Optimisez les performances et la fiabilité des relais tout en protégeant le circuit de commande contre les tensions induites par la bobine.
Cette note d’application traite des problèmes liés aux méthodes utilisées pour désexciter les bobines des relais électromagnétiques, en particulier lorsqu’un commutateur à semi-conducteurs est utilisé, et comment elles affectent la durée de vie des relais.
Elle s’intéresse principalement au cycle de désamorçage des relais, et aborde les thèmes suivants :
- L’armature et la dynamique de commutation du système de relais lors du désamorçage de la bobine.
- Comment les tensions induites par la bobine se produisent.
- Techniques de protection d’un commutateur à semi-conducteurs.
- L’effet néfaste d’une simple diode de suppression de bobine sur la dynamique de commutation des relais et la durée de vie des contacts.
- Le « collage » type entre les contacts d’accouplement et la capacité réduite à se briser en cas d’utilisation d’une diode de suppression.
- Comment l’ajout d’une diode Zener à la diode ordinaire peut fournir à la fois une suppression de la tension et des performances de commutation fiables.
La désexcitation ou le « déclenchement » du relais dans les relais types de type clapet se déroule normalement comme suit : lorsque l’alimentation de la bobine est interrompue, le flux magnétique chute à un niveau où la force de maintien magnétique décroissante (essayant de maintenir l’armature en place) devient inférieure aux forces du ressort (essayant de la déloger) et l’armature commence à s’ouvrir. Au fur et à mesure que l’ouverture de l’armature se poursuit, les forces du ressort diminuent en fonction de la position de l’armature. Cependant, le contre-champ électromagnétique diminue à la fois avec la position de l’armature et avec la désintégration du courant de la bobine (qui réduisent toutes deux le flux magnétique de la bobine). Lorsque le courant électrique est interrompu dans une bobine de relais, une tension transitoire induite de l’ordre de centaines, voire de milliers de volts peut être générée à travers cette bobine lorsque son flux magnétique, qui est lié aux tours de bobine, s’effondre. Cette tension induite, plus la tension d’alimentation de la bobine, comme indiqué à la Fig. 1, apparaissent à travers le commutateur d’interruption à bobine dans un circuit de commutation en série simple.
Figure 1. Bobine de fonctionnement et de libération V et I, relais CC type sans diode
Dans les systèmes de contrôle logique d’aujourd’hui, un commutateur à semi-conducteurs est souvent utilisé pour faire fonctionner un relais à bobine CC. Ce commutateur est protégé contre les tensions induites par le désamorçage de la bobine par diverses techniques de suppression. Ces techniques s’appuient souvent sur des moyens de dérivation de la bobine, conçus pour atténuer la soudaineté de l’interruption du courant de la bobine et le fort effondrement du flux magnétique de la bobine qui en résulte.
Une pratique très courante consiste simplement à shunter la bobine avec une diode à usage général, en positionnant la diode de manière à bloquer la tension source et conduire le courant avec la polarité inverse de celle de la tension induite par la bobine. Cela fournit un chemin pour que le courant circulant dans la bobine désamorcée soit renvoyé en externe dans la bobine, limitant l’amplitude de la tension induite par la bobine à la chute directe de la diode, entraînant le lent décroissement du courant de la bobine et du flux magnétique en résultant (voir Fig. 2).
Figure 2. Bobine de fonctionnement et de libération V et I, relais CC type avec diode
Ce shuntage de la diode offre une protection maximale au commutateur à semi-conducteurs, mais peut avoir des effets très néfastes sur la capacité de commutation du relais. Il est important de comprendre que la force nette disponible pour provoquer l’ouverture de l’armature correspond à la différence entre les forces de retenue magnétiques et les forces d’ouverture du ressort, que chacune d’elles varie de manière à faire varier la force nette à la fois avec le temps et selon la position de l’armature. C’est cette force nette qui détermine la vitesse du système d’armature et l’énergie du mouvement lorsqu’elle tente d’effectuer le transfert de l’armature et du ressort de contact.
Un flux magnétique qui diminue lentement (le rythme le plus lent est obtenu avec un simple shunt de diode à travers la bobine) signifie que la force nette disponible pour accélérer l’ouverture de l’armature est réduite. En fait, la perte rapide des forces d’ouverture fournies par les ressorts de contact NO rigides, associée à des forces magnétiques diminuant lentement, peut provoquer une période d’inversion de la force nette où la vitesse de l’armature est ralentie, arrêtée ou même momentanément inversée jusqu’à ce que le flux diminuent davantage, permettant enfin aux forces de « retour » disponibles du ressort de provoquer la poursuite du transfert.
Il est tout aussi important de comprendre que lorsque les contacts d’un relais de puissance type s’enclenchent, en connectant des charges de courant moyennes ou élevées très rapides (par exemple, résistives) à la source de tension, une minuscule interface fondue se forme entre les contacts d’accouplement, donnant lieu à une micro-soudure ou condition de collage qui doit être séparée au prochain transfert d’ouverture.
La force du « collage » est normalement largement dans la capacité de la force d’ouverture nette qui, aidée par le mouvement de l’armature mobile, rompt le collage et effectue le transfert de contact. Cependant, la perte ou même l’inversion de la vitesse de l’armature (en cas de shuntage par diode simple comme décrit ci-dessus) et la perte concomitante du mouvement de l’armature nécessaire pour aider à briser le collage des contacts peuvent entraîner l’échec de la rupture du collage, ce qui donne une « soudure » des contacts.
Plus le courant de la bobine diminue rapidement, moins la retenue magnétique est importante, et donc plus le mouvement de l’armature et la « capacité à rompre » le collage des contacts sont importants.
Évidemment, cela est optimisé lorsqu’aucune suppression n’est utilisée. Cependant, un taux de réduction presque optimal peut être obtenu avec une diode Zener en série avec une diode à usage général. Lorsque la source de la bobine est interrompue, le courant de la bobine est dérivé à travers cette disposition en série, en maintenant une tension égale à la tension Zener (plus la chute directe de la diode) jusqu’à ce que l’énergie de la bobine soit dissipée. Ceci est illustré à la Fig. 3.
Figure 3. Bobine de fonctionnement et de libération V et I, relais CC type avec diode et Zener 24 V
La valeur de tension Zener est choisie pour limiter la tension du commutateur à bobine à un niveau acceptable pour la valeur nominale du commutateur. Cette méthode offre le meilleur compromis à la fois pour la protection du commutateur à bobine et pour les performances de commutation du relais. Elle devrait être utilisée pour assurer des performances et une fiabilité maximales des relais tout en protégeant le circuit de commande contre les tensions induites par la bobine.
Il est de pratique courante dans l’industrie de tester les relais et d’établir par la suite des valeurs nominales de performances sans suppression de la bobine. Lorsque les conditions d’application nécessitent la suppression des tensions induites par la bobine, il est recommandé d’évaluer les performances des relais avec la suppression qui sera utilisée.
Optimisez les performances et la fiabilité des relais tout en protégeant le circuit de commande contre les tensions induites par la bobine.
Cette note d’application traite des problèmes liés aux méthodes utilisées pour désexciter les bobines des relais électromagnétiques, en particulier lorsqu’un commutateur à semi-conducteurs est utilisé, et comment elles affectent la durée de vie des relais.
Elle s’intéresse principalement au cycle de désamorçage des relais, et aborde les thèmes suivants :
- L’armature et la dynamique de commutation du système de relais lors du désamorçage de la bobine.
- Comment les tensions induites par la bobine se produisent.
- Techniques de protection d’un commutateur à semi-conducteurs.
- L’effet néfaste d’une simple diode de suppression de bobine sur la dynamique de commutation des relais et la durée de vie des contacts.
- Le « collage » type entre les contacts d’accouplement et la capacité réduite à se briser en cas d’utilisation d’une diode de suppression.
- Comment l’ajout d’une diode Zener à la diode ordinaire peut fournir à la fois une suppression de la tension et des performances de commutation fiables.
La désexcitation ou le « déclenchement » du relais dans les relais types de type clapet se déroule normalement comme suit : lorsque l’alimentation de la bobine est interrompue, le flux magnétique chute à un niveau où la force de maintien magnétique décroissante (essayant de maintenir l’armature en place) devient inférieure aux forces du ressort (essayant de la déloger) et l’armature commence à s’ouvrir. Au fur et à mesure que l’ouverture de l’armature se poursuit, les forces du ressort diminuent en fonction de la position de l’armature. Cependant, le contre-champ électromagnétique diminue à la fois avec la position de l’armature et avec la désintégration du courant de la bobine (qui réduisent toutes deux le flux magnétique de la bobine). Lorsque le courant électrique est interrompu dans une bobine de relais, une tension transitoire induite de l’ordre de centaines, voire de milliers de volts peut être générée à travers cette bobine lorsque son flux magnétique, qui est lié aux tours de bobine, s’effondre. Cette tension induite, plus la tension d’alimentation de la bobine, comme indiqué à la Fig. 1, apparaissent à travers le commutateur d’interruption à bobine dans un circuit de commutation en série simple.
Figure 1. Bobine de fonctionnement et de libération V et I, relais CC type sans diode
Dans les systèmes de contrôle logique d’aujourd’hui, un commutateur à semi-conducteurs est souvent utilisé pour faire fonctionner un relais à bobine CC. Ce commutateur est protégé contre les tensions induites par le désamorçage de la bobine par diverses techniques de suppression. Ces techniques s’appuient souvent sur des moyens de dérivation de la bobine, conçus pour atténuer la soudaineté de l’interruption du courant de la bobine et le fort effondrement du flux magnétique de la bobine qui en résulte.
Une pratique très courante consiste simplement à shunter la bobine avec une diode à usage général, en positionnant la diode de manière à bloquer la tension source et conduire le courant avec la polarité inverse de celle de la tension induite par la bobine. Cela fournit un chemin pour que le courant circulant dans la bobine désamorcée soit renvoyé en externe dans la bobine, limitant l’amplitude de la tension induite par la bobine à la chute directe de la diode, entraînant le lent décroissement du courant de la bobine et du flux magnétique en résultant (voir Fig. 2).
Figure 2. Bobine de fonctionnement et de libération V et I, relais CC type avec diode
Ce shuntage de la diode offre une protection maximale au commutateur à semi-conducteurs, mais peut avoir des effets très néfastes sur la capacité de commutation du relais. Il est important de comprendre que la force nette disponible pour provoquer l’ouverture de l’armature correspond à la différence entre les forces de retenue magnétiques et les forces d’ouverture du ressort, que chacune d’elles varie de manière à faire varier la force nette à la fois avec le temps et selon la position de l’armature. C’est cette force nette qui détermine la vitesse du système d’armature et l’énergie du mouvement lorsqu’elle tente d’effectuer le transfert de l’armature et du ressort de contact.
Un flux magnétique qui diminue lentement (le rythme le plus lent est obtenu avec un simple shunt de diode à travers la bobine) signifie que la force nette disponible pour accélérer l’ouverture de l’armature est réduite. En fait, la perte rapide des forces d’ouverture fournies par les ressorts de contact NO rigides, associée à des forces magnétiques diminuant lentement, peut provoquer une période d’inversion de la force nette où la vitesse de l’armature est ralentie, arrêtée ou même momentanément inversée jusqu’à ce que le flux diminuent davantage, permettant enfin aux forces de « retour » disponibles du ressort de provoquer la poursuite du transfert.
Il est tout aussi important de comprendre que lorsque les contacts d’un relais de puissance type s’enclenchent, en connectant des charges de courant moyennes ou élevées très rapides (par exemple, résistives) à la source de tension, une minuscule interface fondue se forme entre les contacts d’accouplement, donnant lieu à une micro-soudure ou condition de collage qui doit être séparée au prochain transfert d’ouverture.
La force du « collage » est normalement largement dans la capacité de la force d’ouverture nette qui, aidée par le mouvement de l’armature mobile, rompt le collage et effectue le transfert de contact. Cependant, la perte ou même l’inversion de la vitesse de l’armature (en cas de shuntage par diode simple comme décrit ci-dessus) et la perte concomitante du mouvement de l’armature nécessaire pour aider à briser le collage des contacts peuvent entraîner l’échec de la rupture du collage, ce qui donne une « soudure » des contacts.
Plus le courant de la bobine diminue rapidement, moins la retenue magnétique est importante, et donc plus le mouvement de l’armature et la « capacité à rompre » le collage des contacts sont importants.
Évidemment, cela est optimisé lorsqu’aucune suppression n’est utilisée. Cependant, un taux de réduction presque optimal peut être obtenu avec une diode Zener en série avec une diode à usage général. Lorsque la source de la bobine est interrompue, le courant de la bobine est dérivé à travers cette disposition en série, en maintenant une tension égale à la tension Zener (plus la chute directe de la diode) jusqu’à ce que l’énergie de la bobine soit dissipée. Ceci est illustré à la Fig. 3.
Figure 3. Bobine de fonctionnement et de libération V et I, relais CC type avec diode et Zener 24 V
La valeur de tension Zener est choisie pour limiter la tension du commutateur à bobine à un niveau acceptable pour la valeur nominale du commutateur. Cette méthode offre le meilleur compromis à la fois pour la protection du commutateur à bobine et pour les performances de commutation du relais. Elle devrait être utilisée pour assurer des performances et une fiabilité maximales des relais tout en protégeant le circuit de commande contre les tensions induites par la bobine.
Il est de pratique courante dans l’industrie de tester les relais et d’établir par la suite des valeurs nominales de performances sans suppression de la bobine. Lorsque les conditions d’application nécessitent la suppression des tensions induites par la bobine, il est recommandé d’évaluer les performances des relais avec la suppression qui sera utilisée.
