Présentation: Entraînement approprié de la bobine : essentiel aux bonnes performances du relais et du contacteur

Tout au long de la présente note d’application, on considère que les références aux « relais » peuvent généralement s’appliquer également aux « contacteurs ». De même, peu de choses sont spécifiquement mentionnées concernant l’application des « relais de type télécommunications ». En règle générale, la nécessité d’un entraînement approprié pour la bobine s’applique également aux contacteurs et aux relais de télécommunications, sauf que l’augmentation de la température interne et de la bobine en raison de la charge de contact est rarement un problème dans les applications de télécommunications.

Un entraînement approprié de la bobine est d’une importance cruciale pour le fonctionnement correct des relais et de bonnes performances de charge/durée de vie. Pour qu’un relais (ou contacteur) fonctionne correctement, il est nécessaire de s’assurer que la bobine est correctement entraînée de sorte que les contacts se ferment correctement et restent fermés, et que l’armature s’installe complètement et reste en place, dans toutes les conditions pouvant être rencontrées dans l’application.

Quel que soit le type de bobine, CC ou CA, les valeurs nominales de contact des relais pour la durée de vie/la charge CA sont supposées être commutées de manière aléatoire par rapport au cycle de la ligne électrique CA, avec une répartition uniforme sur l’ensemble du cycle au fil du temps et avec une probabilité égale de commutation dans les cycles positifs et négatifs. Il faut veiller à ce que le matériel et les logiciels de contrôle ne provoquent pas par inadvertance une synchronisation de ligne de l’ouverture et/ou la fermeture du contact - ce qui entraînera une usure inégale ou accélérée du contact et une défaillance précoce.

Les relais sont des électro-aimants, et la force du champ magnétique qui les actionne est fonction des ampères-tours (AT) (c’est-à-dire le nombre de tours de fil multiplié par le courant circulant à travers ce fil). Comme le nombre de « tours » ne change pas une fois enroulé, la seule variable d’application est le courant de la bobine.

Le courant continu (CC) de la bobine est uniquement déterminé par la tension appliquée et la résistance de la bobine. Si la tension diminue ou si la résistance augmente, le courant de la bobine diminue, ce qui entraîne une baisse de l’AT et donc une réduction de la force magnétique dans la bobine.

Le courant d’une bobine CA est également affecté par la tension appliquée et l’impédance de la bobine - mais l’impédance (Z) est définie comme Z = sqrt (R² + XL ²), de sorte que les modifications de la résistance de la bobine seules ont un effet un peu moins direct sur les bobines CA que sur les bobines CC.

La tension de bobine appliquée varie également à mesure que l’alimentation varie au fil du temps. Le concepteur de la commande doit définir la plage de tension d’entrée sur laquelle la commande est assurée de fonctionner (généralement +10 %/-20 % de la valeur nominale), puis compenser dans la conception de la commande pour assurer un fonctionnement correct sur cette plage de tension.

Non seulement il y aura des variations dans la tension appliquée, mais la résistance de la bobine de relais comporte des variations similaires. Tout d’abord, la résistance de la bobine aura une tolérance de fabrication (généralement +/-5 % ou +/-10 % à température ambiante). Deuxièmement, la résistance du fil à bobiner a également un coefficient de température positif, de sorte que la résistance de la bobine augmentera à mesure que la température du fil augmentera, ou diminuera à mesure que la température du fil diminue. Cela apparaît graphiquement ci-dessous et aussi plus en détail dans la note d’application « Compensation de tension et température de la bobine ».

Résistance de la bobine par rapport à la température (graphiquement) :

• Résistance de la bobine - La résistance CC de la bobine de relais est généralement spécifiée à température « ambiante » (généralement 23 °C). Voir également la note d’application « Compensation de tension et température de la bobine ».
• Tension de fonctionnement (enclenchement) - Tension à laquelle ou inférieure à laquelle l’armature du relais doit être insérée dans le noyau de la bobine, en supposant qu’elle fonctionne complètement.
• Tension de libération (tension de chute) - La tension spécifiée se trouve au moins à la valeur à laquelle l’armature du relais doit restaurer sa position non exploitée.
• Tension de maintien - La tension se trouve au moins à la valeur à laquelle l’armature est tenue de ne pas se déplacer de manière perceptible de sa position de fonctionnement après avoir été mise sous tension électriquement. (Notez que cela n’est normalement pas spécifié sur les fiches techniques ou contrôlé lors de la fabrication) - Vous trouverez plus d’informations à ce sujet ultérieurement dans la section portant sur la réduction de la puissance de la bobine et également dans la note d’application « Options de réduction de la puissance de la bobine de relais CC ».

(Remarque : au-delà de ce stade, les relais de bobine CC sont toujours supposés être alimentés par CC bien filtré - non pas par du courant demi-onde ou pleine onde non filtré, sauf indication spécifique. En outre, on présume que les informations de la fiche technique sont à température ambiante (généralement 23 °C, sauf indication contraire).

La diode CR1 sert à faire passer la tension de « retour » inverse de la bobine de relais K1 pour protéger le pilote Q1 lors de l’arrêt, mais elle a également pour effet de ralentir la chute du contact ce qui peut dégrader la durée de vie de la charge. Zener Z1 est facultative, mais lorsqu’elle est employée, elle réduit l’effet de ralentissement de la chute de CR1. La tension de Z1 zener est sélectionnée pour ne pas être à plus de 80 % du PIV du transistor Q1.

Si l’on doit utiliser une alimentation de bobine CC demi-onde ou pleine onde non filtrée, la diode CR1 doit être fournie à travers la bobine (et Z1 ne doit pas être utilisée) afin que l’énergie circule à nouveau vers la bobine et lui permette de traverser les parties à basse tension de la forme d’onde de puissance sans déloger l’armature, bourdonner, etc. Demandez conseil auprès de TE Relay Products Engineering. Les conditions varient considérablement selon le type de relais/contacteur et le design du circuit. Certains relais tolèrent bien cela, d’autres pas du tout.

Les conditions de fonctionnement les plus extrêmes d’un relais sont une tension d’alimentation minimale et une résistance maximale de la bobine à la température ambiante la plus élevée en parallèle à la charge de courant de contact la plus élevée. L’inductance divisée par la résistance (L/R) définit la charge et le taux de décharge du courant dans les bobines de relais, et affecte ainsi leur temps de réponse (et leur temps de libération si la diode ou la diode Zener est déclenchée). L/R varie également selon le type de relais, la tension de la bobine et la température ambiante. De même, il en résulte des variations dans le temps de fonctionnement et de libération, ainsi que dans la tolérance au fonctionnement en demi-onde et pleine onde, qui doivent tous être prises en compte dans chaque application.

Il est important de soustraire et de corriger les chutes de tension dans le circuit de la bobine dues aux diodes en série, aux transistors (en particulier, Darlington), etc., afin que la tension minimale soit réellement appliquée à la bobine conformément aux besoins.

L’auto-échauffement via les pertes L² R dans le relais en raison du courant traversant le fil de la bobine et du courant de charge traversant les bras et bornes de contact, entraîne un chauffage supplémentaire de la bobine et de la pièce interne (en plus d’une augmentation de la température ambiante seule). Tous ces éléments doivent être pris en compte lors du calcul de la température réelle de la bobine.

Le concepteur doit toujours corriger la tension d’entrée afin de s’ajuster à l’augmentation de la résistance de la bobine, aux pertes de circuit et à la diminution de AT afin que, dans le pire des cas, il y ait encore suffisamment d’AT pour faire fonctionner le relais de manière fiable et pour insérer complètement l’armature de sorte qu’une force de contact complète soit appliquée. Si le contact est fermé mais que l’armature n’est pas complètement installée, la force de contact sera faible, de sorte que les contacts peuvent être sujets à une surchauffe et sujets au soudage par points lors de l’application de courants élevés.

• Remarque : les bobines CA sont corrigées de la même manière tout en se rappelant que le changement de résistance affecte l’impédance de la bobine CA (et donc le courant de la bobine) selon la formule Z = sqrt (R2 + XL 2) plutôt que linéairement comme sur les bobines CC.

Voir la note d’application « Compensation de tension et de température de la bobine » pour une discussion détaillée de ces questions.

• La température maximale de la bobine (calculée selon la note d’application « Compensation de tension et température de la bobine ») à la tension nominale de la bobine, à la charge maximale et à la température ambiante maximale ne doit pas dépasser la température maximale autorisée par UL ou CSA pour la « Classe de température d’isolation » (A, B, F ou H (105 °C, 130 °C, 155 °C et 180 °C, respectivement)) du relais sélectionné. 
• Si les relais sont fortement chargés et très serrés les uns par rapport aux autres dans l’assemblage final, ou s’ils se trouvent à proximité d’autres composants produisant de la chaleur, on peut s’attendre à une augmentation plus élevée de la température de la bobine, qui doit être définie et compensée de la même manière.
• Toutes les sources de chauffage discutées précédemment doivent être prises en compte de manière que les bobines soient correctement entraînées sans que les températures ne dépassent les limites du système d’isolation.
• Étant donné que les relais sont des électro-aimants, ils sont sensibles aux champs magnétiques externes provenant de transformateurs à proximité, des autres relais ou contacteurs, des conducteurs à courant élevé, etc. ; qui peuvent tous influencer les caractéristiques de fonctionnement et de libération du relais. De même, les relais et les contacteurs peuvent influencer les performances des autres composants magnétiquement sensibles à proximité.
• Le test ultime se fait dans l’assemblage final lorsque le relais est exposé à une charge maximale, à une température ambiante maximale et à une tension d’alimentation minimale. Dans ces conditions, l’augmentation de la température de la bobine (et donc le changement de résistance) doit être réévaluée afin de s’assurer qu’il existe toujours un facteur de sécurité suffisant pour entraîner de manière fiable le relais à basse tension d’alimentation sans surchauffe aux valeurs maximales de tension d’alimentation, de courant de charge et de température ambiante.
• Les caractéristiques propres aux bobines CA seront abordées plus en détail par la suite dans cette note.
• Pour les bobines CC, la forme d’onde du courant de la bobine lors du fonctionnement initial doit ressembler à la Figure « A » et non à la Figure « B ».

Si la transition du courant de la bobine ressemble à celle de la Figure « B » (qui indique que l’armature s’est « interrompue » momentanément et n’est pas fermement insérée), cela signifie que quelque chose ne va pas avec le circuit d’entraînement qui doit être corrigé.

Les relais à enclenchement CC utilisant des systèmes magnétiques rémanents sont des relais de bobine CC spéciaux qui n’ont besoin d’être alimentés que pendant une courte période pour les « SET » (RÉGLER), puis à nouveau pour les « RESET » (RÉINITIALISER). Ces bobines ne sont normalement pas destinées à être alimentées en continu, en mode Set ou Reset.

• Tous les commentaires précédents sur l’entraînement approprié de la bobine des relais CC et la correction de l’augmentation de la température ambiante, etc. s’appliquent, à l’exception du chauffage de la bobine dû à la tension de la bobine appliquée.
• Ces relais ont des exigences beaucoup plus restreintes que les relais monostables, à la fois pour la plage de tension appliquée et l’exigence « à l’heure ». 

La tension SET ne doit normalement pas dépasser 120 % de la tension nominale. La tension RESET, d’autre part, ne doit jamais dépasser 120 % de la tension nominale, et il est préférable de la maintenir à 110 % maximum ou le risque de « bouleversement » (RÉINITIALISATION, puis RÉGLAGE à nouveau) du système magnétique augmente. Lorsque de larges plages de température ambiante sont requises, demandez conseil auprès de TE Relay Products Engineering.

Les intervalles de temps SET et RESET minimum sont spécifiés sur la fiche technique du relais. Ces délais minimaux sont beaucoup plus longs que le temps réel nécessaire pour transférer le contact à son état opposé. Le temps supplémentaire est nécessaire pour que le système magnétique soit correctement « chargé » lors de chaque étape.

• De même, la « pompe de charge » ou d’autres schémas d’entraînement à bobine à impulsion qui utilisent des condensateurs de décharge comme source d’alimentation, ne sont pas recommandés car il est très difficile de maintenir un courant suffisant sur l’intervalle de temps approprié pour SET (Régler) ou RESET (Réinitialiser) le relais sans dépasser la valeur AT maximale que le système magnétique tolérera (en particulier lors de l’étape RESET).

Les relais et contacteurs utilisant des bobines CA présentent des différences importantes par rapport aux types CC. Étant donné la nature sinusoïdale de l’alimentation CA :

• Certains relais CA ont tendance à « bourdonner » de manière audible, même s’ils fonctionnent correctement. Cela peut varier d’un relais à un autre, d’un fonctionnement à l’autre et au cours de la durée de vie. Un bourdonnement est un son audible qui ne déplace pas sensiblement les parties internes du relais ou des contacts. En revanche, le « buzz » ou le « cliquetis » sont plus forts et déplacent physiquement des parties internes. Ils ne doivent donc jamais être autorisés à se produire ou la performance sera grandement dégradée.
• Les relais CA ne peuvent pas être intentionnellement synchronisés avec l’onde sinusoïdale CA, car certaines parties de l’onde sinusoïdale CA ne contiennent pas suffisamment d’énergie pour faire fonctionner le mécanisme du relais. Il existe donc des points où le relais fonctionne et où le timing de libération ne peut tout simplement pas fonctionner correctement.
• Ce phénomène entraîne également plus de variation dans le temps de fonctionnement et de libération que dans les relais CC, et souvent une augmentation du contact ou du rebond/cliquetis de l’armature. Tout cela dépend de l’emplacement exact de l’onde sinusoïdale où l’alimentation de la bobine est connectée ou retirée, et cela peut même provoquer un rebond de contact excessif ou un cliquetis lors de la première utilisation.
• Par conséquent, les relais CA ont généralement une valeur nominale inférieure à celle des relais CC de la même gamme. Cela est dû au fait que 1) l’onde sinusoïdale a des points de faible énergie (comme expliqué précédemment) et donc les contacts du relais CA ne se brisent pas de manière aléatoire sur l’ensemble du cycle dans les deux polarités et, 2) cela peut entraîner une incidence excessivement élevée de contact et/ou de rupture dans les parties à haute énergie de l’onde sinusoïdale. Toutes ces caractéristiques ont tendance à réduire les valeurs nominales ou la durée de vie des contacts sur les dispositifs à bobine CA.
• Les relais à bobine CA fonctionnent généralement à des températures plus élevées que les types CC, de sorte que la température ambiante maximale autorisée est souvent inférieure à celle des modèles CC.
• De même, les relais à bobine CA entraînés par des triacs ou des SCR consécutifs auront tendance à avoir une durée de vie plus courte. De tels dispositifs peuvent normalement être activés et s’allumeront à tout moment lors du cycle. Ils peuvent également être fermés n’importe où, mais ils ne s’éteindront pas jusqu’à ce que le courant qui les traverse atteigne zéro. Il en résulte que les contacts « cassent » la charge à un point presque fixe du cycle d’alimentation. Si le « temps de libération » du relais fait que cela se produit près du courant zéro, les performances sont meilleures que la moyenne, mais si cela se produit près du courant de crête, les performances sont inférieures. La fiche technique et les valeurs nominales de durée de vie/charge de l’agence de sécurité sont basées sur un cycle totalement aléatoire par rapport à l’onde sinusoïdale CA (pas cette condition synchrone), sauf indication contraire dans les rapports.

Il est parfois souhaitable de réduire la consommation totale d’énergie de contrôle et de réduire le chauffage. Une manière d’effectuer cela est d’utiliser des relais avec des mécanismes d’enclenchement, mais ils sont relativement coûteux et peuvent laisser le relais dans un état indéterminé en cas de panne de courant. Une alternative consiste à réduire la consommation d’énergie de la bobine sur les relais à bobine CC standard en appliquant l’une des techniques suivantes.

• PWM (Modulation de largeur d’impulsion) - Avec ce schéma, le relais ou le contacteur à bobine CC fonctionne initialement à la tension nominale de la bobine, ou à une valeur légèrement supérieure, pendant un court intervalle afin de faire fonctionner et stabiliser le mécanisme de relais. La bobine de relais est ensuite entraînée par un train d’impulsions d’ondes rectangulaires d’une amplitude, d’un rapport cyclique et d’une fréquence spécifiés pour maintenir le relais dans l’état de fonctionnement avec moins de puissance appliquée.
• Entraînement de bobine CC à paliers descendants - Comme PWM, cette technique fait initialement fonctionner le relais à la tension nominale de la bobine CC pendant un court intervalle afin de faire fonctionner et stabiliser le mécanisme. Par la suite, la tension CC est réduite à un niveau inférieur pour maintenir le relais dans l’état de fonctionnement avec moins de puissance appliquée.
• Attention - L’utilisation de « pompe de charge » et d’autres schémas similaires peut atteindre le même objectif, mais avec l’utilisation de condensateurs de charge/décharge pour l’alimentation. La forme d’onde non rectangulaire qui en résulte rend très difficile d’assurer qu’une alimentation de bobine stable et appropriée est appliquée à la bobine de relais pendant l’intervalle de temps adéquat afin de faire fonctionner correctement le relais ou de le maintenir correctement engagé tout en réduisant l’alimentation de la bobine. Bien que couramment utilisés, de tels schémas ne sont pas recommandés en raison de la difficulté d’assurer un entraînement approprié de la bobine.

De même, il ne faut jamais oublier que la réduction de la puissance de la bobine réduit la puissance de maintien de la bobine du relais, et réduit ainsi la tolérance aux chocs et aux vibrations dans l’application.

Contactez TE Relay Products Engineering pour obtenir des informations spécifiques aux différentes gammes de relais pour toutes ces techniques. Les relais ne fonctionnent pas tous de la même manière.

• Synchronisation Zero-Cross - Il existe diverses techniques qui peuvent permettre aux relais à bobine CC de fonctionner mieux que leur charge/durée de vie publiée (pour les charges CA lorsqu’ils sont commutés de manière aléatoire). Cela implique généralement une sorte de synchronisation Zero-Cross du contact avec la forme d’onde de tension de charge au point « make » et avec la forme d’onde de courant de charge au point « break ». Lorsque cela est correctement réalisé, des améliorations exceptionnelles de la durée de vie de commutation peuvent être obtenues lors de l’utilisation de charges résistives, de charges réactives et en particulier de charges capacitives et de lampe élevées.

Il existe également plusieurs problèmes de performances des contacts liés à une résistance de contact potentiellement accrue lors de la commutation très précise près du point zéro tension aux deux points « de contact » et de « rupture », car il n’y a pas d’auto-nettoyage en cassant les arcs pour réduire l’oxydation et la contamination de contact normales au cours de la durée de vie du relais.

Il s’agit d’un processus intrinsèquement complexe qui est discuté séparément et plus en détail dans la note d’application « Amélioration des performances de durée de vie/charge du contact ».

Contactez TE Relay Products Engineering pour obtenir des informations spécifiques aux différentes gammes de relais à propos de cette technique. Les relais ne fonctionnent pas tous de la même manière.