source d’alimentation 12 Vcc mesure exactement 12 volts (+/- quelques dixièmes de volt, normalement). (Voir Fig. 1A)
Figure 1a. Forme d’onde de tension CC.
La tension CA (courant alternatif), à l’inverse, change constamment de valeur. Comme indiqué dans la leçon 2 de la série d’auto-formation Siemens Electromechanical Components, « Understanding Relays », la tension sur une ligne de 120 Vca par exemple varie à tout instant T. (Voir Fig. 1B) C’est-à-dire que la tension commence à zéro, augmente jusqu’à une tension CA (courant alternatif) et change constamment de valeur. Comme indiqué dans la leçon 2 de la série d’auto-formation Siemens Electromechanical Components, « Understanding Relays », la tension sur une ligne de 120 Vca par exemple varie à tout instant T. (Voir Fig. 1B)
Figure 1b. Forme d’onde de tension CA.
C’est-à-dire que la tension commence à zéro, augmente jusqu’à une valeur de crête, diminue à zéro, traverse zéro et augmente jusqu’à la valeur de crête dans la direction opposée, puis diminue à nouveau jusqu’à zéro. Ce processus se répète continuellement.
Supposons que ce 120 Vca doit être transformé en 12 volts et transféré à travers la bobine 12 Vcc. Une mesure du courant de la bobine montrerait que le courant qui circule dans la bobine (et son circuit associé) est bien inférieur au courant calculé par la loi d’Ohm. Cette réduction du courant de la bobine est le résultat de l’impédance que la bobine présente au courant alternatif. (L’impédance est fonction de l’inductance et n’est présente que lorsque le courant alternatif circule.)
Afin de faire fonctionner son armature, une certaine quantité de puissance doit être développée dans la bobine du relais. Étant donné que la puissance est le produit de l’intensité au carré et de la résistance (P = I2xR), la quantité de puissance développée dans la bobine serait considérablement inférieure à celle requise pour un bon fonctionnement du relais. Pour développer la puissance requise, la tension de la bobine devrait être augmentée à cette valeur qui permet à suffisamment de courant de circuler.
Ainsi, en théorie, le courant alternatif peut être utilisé pour faire fonctionner un relais CC. En réalité, il n’est cependant pas pratique de procéder ainsi. Étant donné que le courant alternatif diminue à zéro tous les demi-cycles (120 fois par seconde pour une tension de 60 cycles), l’armature du relais a tendance à se libérer à chaque demi-cycle. Ce mouvement continu de l’armature provoque non seulement un « buzz » audible, mais provoque l’ouverture et la fermeture des contacts lorsque l’armature se déplace.
Afin de faire fonctionner un relais à partir de courant alternatif, les fabricants de relais utilisent un dispositif appelé bague de déphasage (ou bobine de déphasage) sur le noyau. (Voir Fig. 2). En raison de la bague de déphasage, le magnétisme développé dans une partie du noyau retarde quelque peu le magnétisme du reste du noyau. C’est-à-dire qu’il y a un léger déphasage entre le magnétisme d’une partie du noyau et le reste du noyau. Ainsi, comme l’énergie magnétique du noyau non déphasé diminue à zéro tous les demi-cycles, l’énergie magnétique diminue à zéro tous les demi-cycles et l’énergie magnétique encore présente dans la partie déphasée du noyau maintient l’armature scellée. Lorsque l’énergie de la partie déphasée diminue à zéro, la bobine et l’énergie magnétique du noyau non déphasé ont recommencé à augmenter à mesure que le courant augmente en valeur.
Figure 2. Les bobines CA utilisent une bague de déphasage pour empêcher la libération de l’armature du relais lorsque l’énergie magnétique diminue à zéro à chaque demi-cycle CA.
« Déphasage » du relais de la série R10 (bobine CA)
Les relais R10 (et modèles concurrents) utilisent une méthode unique de déphasage de la bobine. Comme le montre la fig. 3, lorsque la tension CA sur le côté supérieur de la bobine devient négative, la diode M1 conduit le courant à travers la moitié inférieure de la bobine.
Comme M1 est en parallèle avec la moitié supérieure de la bobine, aucun courant n’est présent dans la moitié supérieure de la bobine. Cependant, en raison de la magnétisation d’une moitié de la bobine et du magnétisme du noyau qui en résulte, de l’énergie magnétique est générée dans la moitié supérieure de la bobine. Cette énergie magnétique est quelque peu en retard sur celle de la moitié conductrice de la bobine et, comme nous venons de le décrire, sert à maintenir l’armature en place lorsque le courant diminue à zéro.
Lorsque la tension CA s’inverse, la diode M2 conduit et M1 s’éteint. Le courant de la bobine est maintenant présent dans la moitié supérieure de la bobine et génère un magnétisme de la même polarité que celui restant du demi-cycle précédent. Ainsi, l’armature n’a aucune chance de se libérer. Comme auparavant, la partie non conductrice de la bobine sert de déphaseur pour maintenir l’armature en place. Une diode peut être utilisée en série avec une bobine de relais, et sert à rectifier la tension CA. Cependant, une diode ne doit jamais être placée en parallèle avec la bobine dans un circuit CA. Cela entraînerait la conduction de la diode, et non du relais, car la tension oscille en négatif sur la diode. (De plus, la première fois que la diode conduit, elle sera détruite car il n’y a rien relié en série avec elle pour limiter le courant.)
CC sur un relais CA
Tout comme il n’est pas pratique de faire fonctionner un relais CC à partir de CA, il n’est pas non plus pratique d’utiliser un relais CA à partir de courant continu. Cependant, en cas d’urgence, un relais CA peut être utilisé à partir de CC, à condition que de prendre certaines précautions. La première précaution consiste à fournir un certain type de rupture résiduelle entre le noyau du relais et l’armature pour empêcher l’armature de « coller » en raison de tout magnétisme résiduel appréciable restant dans le noyau après le retrait de la puissance de la bobine. La deuxième précaution à prendre consiste à s’assurer que la quantité de tension CC utilisée est inférieure à la tension nominale CA de la bobine.
En ce qui concerne la rupture résiduelle, les relais CA sont construits de telle sorte que lorsque l’armature est en position assise, elle touche physiquement (magnétiquement) le noyau. (Sur les relais CC, une petite broche en cuivre dans l’armature empêche efficacement l’armature d’entrer en contact magnétique avec le noyau.) Tant que le relais CA fonctionne à partir de tension CA, il n’y a pas de problème avec le magnétisme résiduel maintenant l’armature en place après la libération de la puissance de la bobine. Mais lorsqu’un relais CA fonctionne à partir de tension CC, il existe un risque que le magnétisme résiduel maintienne l’armature en place. À tout le moins, la présence de magnétisme résiduel dans le noyau entraîne une réduction de la tension de chute du relais.
Pour annuler les effets du magnétisme résiduel, un petit morceau de ruban mylar peut être collé au sommet du noyau du relais CA. Ce ruban est extrêmement solide et devrait résister peut-être des centaines (voire des milliers) d’opérations. Le ruban doit avoir une épaisseur de 0,002 à 0,004 pouces.
En ce qui concerne la réduction requise de la tension de la bobine, considérez la bobine de relais de la série KR. La bobine 12 Vca a une résistance CC de 24 ohms. Selon la loi d’Ohm, 12 volts divisés par 24 ohms = 0,5 ampère. Cependant, comme indiqué sur la fiche technique KR, la bobine ne consomme en fait que 0,168 ampère ! (C’est dû à l’impédance de la bobine.) Cette valeur de 0,168 ampère permet à la bobine de développer une puissance suffisante pour effectuer la tâche prévue. Cependant, 0,5 ampère entraînerait le développement d’une puissance de 6 watts. C’est bien au-delà du maximum autorisé. En conséquence, la bobine surchaufferait et l’isolation du fil brûlerait. Les tours de la bobine se court-circuiteraient. La bobine consommerait encore plus de courant et finirait par brûler complètement.
L’utilisation d’une bobine CA sur du CC nécessite d’abaisser la quantité de tension CC à cette valeur lorsque la puissance de la bobine se situe dans les limites maximales. Considérons à nouveau le KR. L’unité de style ouvert a une puissance nominale maximale de 4 watts. Pour déterminer la quantité de tension CC à utiliser avec une bobine 12 Vca ayant une résistance CC de 24 ohms :
Ainsi, la tension CC ne peut pas dépasser 9,8 volts. Étant donné que la fiche technique indique la valeur seuil lors de l’utilisation d’une tension CC comme étant égale à 75 % de la valeur nominale, la tension CC dans cet exemple ne devrait pas être inférieure à 7,35 volts.
Lorsque vous utilisez du CA rectifié pour faire fonctionner une bobine de relais, il est préférable d’utiliser un filtrage. Comme le montre la fig. 4A, le CA qui est rectifié mais non filtré a des crêtes et creux de tension, c’est-à-dire des valeurs maximales et minimales. Si les valeurs minimales doivent être égales ou inférieures à 75 % de la tension nominale, l’armature peut subir des mouvements. Comme le montre la fig. 4B, le filtrage élimine l’ondulation. Ainsi, le CA rectifié et correctement filtré n’aura pas d’ondulation appréciable.
Figure 4a. La tension CA rectifiée et non filtrée a une ondulation présente.
Figure 4b. Le CA rectifié et filtré a peu ou pas d’ondulation.
Utilisation du filtrage pour faire fonctionner une bobine de relais
Une bobine de relais est un fil de cuivre enroulé plusieurs fois sur et autour d’une bobine dans laquelle se trouve un noyau en fer. Lorsqu’une tension d’amplitude suffisante passe à travers la bobine, la bobine et le noyau développent un magnétisme qui attire l’armature. L’armature, à son tour, contrôle le mouvement de contact. En fonction de la longueur totale du fil et de sa section transversale unitaire, la bobine présente une certaine résistance au flux de courant électrique. Selon la loi d’Ohm, pour une quantité donnée de résistance, le courant est directement proportionnel à la tension. C’est-à-dire :
une bobine 12 Vcc qui a une résistance de 120 ohms consomme 0,1 ampère de courant. Certaines bobines de relais acceptent la tension CC, tandis que d’autres acceptent la tension CA. La tension CC (courant continu) a une valeur constante et immuable. À tout moment, une source d’alimentation 12 Vcc mesure exactement 12 volts (+/- quelques dixièmes de volt, normalement). (Voir Fig. 1A)
une bobine 12 Vcc qui a une résistance de 120 ohms consomme 0,1 ampère de courant.
Certaines bobines de relais acceptent la tension CC, tandis que d’autres acceptent la tension CA. La tension CC (courant continu) a une valeur constante et immuable. À tout moment, une source d’alimentation 12 Vcc mesure exactement 12 volts (+/- quelques dixièmes de volt, normalement). (Voir Fig. 1A)
Figure 1a. Forme d’onde de tension CC.
La tension CA (courant alternatif), à l’inverse, change constamment de valeur. Comme indiqué dans la leçon 2 de la série d’auto-formation Siemens Electromechanical Components, « Understanding Relays », la tension sur une ligne de 120 Vca par exemple varie à tout instant T. (Voir Fig. 1B) C’est-à-dire que la tension commence à zéro, augmente jusqu’à une tension CA (courant alternatif) et change constamment de valeur. Comme indiqué dans la leçon 2 de la série d’auto-formation Siemens Electromechanical Components, « Understanding Relays », la tension sur une ligne de 120 Vca par exemple varie à tout instant T. (Voir Fig. 1B)
Figure 1b. Forme d’onde de tension CA.
C’est-à-dire que la tension commence à zéro, augmente jusqu’à une valeur de crête, diminue à zéro, traverse zéro et augmente jusqu’à la valeur de crête dans la direction opposée, puis diminue à nouveau jusqu’à zéro. Ce processus se répète continuellement.
Supposons que ce 120 Vca doit être transformé en 12 volts et transféré à travers la bobine 12 Vcc. Une mesure du courant de la bobine montrerait que le courant qui circule dans la bobine (et son circuit associé) est bien inférieur au courant calculé par la loi d’Ohm. Cette réduction du courant de la bobine est le résultat de l’impédance que la bobine présente au courant alternatif. (L’impédance est fonction de l’inductance et n’est présente que lorsque le courant alternatif circule.)
Afin de faire fonctionner son armature, une certaine quantité de puissance doit être développée dans la bobine du relais. Étant donné que la puissance est le produit de l’intensité au carré et de la résistance (P = I2xR), la quantité de puissance développée dans la bobine serait considérablement inférieure à celle requise pour un bon fonctionnement du relais. Pour développer la puissance requise, la tension de la bobine devrait être augmentée à cette valeur qui permet à suffisamment de courant de circuler.
Ainsi, en théorie, le courant alternatif peut être utilisé pour faire fonctionner un relais CC. En réalité, il n’est cependant pas pratique de procéder ainsi. Étant donné que le courant alternatif diminue à zéro tous les demi-cycles (120 fois par seconde pour une tension de 60 cycles), l’armature du relais a tendance à se libérer à chaque demi-cycle. Ce mouvement continu de l’armature provoque non seulement un « buzz » audible, mais provoque l’ouverture et la fermeture des contacts lorsque l’armature se déplace.
Afin de faire fonctionner un relais à partir de courant alternatif, les fabricants de relais utilisent un dispositif appelé bague de déphasage (ou bobine de déphasage) sur le noyau. (Voir Fig. 2). En raison de la bague de déphasage, le magnétisme développé dans une partie du noyau retarde quelque peu le magnétisme du reste du noyau. C’est-à-dire qu’il y a un léger déphasage entre le magnétisme d’une partie du noyau et le reste du noyau. Ainsi, comme l’énergie magnétique du noyau non déphasé diminue à zéro tous les demi-cycles, l’énergie magnétique diminue à zéro tous les demi-cycles et l’énergie magnétique encore présente dans la partie déphasée du noyau maintient l’armature scellée. Lorsque l’énergie de la partie déphasée diminue à zéro, la bobine et l’énergie magnétique du noyau non déphasé ont recommencé à augmenter à mesure que le courant augmente en valeur.
Figure 2. Les bobines CA utilisent une bague de déphasage pour empêcher la libération de l’armature du relais lorsque l’énergie magnétique diminue à zéro à chaque demi-cycle CA.
« Déphasage » du relais de la série R10 (bobine CA)
Les relais R10 (et modèles concurrents) utilisent une méthode unique de déphasage de la bobine. Comme le montre la fig. 3, lorsque la tension CA sur le côté supérieur de la bobine devient négative, la diode M1 conduit le courant à travers la moitié inférieure de la bobine.
Comme M1 est en parallèle avec la moitié supérieure de la bobine, aucun courant n’est présent dans la moitié supérieure de la bobine. Cependant, en raison de la magnétisation d’une moitié de la bobine et du magnétisme du noyau qui en résulte, de l’énergie magnétique est générée dans la moitié supérieure de la bobine. Cette énergie magnétique est quelque peu en retard sur celle de la moitié conductrice de la bobine et, comme nous venons de le décrire, sert à maintenir l’armature en place lorsque le courant diminue à zéro.
Lorsque la tension CA s’inverse, la diode M2 conduit et M1 s’éteint. Le courant de la bobine est maintenant présent dans la moitié supérieure de la bobine et génère un magnétisme de la même polarité que celui restant du demi-cycle précédent. Ainsi, l’armature n’a aucune chance de se libérer. Comme auparavant, la partie non conductrice de la bobine sert de déphaseur pour maintenir l’armature en place. Une diode peut être utilisée en série avec une bobine de relais, et sert à rectifier la tension CA. Cependant, une diode ne doit jamais être placée en parallèle avec la bobine dans un circuit CA. Cela entraînerait la conduction de la diode, et non du relais, car la tension oscille en négatif sur la diode. (De plus, la première fois que la diode conduit, elle sera détruite car il n’y a rien relié en série avec elle pour limiter le courant.)
CC sur un relais CA
Tout comme il n’est pas pratique de faire fonctionner un relais CC à partir de CA, il n’est pas non plus pratique d’utiliser un relais CA à partir de courant continu. Cependant, en cas d’urgence, un relais CA peut être utilisé à partir de CC, à condition que de prendre certaines précautions. La première précaution consiste à fournir un certain type de rupture résiduelle entre le noyau du relais et l’armature pour empêcher l’armature de « coller » en raison de tout magnétisme résiduel appréciable restant dans le noyau après le retrait de la puissance de la bobine. La deuxième précaution à prendre consiste à s’assurer que la quantité de tension CC utilisée est inférieure à la tension nominale CA de la bobine.
En ce qui concerne la rupture résiduelle, les relais CA sont construits de telle sorte que lorsque l’armature est en position assise, elle touche physiquement (magnétiquement) le noyau. (Sur les relais CC, une petite broche en cuivre dans l’armature empêche efficacement l’armature d’entrer en contact magnétique avec le noyau.) Tant que le relais CA fonctionne à partir de tension CA, il n’y a pas de problème avec le magnétisme résiduel maintenant l’armature en place après la libération de la puissance de la bobine. Mais lorsqu’un relais CA fonctionne à partir de tension CC, il existe un risque que le magnétisme résiduel maintienne l’armature en place. À tout le moins, la présence de magnétisme résiduel dans le noyau entraîne une réduction de la tension de chute du relais.
Pour annuler les effets du magnétisme résiduel, un petit morceau de ruban mylar peut être collé au sommet du noyau du relais CA. Ce ruban est extrêmement solide et devrait résister peut-être des centaines (voire des milliers) d’opérations. Le ruban doit avoir une épaisseur de 0,002 à 0,004 pouces.
En ce qui concerne la réduction requise de la tension de la bobine, considérez la bobine de relais de la série KR. La bobine 12 Vca a une résistance CC de 24 ohms. Selon la loi d’Ohm, 12 volts divisés par 24 ohms = 0,5 ampère. Cependant, comme indiqué sur la fiche technique KR, la bobine ne consomme en fait que 0,168 ampère ! (C’est dû à l’impédance de la bobine.) Cette valeur de 0,168 ampère permet à la bobine de développer une puissance suffisante pour effectuer la tâche prévue. Cependant, 0,5 ampère entraînerait le développement d’une puissance de 6 watts. C’est bien au-delà du maximum autorisé. En conséquence, la bobine surchaufferait et l’isolation du fil brûlerait. Les tours de la bobine se court-circuiteraient. La bobine consommerait encore plus de courant et finirait par brûler complètement.
L’utilisation d’une bobine CA sur du CC nécessite d’abaisser la quantité de tension CC à cette valeur lorsque la puissance de la bobine se situe dans les limites maximales. Considérons à nouveau le KR. L’unité de style ouvert a une puissance nominale maximale de 4 watts. Pour déterminer la quantité de tension CC à utiliser avec une bobine 12 Vca ayant une résistance CC de 24 ohms :
Ainsi, la tension CC ne peut pas dépasser 9,8 volts. Étant donné que la fiche technique indique la valeur seuil lors de l’utilisation d’une tension CC comme étant égale à 75 % de la valeur nominale, la tension CC dans cet exemple ne devrait pas être inférieure à 7,35 volts.
Lorsque vous utilisez du CA rectifié pour faire fonctionner une bobine de relais, il est préférable d’utiliser un filtrage. Comme le montre la fig. 4A, le CA qui est rectifié mais non filtré a des crêtes et creux de tension, c’est-à-dire des valeurs maximales et minimales. Si les valeurs minimales doivent être égales ou inférieures à 75 % de la tension nominale, l’armature peut subir des mouvements. Comme le montre la fig. 4B, le filtrage élimine l’ondulation. Ainsi, le CA rectifié et correctement filtré n’aura pas d’ondulation appréciable.
Figure 4a. La tension CA rectifiée et non filtrée a une ondulation présente.
Figure 4b. Le CA rectifié et filtré a peu ou pas d’ondulation.
