Définir les critères de conception des circuits d’entraînement des bobines et la sélection des bobines de relais
Introduction
Les bobines des relais et contacteurs sont généralement enroulées à l’aide d’un fil de cuivre - et le fil de cuivre a un coefficient de température positif comme indiqué dans les formules et le graphique suivant. La plupart des bobines sont également alimentées par une tension relativement fixe. Ainsi, en supposant que la tension reste constante, l’augmentation de la température entraînera une résistance plus élevée de la bobine et une diminution du courant de la bobine.
L’intensité du champ magnétique présent dans de tels dispositifs dépend directement des ampère-tours (AT) (c’est-à-dire, le nombre de tours de fil multiplié par le courant circulant à travers le fil) à l’intérieur de la bobine. Une tension fixe et une température accrue permettent une diminution des AT et donc une diminution de l’intensité du champ magnétique. Pour que le relais ou le contacteur fonctionne et se maintienne de manière fiable dans la durée, une valeur d’AT suffisante doit toujours être maintenue dans les pires conditions de température, de résistance de la bobine, de tolérance de l’enroulement et de tolérance de la tension d’alimentation. Dans le cas contraire, le relais ne fonctionnera pas du tout, fonctionnera lentement avec une faible force de contact ou tombera (se déclenchera) de manière inattendue. Tout cela nuit aux bonnes performances du relais.
Étant donné que le nombre de « tours » de fil de la bobine n’est généralement pas spécifié dans les fiches techniques, toutes ces corrections doivent être calculées en fonction des températures, des résistances et des tensions spécifiées ou pouvant être mesurées.
Vous trouverez ci-après plus de détails sur la définition des critères de conception importants pour les circuits d’entraînement de bobines et la sélection de bobines de relais, un guide étape par étape pour ce processus et quelques formules utiles. Reportez-vous également à la note d’application « Un entraînement de bobine approprié est essentiel aux bonnes performances des relais et contacteurs ».
Analyse
Un entraînement approprié de la bobine est d’une importance cruciale pour le bon fonctionnement du relais et les bonnes performances de durée de vie/charge. Pour qu’un relais (ou contacteur) fonctionne correctement, il est nécessaire de confirmer que la bobine est correctement entraînée de sorte que les contacts se ferment de manière appropriée et restent fermés, et que l’armature s’installe complètement et reste insérée, dans toutes les conditions qui pourraient être rencontrées dans l’application au fil du temps.
Les relais sont des électro-aimants, et la force du champ magnétique qui les fait fonctionner est une fonction des ampères-tours (AT). Comme le nombre de « tours » ne peut pas changer une fois le fil 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 des 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 + XL2) 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 doit définir la plage de tension d’entrée sur laquelle la commande doit fonctionner (généralement +10 % / -20 % de la valeur nominale), puis compenser par la conception de la commande pour assurer un fonctionnement correct sur cette plage de tension.
De même, la résistance de la bobine aura une tolérance de fabrication (généralement +/-5 % ou +/-10 %) à température ambiante, mais la résistance du fil 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 diminuera. Les formules utiles sont indiquées ci-après :
Effet de la température sur la résistance de la bobine
Changement de la résistance de la bobine en fonction de la température : Rf = Ri((Tf + 234,5) / (Ti + 234,5)) (graphiquement ci-après :)
Facteur de résistance de la bobine vs. Température de la bobine
(Basé sur 20 degrés C = 1 en utilisant du fil de cuivre
TEMPÉRATURE DE LA BOBINE (degrés C)
* Tension de fonctionnement corrigée du changement de température
Vf = Vo(Rf/Ri)
* Température réelle de la bobine par la méthode « changement de résistance »
Tf = Ti + Rf/Ri(k+Tri) – (k+Trt) [k = 234,5 pour le fil de cuivre]
En utilisant les formules ci-dessus et l’algèbre de base, on peut :
- Calculer le changement de résistance attendu en fonction de la température
(assurez-vous d’inclure non seulement la température ambiante, mais aussi l’effet de l’auto-échauffement dans la bobine et l’accroissement de température dû aux composants internes porteurs de charge).
- Calculer le changement de tension de fonctionnement attendu
- Calculer l’augmentation de la température réelle de la bobine - et donc la résistance de la bobine d’une condition à l’autre (à savoir, température ambiante non alimentée, sans charge à température ambiante élevée avec bobine alimentée et contacts complètement chargés).
Définition de la nomenclature pour les formules ci-dessus :
- Ri = Résistance de la bobine à la température initiale de la bobine
- Rf = Résistance de la bobine à la température finale de la bobine
- Ti = Température initiale de la bobine
- Tf = Température finale de la bobine
- Tri = Température ambiante au début de l’essai
- Trt = Température ambiante à la fin de l’essai
- Vo = Tension de « fonctionnement » d’origine
- vf = Tension de fonctionnement finale (corrigée du changement de température de la bobine).
La température « ambiante » est la température à proximité du relais. Ce n’est pas la même chose que la température à proximité de l’ensemble ou du boîtier contenant le relais.
De même, la « température initiale de la bobine » et la « température ambiante initiale » peuvent ne pas être exactement les mêmes au début de l’essai, à moins que suffisamment de temps ne se soit écoulé pour stabiliser les deux températures.
Étant donné que les bobines et autres composants ont une masse thermique, il faut prévoir suffisamment de temps pour que toutes les températures se stabilisent avant d’enregistrer les mesures.
Corriger la tension de la bobine CC pour les pires conditions
(Remarque : les relais à bobine CC sont toujours supposés être alimentés par du CC bien filtré (non pas par du courant demi-onde ou pleine onde non filtré), sauf indication spécifique. En outre, les informations de la fiche technique, telles que la résistance de la bobine, sont supposées être spécifiées à température ambiante (environ 23 °C, sauf indication contraire).
Les conditions de fonctionnement les plus extrêmes d’un relais sont une tension d’alimentation minimale et une résistance de bobine maximale à la température ambiante de fonctionnement la plus élevée avec la charge de courant de contact la plus élevée.
Le concepteur doit alors corriger la tension d’entrée pour ajuster la résistance accrue de la bobine et la diminution des AT afin qu’il y ait suffisamment d’AT pour faire fonctionner le relais et mettre complètement en place l’armature. Cela garantira que toute la force est appliquée sur les contacts. Si le contact est fermé mais que l’armature n’est pas complètement en place, la force de contact sera faible et les contacts peuvent alors être sujets à une surchauffe et au soudage par points lors de l’application de courants élevés.
Étant donné que le chauffage interne provenant de la bobine et de la charge sur les contacts n’est pas facile à calculer, la manière la plus précise de commencer ce calcul consiste à prendre un relais test de même type et de même tension nominale de bobine, puis de suivre ces étapes :
- Mesurer la résistance de la bobine « Ri » à température ambiante et enregistrer les paramètres de température ambiante « Ti » et « Tri » pour une utilisation ultérieure.
- Charger le contact au courant maximal et appliquer une tension nominale à la bobine.
- Attendre que la température de la bobine se soit stabilisée (c’est-à-dire jusqu’à ce que la résistance de la bobine ait cessé de changer), puis mesurer la résistance de la bobine « chaude » « Rf ». Cela indiquera quelle « élévation de température » s’est produite dans la bobine en raison des courants de bobine et de contact. Mesurer également tout changement dans la température ambiante et l’enregistrer comme la valeur « Trt » pour une utilisation ultérieure.
- Ensuite, ajouter la différence entre la température ambiante et la température ambiante maximale attendue à la résistance de la bobine chargée ci-dessus. À l’aide de la formule « Rf » ou du graphique, corriger la résistance de la bobine « chaude » mesurée ci-dessus pour la température ambiante accrue. Cela devient la valeur « Rf » corrigée.
- En utilisant la formule précédente « Vf = Vo(Rf/Ri) », calculer la nouvelle valeur pour « Vf », en utilisant la tension de fonctionnement minimale fournie dans la fiche technique. (c’est-à-dire, la tension nominale de la bobine moins la tolérance négative sur la tension de fonctionnement minimale fournie dans la fiche technique - généralement 80 % de la tension nominale - pour les bobines CC).
- Cela donne la tension minimale qui doit être appliquée à la bobine du relais pour assurer un fonctionnement correct dans les pires conditions de fonctionnement.
Correction de la bobine CA
- Remarque : les bobines CA sont corrigées de la même manière tout en se rappelant que le changement de résistance (R) affecte l’impédance de la bobine CA selon la formule Z = sqrt (R2 + XL 2) plutôt que linéairement. Ainsi, l’effet sur le courant de la bobine, et donc sur les AT, est lui aussi non linéaire. Note d’application de référence TE « Un entraînement approprié de la bobine est essentiel aux bonnes performances du relais et du contacteur », paragraphe intitulé « Caractéristiques des relais et contacteurs à bobine CA ».
Conclusion
Consultez TE Product Engineering pour obtenir de l’aide au cas où un mélange acceptable de la plage de tension appliquée et des valeurs de bobine disponibles n’est pas compatible avec la plage de température ambiante nécessaire dans l’application.
Avis de non-responsabilité
Bien que TE ait fait tous les efforts raisonnables pour assurer l’exactitude des informations contenues dans cette brochure, TE ne garantit pas qu’elles sont exemptes d’erreurs, et TE ne fournit aucune autre déclaration ou garantie que les informations sont exactes, correctes, fiables ou à jour. TE DÉCLINE DE MANIÈRE EXPLICITE TOUTE GARANTIE CONCERNANT LES INFORMATIONS CONTENUES DANS LE PRÉSENT DOCUMENT, QU’ELLE SOIT EXPRESSE, IMPLICITE OU RÉGLEMENTAIRE, Y COMPRIS TOUTE GARANTIE IMPLICITE DE QUALITÉ MARCHANDE OU D’ADÉQUATION À UN USAGE PARTICULIER. En aucun cas TE ne sera responsable de tout dommage direct, indirect, accessoire, spécial ou consécutif découlant de l’utilisation des informations par le destinataire ou lié à celle-ci.
Définir les critères de conception des circuits d’entraînement des bobines et la sélection des bobines de relais
Introduction
Les bobines des relais et contacteurs sont généralement enroulées à l’aide d’un fil de cuivre - et le fil de cuivre a un coefficient de température positif comme indiqué dans les formules et le graphique suivant. La plupart des bobines sont également alimentées par une tension relativement fixe. Ainsi, en supposant que la tension reste constante, l’augmentation de la température entraînera une résistance plus élevée de la bobine et une diminution du courant de la bobine.
L’intensité du champ magnétique présent dans de tels dispositifs dépend directement des ampère-tours (AT) (c’est-à-dire, le nombre de tours de fil multiplié par le courant circulant à travers le fil) à l’intérieur de la bobine. Une tension fixe et une température accrue permettent une diminution des AT et donc une diminution de l’intensité du champ magnétique. Pour que le relais ou le contacteur fonctionne et se maintienne de manière fiable dans la durée, une valeur d’AT suffisante doit toujours être maintenue dans les pires conditions de température, de résistance de la bobine, de tolérance de l’enroulement et de tolérance de la tension d’alimentation. Dans le cas contraire, le relais ne fonctionnera pas du tout, fonctionnera lentement avec une faible force de contact ou tombera (se déclenchera) de manière inattendue. Tout cela nuit aux bonnes performances du relais.
Étant donné que le nombre de « tours » de fil de la bobine n’est généralement pas spécifié dans les fiches techniques, toutes ces corrections doivent être calculées en fonction des températures, des résistances et des tensions spécifiées ou pouvant être mesurées.
Vous trouverez ci-après plus de détails sur la définition des critères de conception importants pour les circuits d’entraînement de bobines et la sélection de bobines de relais, un guide étape par étape pour ce processus et quelques formules utiles. Reportez-vous également à la note d’application « Un entraînement de bobine approprié est essentiel aux bonnes performances des relais et contacteurs ».
Analyse
Un entraînement approprié de la bobine est d’une importance cruciale pour le bon fonctionnement du relais et les bonnes performances de durée de vie/charge. Pour qu’un relais (ou contacteur) fonctionne correctement, il est nécessaire de confirmer que la bobine est correctement entraînée de sorte que les contacts se ferment de manière appropriée et restent fermés, et que l’armature s’installe complètement et reste insérée, dans toutes les conditions qui pourraient être rencontrées dans l’application au fil du temps.
Les relais sont des électro-aimants, et la force du champ magnétique qui les fait fonctionner est une fonction des ampères-tours (AT). Comme le nombre de « tours » ne peut pas changer une fois le fil 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 des 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 + XL2) 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 doit définir la plage de tension d’entrée sur laquelle la commande doit fonctionner (généralement +10 % / -20 % de la valeur nominale), puis compenser par la conception de la commande pour assurer un fonctionnement correct sur cette plage de tension.
De même, la résistance de la bobine aura une tolérance de fabrication (généralement +/-5 % ou +/-10 %) à température ambiante, mais la résistance du fil 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 diminuera. Les formules utiles sont indiquées ci-après :
Effet de la température sur la résistance de la bobine
Changement de la résistance de la bobine en fonction de la température : Rf = Ri((Tf + 234,5) / (Ti + 234,5)) (graphiquement ci-après :)
Facteur de résistance de la bobine vs. Température de la bobine
(Basé sur 20 degrés C = 1 en utilisant du fil de cuivre
TEMPÉRATURE DE LA BOBINE (degrés C)
* Tension de fonctionnement corrigée du changement de température
Vf = Vo(Rf/Ri)
* Température réelle de la bobine par la méthode « changement de résistance »
Tf = Ti + Rf/Ri(k+Tri) – (k+Trt) [k = 234,5 pour le fil de cuivre]
En utilisant les formules ci-dessus et l’algèbre de base, on peut :
- Calculer le changement de résistance attendu en fonction de la température
(assurez-vous d’inclure non seulement la température ambiante, mais aussi l’effet de l’auto-échauffement dans la bobine et l’accroissement de température dû aux composants internes porteurs de charge).
- Calculer le changement de tension de fonctionnement attendu
- Calculer l’augmentation de la température réelle de la bobine - et donc la résistance de la bobine d’une condition à l’autre (à savoir, température ambiante non alimentée, sans charge à température ambiante élevée avec bobine alimentée et contacts complètement chargés).
Définition de la nomenclature pour les formules ci-dessus :
- Ri = Résistance de la bobine à la température initiale de la bobine
- Rf = Résistance de la bobine à la température finale de la bobine
- Ti = Température initiale de la bobine
- Tf = Température finale de la bobine
- Tri = Température ambiante au début de l’essai
- Trt = Température ambiante à la fin de l’essai
- Vo = Tension de « fonctionnement » d’origine
- vf = Tension de fonctionnement finale (corrigée du changement de température de la bobine).
La température « ambiante » est la température à proximité du relais. Ce n’est pas la même chose que la température à proximité de l’ensemble ou du boîtier contenant le relais.
De même, la « température initiale de la bobine » et la « température ambiante initiale » peuvent ne pas être exactement les mêmes au début de l’essai, à moins que suffisamment de temps ne se soit écoulé pour stabiliser les deux températures.
Étant donné que les bobines et autres composants ont une masse thermique, il faut prévoir suffisamment de temps pour que toutes les températures se stabilisent avant d’enregistrer les mesures.
Corriger la tension de la bobine CC pour les pires conditions
(Remarque : les relais à bobine CC sont toujours supposés être alimentés par du CC bien filtré (non pas par du courant demi-onde ou pleine onde non filtré), sauf indication spécifique. En outre, les informations de la fiche technique, telles que la résistance de la bobine, sont supposées être spécifiées à température ambiante (environ 23 °C, sauf indication contraire).
Les conditions de fonctionnement les plus extrêmes d’un relais sont une tension d’alimentation minimale et une résistance de bobine maximale à la température ambiante de fonctionnement la plus élevée avec la charge de courant de contact la plus élevée.
Le concepteur doit alors corriger la tension d’entrée pour ajuster la résistance accrue de la bobine et la diminution des AT afin qu’il y ait suffisamment d’AT pour faire fonctionner le relais et mettre complètement en place l’armature. Cela garantira que toute la force est appliquée sur les contacts. Si le contact est fermé mais que l’armature n’est pas complètement en place, la force de contact sera faible et les contacts peuvent alors être sujets à une surchauffe et au soudage par points lors de l’application de courants élevés.
Étant donné que le chauffage interne provenant de la bobine et de la charge sur les contacts n’est pas facile à calculer, la manière la plus précise de commencer ce calcul consiste à prendre un relais test de même type et de même tension nominale de bobine, puis de suivre ces étapes :
- Mesurer la résistance de la bobine « Ri » à température ambiante et enregistrer les paramètres de température ambiante « Ti » et « Tri » pour une utilisation ultérieure.
- Charger le contact au courant maximal et appliquer une tension nominale à la bobine.
- Attendre que la température de la bobine se soit stabilisée (c’est-à-dire jusqu’à ce que la résistance de la bobine ait cessé de changer), puis mesurer la résistance de la bobine « chaude » « Rf ». Cela indiquera quelle « élévation de température » s’est produite dans la bobine en raison des courants de bobine et de contact. Mesurer également tout changement dans la température ambiante et l’enregistrer comme la valeur « Trt » pour une utilisation ultérieure.
- Ensuite, ajouter la différence entre la température ambiante et la température ambiante maximale attendue à la résistance de la bobine chargée ci-dessus. À l’aide de la formule « Rf » ou du graphique, corriger la résistance de la bobine « chaude » mesurée ci-dessus pour la température ambiante accrue. Cela devient la valeur « Rf » corrigée.
- En utilisant la formule précédente « Vf = Vo(Rf/Ri) », calculer la nouvelle valeur pour « Vf », en utilisant la tension de fonctionnement minimale fournie dans la fiche technique. (c’est-à-dire, la tension nominale de la bobine moins la tolérance négative sur la tension de fonctionnement minimale fournie dans la fiche technique - généralement 80 % de la tension nominale - pour les bobines CC).
- Cela donne la tension minimale qui doit être appliquée à la bobine du relais pour assurer un fonctionnement correct dans les pires conditions de fonctionnement.
Correction de la bobine CA
- Remarque : les bobines CA sont corrigées de la même manière tout en se rappelant que le changement de résistance (R) affecte l’impédance de la bobine CA selon la formule Z = sqrt (R2 + XL 2) plutôt que linéairement. Ainsi, l’effet sur le courant de la bobine, et donc sur les AT, est lui aussi non linéaire. Note d’application de référence TE « Un entraînement approprié de la bobine est essentiel aux bonnes performances du relais et du contacteur », paragraphe intitulé « Caractéristiques des relais et contacteurs à bobine CA ».
Conclusion
Consultez TE Product Engineering pour obtenir de l’aide au cas où un mélange acceptable de la plage de tension appliquée et des valeurs de bobine disponibles n’est pas compatible avec la plage de température ambiante nécessaire dans l’application.
Avis de non-responsabilité
Bien que TE ait fait tous les efforts raisonnables pour assurer l’exactitude des informations contenues dans cette brochure, TE ne garantit pas qu’elles sont exemptes d’erreurs, et TE ne fournit aucune autre déclaration ou garantie que les informations sont exactes, correctes, fiables ou à jour. TE DÉCLINE DE MANIÈRE EXPLICITE TOUTE GARANTIE CONCERNANT LES INFORMATIONS CONTENUES DANS LE PRÉSENT DOCUMENT, QU’ELLE SOIT EXPRESSE, IMPLICITE OU RÉGLEMENTAIRE, Y COMPRIS TOUTE GARANTIE IMPLICITE DE QUALITÉ MARCHANDE OU D’ADÉQUATION À UN USAGE PARTICULIER. En aucun cas TE ne sera responsable de tout dommage direct, indirect, accessoire, spécial ou consécutif découlant de l’utilisation des informations par le destinataire ou lié à celle-ci.
