La nécessité d’une suppression transitoire
Cette note d’application a été rédigée en réponse aux nombreux problèmes d’application résultant d’une suppression incorrecte de bobines de relais. Le symptôme type est le soudage aléatoire par points des contacts normalement ouverts lors de la commutation d’une charge inductive ou d’une charge de lampe avec un courant d’appel élevé.
Lorsqu’un relais électromécanique est rapidement mis hors tension par un commutateur mécanique ou un semi-conducteur, le champ magnétique qui s’effondre produit une tension transitoire substantielle dans son effort visant à disperser l’énergie stockée et à s’opposer au changement soudain du flux de courant. Un relais 12 Vcc, par exemple, peut générer une tension de 1 000 à 1 500 volts pendant l’arrêt. Avec l’avènement des systèmes électroniques modernes, ce transitoire de tension relativement important a créé des problèmes d’EMI, de panne de semi-conducteur et d’usure des commutateurs pour l’ingénieur de conception. Il est donc devenu courant de supprimer les bobines de relais avec d’autres composants qui limitent la tension de crête à un niveau bien inférieur.
Types de suppression transitoire utilisés avec les relais
Les techniques de base pour la suppression des tensions transitoires des bobines de relais sont indiquées sur la figure
- Comme observé ici, le dispositif de suppression peut être en parallèle avec la bobine de relais ou en parallèle avec l’interrupteur utilisé pour contrôler le relais. Il est normalement préférable d’avoir la suppression parallèle à la bobine, car elle peut être située plus près du relais (sauf dans le cas des applications de circuits imprimés où l’une ou l’autre peut être utilisée). Lorsque la suppression est parallèle à la bobine de relais, l’un des éléments suivants peut être utilisé.
A. Une diode suppresseur transitoire bilatérale dont les caractéristiques V-I sont similaires à deux diodes Zener connectées cathode à cathode (ou anode à anode).
B. Une diode redresseuse à polarisation inverse en série avec une diode Zener de façon que leurs anodes (ou cathodes) soient communes et que le redresseur empêche le flux de courant normal.
C. Une varistance à oxyde métallique (MOV).
D. Une diode redresseuse à polarisation inversée, en série, avec résistance.
E. Une résistance, lorsque les conditions le permettent, est souvent la suppression la plus économique.
F. Une diode redresseuse à polarisation inversée.
G. Un condensateur-résistance « snubber ». Généralement la solution la moins économique et qui n’est plus considérée comme une solution pratique.
H. Une bobine enroulée bifilaire avec le deuxième enroulement utilisé comme dispositif de suppression. Ce n’est pas très pratique, car cela ajoute un coût et une taille importants au relais.
La suppression utilisée en parallèle avec l’élément de commutation est susceptible d’être soit une diode Zener, soit un condensateur-résistance « snubber ». Les commentaires associés à l’application « parallèle à la bobine » sont également applicables à ce circuit.
Suppresseur parallèle au commutateur
Figure 1. Schéma de suppression de bobine de relais : suppresseur parallèle à la bobine et suppresseur parallèle au commutateur
Effets de la suppression de la bobine sur la dynamique et la durée de vie des relais
Même si l’utilisation de la suppression de bobines devient de plus en plus importante, les relais sont normalement conçus sans tenir compte de l’impact dynamique des suppresseurs. La durée de vie optimale de la commutation (pour les contacts normalement ouverts) est ainsi obtenue avec un relais intégralement non supprimé et les déclarations de la durée de vie électrique nominale sont généralement basées sur cette prémisse. La « rupture » réussie d’une charge CC nécessite que les contacts du relais s’ouvrent à une vitesse raisonnablement élevée.
Un relais type aura un mouvement d’accélération de son armature vers la position de repos non électrisée pendant l’abandon. La vitesse de l’armature au moment de l’ouverture du contact jouera un rôle important dans la capacité du relais à éviter le « soudage par points » en fournissant une force adéquate pour briser toute soudure légère effectuée pendant la « fabrication » d’une charge résistive à courant élevé (ou avec un courant d’appel élevé). C’est la vitesse de l’armature qui est la plus affectée par la suppression de la bobine. Si le suppresseur fournit un chemin conducteur, permettant ainsi à l’énergie stockée dans le circuit magnétique du relais de se désintégrer lentement, le mouvement de l’armature sera retardé et l’armature pourra même inverser temporairement le sens. L’inversion du sens et la refermeture des contacts (en particulier lorsqu’ils sont combinés à des charges inductives) conduisent souvent à un « soudage par points » aléatoire et intermittent des contacts, de sorte que le relais peut se libérer s’il est actionné à nouveau ou même légèrement secoué.
En fonction de l’impact sur le mouvement de l’armature et de l’optimisation pour les contacts normalement ouverts, la meilleure méthode de suppression consiste à utiliser une diode de suppression transitoire en silicium. Ce suppresseur aura le moins d’effet sur la dynamique de chute du relais puisque le relais transitoire sera autorisé à atteindre un niveau de tension prédéterminé et permettra ensuite au courant de circuler avec une faible impédance. Il en résulte que l’énergie stockée est rapidement dissipée par le suppresseur. Les diodes de suppression transitoires sont disponibles en tant que composants bidirectionnels et permettent au relais d’être non polarisé lorsqu’il est installé en interne. Notez que si un suppresseur transitoire unidirectionnel est utilisé, une diode redresseuse doit être placée en série avec lui afin de bloquer le flux de courant normal et elle a peu d’avantage sur l’utilisation d’une diode Zener. Le suppresseur transitoire doit être sélectionné de manière à ce que son indice d’énergie pulsée dépasse tout transitoire prévu, tel que l’arrêt de la bobine ou le « bruit » du moteur présent dans l’application.
Une varistance à oxyde métallique fournira des résultats similaires à ceux d’une diode de suppression transitoire, mais aura une impédance « à l’état » plus élevée et permettra ainsi de développer une tension plus élevée. À titre d’exemple, une diode de suppression transitoire de 33 volts peut avoir une tension de « serrage » comprise entre 30 et 36 volts. En comparaison, une MOV de 33 volts serrera probablement le relais à 45/55 volts (basé sur un relais automobile type avec un courant de bobine de 130 mA). Lorsque la tension supplémentaire ne constitue pas un problème, une MOV peut économiser des coûts par rapport à la diode de suppression transitoire et fournira également un relais non polarisé.
L’utilisation d’une diode redresseuse à polarisation inversée, en série, avec une diode Zener, fournira la meilleure solution lorsque le relais peut être polarisé. Cette suppression est souvent recommandée par Siemens Electromechanical Components (SEC) pour une utilisation dans les circuits automobiles. L’impact sur la dynamique de libération est minime et ne cause aucune perte en termes de fiabilité. Il s’agit normalement d’une méthode peu coûteuse. La seule précaution de conception consiste à sélectionner une diode Zener avec une tension de claquage et des spécifications de puissance pulsée appropriées pour le relais dans son application. Dans les applications de circuit imprimé utilisant des transistors comme pilotes de relais, la diode Zener peut être placée « sur » le transistor ; c’est-à-dire que pour un circuit émetteur commun, la cathode est connectée au collecteur et l’anode est connectée à l’émetteur (la diode redresseuse en série n’est pas utilisée dans ce type de circuit).
Un redresseur à polarisation inversée en série avec une résistance peut être utilisé avec succès sur certains relais lorsque la capacité de commutation de charge maximale n’est pas requise. Il faut prendre soin d’utiliser une résistance suffisamment grande en valeur afin de dissiper rapidement l’énergie stockée du relais tout en restant dans le transitoire de tension de crête souhaité. La valeur de résistance requise peut être approchée en appliquant l’équation suivante :
R = Vcrête/Ibobine
avec :
R = valeur de la résistance en Ohms
Vcrête = tension transitoire de crête autorisée
Ibobine = courant de bobine de relais à l’état d’équilibre
La crête de tension réelle observée sera inférieure à celle calculée selon cette formule en raison des pertes d’énergie dans la résistance. Lors de l’utilisation de ce type de suppression, il est préférable de contacter le fabricant du relais pour connaître les valeurs recommandées.
Il est également possible d’utiliser une résistance seule comme suppresseur transitoire lorsque la puissance dissipée supplémentaire et la chaleur résultante générée par la résistance peuvent être tolérées. Dans la plupart des cas, il s’agira de la méthode de suppression la moins coûteuse (en supposant que la valeur de la résistance peut être correctement dimensionnée pour minimiser son impact sur les performances du relais). Cette méthode est normalement recommandée par SEC lorsque les exigences de l’application le permettent.
De nombreux ingénieurs utilisent une diode redresseuse seule afin de fournir la suppression transitoire des bobines de relais. Bien que cela soit rentable et permette d’éliminer complètement la tension transitoire, son impact sur les performances du relais peut être dévastateur. Des problèmes de « soudage par points » aléatoire et inexpliqué se produisent fréquemment dans ces systèmes. Dans certaines applications, ce problème n’est qu’une nuisance ou un inconvénient mineur, et le contrôleur ou l’opérateur fera tourner le relais jusqu’à obtenir la réponse appropriée. Cependant, pour de nombreuses applications, la première occurrence peut provoquer une défaillance complète du système ou même présenter une situation dangereuse. Il est important que ces systèmes soient conçus avec une autre méthode de suppression des relais.
Pour illustrer l’impact de diverses suppressions de bobines sur le temps de réponse du relais, prenez en compte les données suivantes qui ont été enregistrées à l’aide d’un relais de type ISO automobile avec une bobine de 55 ohms et avec 13,5 Vcc appliqués à la bobine.
Figure 2. Impact de différentes suppressions de bobines sur le temps de réponse du relais
Méthodes suggérées pour la suppression de bobines de relais
Du point de vue de la physique, la technique proposée pour la suppression transitoire de la bobine de relais consiste à utiliser une diode redresseuse à polarisation inversée et une diode Zener série en parallèle à la bobine de relais. Cela permet au relais d’avoir une dynamique de libération et une durée de vie des contacts normalement ouverts optimales. Une telle suppression peut facilement être incorporée dans les circuits des relais de circuits imprimés. Toutefois, lors de la spécification de la suppression d’un relais monté sur support, cette méthode peut être moins pratique que l’utilisation d’une résistance.
Lorsque la tension transitoire admissible est suffisamment élevée et que la puissance dissipée est tolérable, le relais peut être supprimé à l’aide d’une résistance. Du point de vue de l’analyse des modes de défaillance et de leurs effets (AMDE), la résistance offrira moins de risques supplémentaires de défaillance que les deux diodes suggérées ci-dessus (à condition que sa valeur soit suffisamment élevée pour éviter des effets néfastes sur la dynamique de libération du relais). Il est important de noter que la valeur optimale de la résistance pour un type de relais ne sera pas nécessairement la valeur appropriée pour un autre type.
Maintenant que nous avons proposé des techniques de suppression basées sur les performances de contacts normalement ouverts, nous devons ajouter un commentaire qualificatif concernant les contacts normalement fermés. Lorsque la charge primaire repose sur les contacts normalement fermés (et une faible charge ou aucune sur les contacts normalement ouverts), il peut être souhaitable d’utiliser une diode redresseuse seule comme suppression du relais (ou peut-être une diode redresseuse et une valeur inférieure de résistance de série). Le mouvement retardé de l’armature ayant un impact négatif sur les performances des contacts normalement ouverts améliorera généralement les performances des contacts normalement fermés. L’amélioration résulte d’un moindre rebond du contact lors de la fermeture des contacts normalement fermés. Cela résulte de la vitesse d’impact moins élevée créée par le mouvement retardé de l’armature et a été utilisé dans le passé pour améliorer les performances des contacts normalement fermés sur certains relais.
La nécessité d’une suppression transitoire
Cette note d’application a été rédigée en réponse aux nombreux problèmes d’application résultant d’une suppression incorrecte de bobines de relais. Le symptôme type est le soudage aléatoire par points des contacts normalement ouverts lors de la commutation d’une charge inductive ou d’une charge de lampe avec un courant d’appel élevé.
Lorsqu’un relais électromécanique est rapidement mis hors tension par un commutateur mécanique ou un semi-conducteur, le champ magnétique qui s’effondre produit une tension transitoire substantielle dans son effort visant à disperser l’énergie stockée et à s’opposer au changement soudain du flux de courant. Un relais 12 Vcc, par exemple, peut générer une tension de 1 000 à 1 500 volts pendant l’arrêt. Avec l’avènement des systèmes électroniques modernes, ce transitoire de tension relativement important a créé des problèmes d’EMI, de panne de semi-conducteur et d’usure des commutateurs pour l’ingénieur de conception. Il est donc devenu courant de supprimer les bobines de relais avec d’autres composants qui limitent la tension de crête à un niveau bien inférieur.
Types de suppression transitoire utilisés avec les relais
Les techniques de base pour la suppression des tensions transitoires des bobines de relais sont indiquées sur la figure
- Comme observé ici, le dispositif de suppression peut être en parallèle avec la bobine de relais ou en parallèle avec l’interrupteur utilisé pour contrôler le relais. Il est normalement préférable d’avoir la suppression parallèle à la bobine, car elle peut être située plus près du relais (sauf dans le cas des applications de circuits imprimés où l’une ou l’autre peut être utilisée). Lorsque la suppression est parallèle à la bobine de relais, l’un des éléments suivants peut être utilisé.
A. Une diode suppresseur transitoire bilatérale dont les caractéristiques V-I sont similaires à deux diodes Zener connectées cathode à cathode (ou anode à anode).
B. Une diode redresseuse à polarisation inverse en série avec une diode Zener de façon que leurs anodes (ou cathodes) soient communes et que le redresseur empêche le flux de courant normal.
C. Une varistance à oxyde métallique (MOV).
D. Une diode redresseuse à polarisation inversée, en série, avec résistance.
E. Une résistance, lorsque les conditions le permettent, est souvent la suppression la plus économique.
F. Une diode redresseuse à polarisation inversée.
G. Un condensateur-résistance « snubber ». Généralement la solution la moins économique et qui n’est plus considérée comme une solution pratique.
H. Une bobine enroulée bifilaire avec le deuxième enroulement utilisé comme dispositif de suppression. Ce n’est pas très pratique, car cela ajoute un coût et une taille importants au relais.
La suppression utilisée en parallèle avec l’élément de commutation est susceptible d’être soit une diode Zener, soit un condensateur-résistance « snubber ». Les commentaires associés à l’application « parallèle à la bobine » sont également applicables à ce circuit.
Suppresseur parallèle au commutateur
Figure 1. Schéma de suppression de bobine de relais : suppresseur parallèle à la bobine et suppresseur parallèle au commutateur
Effets de la suppression de la bobine sur la dynamique et la durée de vie des relais
Même si l’utilisation de la suppression de bobines devient de plus en plus importante, les relais sont normalement conçus sans tenir compte de l’impact dynamique des suppresseurs. La durée de vie optimale de la commutation (pour les contacts normalement ouverts) est ainsi obtenue avec un relais intégralement non supprimé et les déclarations de la durée de vie électrique nominale sont généralement basées sur cette prémisse. La « rupture » réussie d’une charge CC nécessite que les contacts du relais s’ouvrent à une vitesse raisonnablement élevée.
Un relais type aura un mouvement d’accélération de son armature vers la position de repos non électrisée pendant l’abandon. La vitesse de l’armature au moment de l’ouverture du contact jouera un rôle important dans la capacité du relais à éviter le « soudage par points » en fournissant une force adéquate pour briser toute soudure légère effectuée pendant la « fabrication » d’une charge résistive à courant élevé (ou avec un courant d’appel élevé). C’est la vitesse de l’armature qui est la plus affectée par la suppression de la bobine. Si le suppresseur fournit un chemin conducteur, permettant ainsi à l’énergie stockée dans le circuit magnétique du relais de se désintégrer lentement, le mouvement de l’armature sera retardé et l’armature pourra même inverser temporairement le sens. L’inversion du sens et la refermeture des contacts (en particulier lorsqu’ils sont combinés à des charges inductives) conduisent souvent à un « soudage par points » aléatoire et intermittent des contacts, de sorte que le relais peut se libérer s’il est actionné à nouveau ou même légèrement secoué.
En fonction de l’impact sur le mouvement de l’armature et de l’optimisation pour les contacts normalement ouverts, la meilleure méthode de suppression consiste à utiliser une diode de suppression transitoire en silicium. Ce suppresseur aura le moins d’effet sur la dynamique de chute du relais puisque le relais transitoire sera autorisé à atteindre un niveau de tension prédéterminé et permettra ensuite au courant de circuler avec une faible impédance. Il en résulte que l’énergie stockée est rapidement dissipée par le suppresseur. Les diodes de suppression transitoires sont disponibles en tant que composants bidirectionnels et permettent au relais d’être non polarisé lorsqu’il est installé en interne. Notez que si un suppresseur transitoire unidirectionnel est utilisé, une diode redresseuse doit être placée en série avec lui afin de bloquer le flux de courant normal et elle a peu d’avantage sur l’utilisation d’une diode Zener. Le suppresseur transitoire doit être sélectionné de manière à ce que son indice d’énergie pulsée dépasse tout transitoire prévu, tel que l’arrêt de la bobine ou le « bruit » du moteur présent dans l’application.
Une varistance à oxyde métallique fournira des résultats similaires à ceux d’une diode de suppression transitoire, mais aura une impédance « à l’état » plus élevée et permettra ainsi de développer une tension plus élevée. À titre d’exemple, une diode de suppression transitoire de 33 volts peut avoir une tension de « serrage » comprise entre 30 et 36 volts. En comparaison, une MOV de 33 volts serrera probablement le relais à 45/55 volts (basé sur un relais automobile type avec un courant de bobine de 130 mA). Lorsque la tension supplémentaire ne constitue pas un problème, une MOV peut économiser des coûts par rapport à la diode de suppression transitoire et fournira également un relais non polarisé.
L’utilisation d’une diode redresseuse à polarisation inversée, en série, avec une diode Zener, fournira la meilleure solution lorsque le relais peut être polarisé. Cette suppression est souvent recommandée par Siemens Electromechanical Components (SEC) pour une utilisation dans les circuits automobiles. L’impact sur la dynamique de libération est minime et ne cause aucune perte en termes de fiabilité. Il s’agit normalement d’une méthode peu coûteuse. La seule précaution de conception consiste à sélectionner une diode Zener avec une tension de claquage et des spécifications de puissance pulsée appropriées pour le relais dans son application. Dans les applications de circuit imprimé utilisant des transistors comme pilotes de relais, la diode Zener peut être placée « sur » le transistor ; c’est-à-dire que pour un circuit émetteur commun, la cathode est connectée au collecteur et l’anode est connectée à l’émetteur (la diode redresseuse en série n’est pas utilisée dans ce type de circuit).
Un redresseur à polarisation inversée en série avec une résistance peut être utilisé avec succès sur certains relais lorsque la capacité de commutation de charge maximale n’est pas requise. Il faut prendre soin d’utiliser une résistance suffisamment grande en valeur afin de dissiper rapidement l’énergie stockée du relais tout en restant dans le transitoire de tension de crête souhaité. La valeur de résistance requise peut être approchée en appliquant l’équation suivante :
R = Vcrête/Ibobine
avec :
R = valeur de la résistance en Ohms
Vcrête = tension transitoire de crête autorisée
Ibobine = courant de bobine de relais à l’état d’équilibre
La crête de tension réelle observée sera inférieure à celle calculée selon cette formule en raison des pertes d’énergie dans la résistance. Lors de l’utilisation de ce type de suppression, il est préférable de contacter le fabricant du relais pour connaître les valeurs recommandées.
Il est également possible d’utiliser une résistance seule comme suppresseur transitoire lorsque la puissance dissipée supplémentaire et la chaleur résultante générée par la résistance peuvent être tolérées. Dans la plupart des cas, il s’agira de la méthode de suppression la moins coûteuse (en supposant que la valeur de la résistance peut être correctement dimensionnée pour minimiser son impact sur les performances du relais). Cette méthode est normalement recommandée par SEC lorsque les exigences de l’application le permettent.
De nombreux ingénieurs utilisent une diode redresseuse seule afin de fournir la suppression transitoire des bobines de relais. Bien que cela soit rentable et permette d’éliminer complètement la tension transitoire, son impact sur les performances du relais peut être dévastateur. Des problèmes de « soudage par points » aléatoire et inexpliqué se produisent fréquemment dans ces systèmes. Dans certaines applications, ce problème n’est qu’une nuisance ou un inconvénient mineur, et le contrôleur ou l’opérateur fera tourner le relais jusqu’à obtenir la réponse appropriée. Cependant, pour de nombreuses applications, la première occurrence peut provoquer une défaillance complète du système ou même présenter une situation dangereuse. Il est important que ces systèmes soient conçus avec une autre méthode de suppression des relais.
Pour illustrer l’impact de diverses suppressions de bobines sur le temps de réponse du relais, prenez en compte les données suivantes qui ont été enregistrées à l’aide d’un relais de type ISO automobile avec une bobine de 55 ohms et avec 13,5 Vcc appliqués à la bobine.
Figure 2. Impact de différentes suppressions de bobines sur le temps de réponse du relais
Méthodes suggérées pour la suppression de bobines de relais
Du point de vue de la physique, la technique proposée pour la suppression transitoire de la bobine de relais consiste à utiliser une diode redresseuse à polarisation inversée et une diode Zener série en parallèle à la bobine de relais. Cela permet au relais d’avoir une dynamique de libération et une durée de vie des contacts normalement ouverts optimales. Une telle suppression peut facilement être incorporée dans les circuits des relais de circuits imprimés. Toutefois, lors de la spécification de la suppression d’un relais monté sur support, cette méthode peut être moins pratique que l’utilisation d’une résistance.
Lorsque la tension transitoire admissible est suffisamment élevée et que la puissance dissipée est tolérable, le relais peut être supprimé à l’aide d’une résistance. Du point de vue de l’analyse des modes de défaillance et de leurs effets (AMDE), la résistance offrira moins de risques supplémentaires de défaillance que les deux diodes suggérées ci-dessus (à condition que sa valeur soit suffisamment élevée pour éviter des effets néfastes sur la dynamique de libération du relais). Il est important de noter que la valeur optimale de la résistance pour un type de relais ne sera pas nécessairement la valeur appropriée pour un autre type.
Maintenant que nous avons proposé des techniques de suppression basées sur les performances de contacts normalement ouverts, nous devons ajouter un commentaire qualificatif concernant les contacts normalement fermés. Lorsque la charge primaire repose sur les contacts normalement fermés (et une faible charge ou aucune sur les contacts normalement ouverts), il peut être souhaitable d’utiliser une diode redresseuse seule comme suppression du relais (ou peut-être une diode redresseuse et une valeur inférieure de résistance de série). Le mouvement retardé de l’armature ayant un impact négatif sur les performances des contacts normalement ouverts améliorera généralement les performances des contacts normalement fermés. L’amélioration résulte d’un moindre rebond du contact lors de la fermeture des contacts normalement fermés. Cela résulte de la vitesse d’impact moins élevée créée par le mouvement retardé de l’armature et a été utilisé dans le passé pour améliorer les performances des contacts normalement fermés sur certains relais.
