Introduction aux relais de puissance

22 avril 2024

Par Jeff Smoot, Same Sky

Dans cet article:

Comme indiqué dans plusieurs de nos autres blogs techniques à ce sujet, les relais sont essentiellement des commutateurs qui contrôlent d’autres commutateurs. Ils utilisent un signal de faible puissance pour contrôler un circuit de puissance plus élevée. L’envoi du signal de faible puissance alimente un électroaimant qui déplace une armature et provoque la fermeture des contacts électriques, envoyant de l’énergie au circuit contrôlé.

Cette conception isole efficacement le signal de faible puissance du circuit de puissance supérieure, protégeant ainsi l’opérateur et l’équipement contre les dommages. Il permet également de contrôler un appareil ou un système à distance. Les relais électromécaniques existent depuis 1835, et même si leurs composants et leur types sont devenus plus sophistiqués et raffinés au fil des ans, leur fonction de base reste la même.

Qu’est-ce qu’un relais de puissance ?

Tous les relais électriques contrôlent la puissance, mais tous les relais ne sont pas correctement appelés « relais de puissance ». Pour être plus précis, les relais de puissance sont des produits spécialement conçus pour gérer la commutation d’un courant de haut niveau, allant de quelques ampères à des quantités beaucoup plus élevées. La capacité intégrée des contacts de relais de puissance à gérer des courants plus importants, associée à leur taille plus grande et à leurs bobines plus robustes, fait des relais de puissance un bon choix lors de la commutation de courants généralement supérieurs à 10 ampères. Parmi les exemples d’utilisation, citons les systèmes automobiles, les ascenseurs, les actionneurs de vannes ou les appareils présentant des pics de courant initial élevés, comme les moteurs, les solénoïdes, les alimentations électriques ou les ballasts électroniques.

L’arc de contact et les avantages du relais de puissance

Comme la plupart des autres composants électriques, tous les relais ont certaines limitations en termes de puissance qu’ils peuvent gérer en toute sécurité. Chaque modèle a une puissance nominale maximale pour la puissance qui peut être contrôlée, ce qui leur permet d’être efficacement calibrés pour des charges de faible puissance comme des ampoules ou des charges de haute puissance comme des gros moteurs. Cependant, si la puissance nominale du relais est dépassée, des dommages permanents au relais se pourront se produire.

Si les contacts ne sont pas parfaitement alignés, cela peut entraîner un arc de contact dans le relais, c’est-à-dire un flux de courant à travers l’entrefer entre les contacts du relais lorsqu’ils sont ouverts mais proches les uns des autres. Le danger des étincelles et de la chaleur n’est pas le seul effet négatif des arcs électriques. Les arcs électriques peuvent également endommager le relais en érodant les contacts et endommager les équipements à proximité en générant des interférences électriques indésirables.

Arc électrique dans les relais électromécaniques

Ce problème est résolu à l’aide de relais de puissance, qui sont généralement utilisés pour gérer les charges électriques d’appareils à courant élevé tels que les appareils de chauffage, les moteurs, les réseaux d’éclairage et d’autres équipements industriels. Les valeurs nominales de courant et de tension plus élevées des relais de puissance sont rendues possibles en grande partie par l’utilisation de matériaux de contact de commutation qui sont fort différents de ceux des relais ordinaires.

Un mot sur les matériaux de contact des relais

Le flux de courant à travers les contacts d’un relais est confronté à une résistance, qui dépend de la taille et du matériau utilisé dans les contacts. L’augmentation de la résistance augmente la puissance consommée dans le relais lui-même et la chaleur générée. L’un des moyens de réduire la résistance de contact consiste à bien choisir le matériau à partir duquel ils sont fabriqués.

Les relais ordinaires utilisent généralement des contacts en nickel-argent. Ce métal est utilisé dans les relais depuis leur introduction et est généralement bon pour commuter des charges résistives (charges simples où le courant et la tension sont en phase l’un avec l’autre).

Les relais conçus pour des charges plus élevées (relais de puissance) utilisent des contacts fabriqués à partir d’oxyde d’argent et de cadmium, d’oxyde d’argent et d’étain ou d’un alliage d’or et sont bons pour commuter des charges inductives (le courant et la tension ne sont pas synchronisés l’un avec l’autre, provoquant parfois de grands pics de courant ou de tension). Ces deux matériaux de contact offrent moins de résistance électrique et moins de risques de soudage par contact à cause des courants d’appel élevés. L’utilisation de l’oxyde d’argent et d’étain permet d’éviter les problèmes environnementaux liés aux alliages utilisant du cadmium, qui est réglementé par certains pays.

Relais de puissance et relais de signalisation

Les relais de puissance et les relais de signalisation sont les deux variantes les plus populaires des relais et il est intéressant de les soumettre à une comparaison plus directe. Il est important de noter que les relais de puissance sont prévus pour moins de cycles de durée de vie, mais qu’ils seront beaucoup plus affectés par des pics de tension et de courant plus élevés. Les relais de signalisation auront un nombre de cycles de durée de vie plus élevé, mais traitent des tensions plus faibles et des quantités minimales de courant. Ces différences d’usage nécessitent des approches significativement différentes dans leur construction. En raison de cette différence de construction, bien que les relais de puissance soient un excellent choix pour commuter des appareils de haute puissance, ils ne conviennent pas à une utilisation avec des appareils de faible puissance. Les caractéristiques des matériaux de contact utilisés dans les relais de puissance ne sont pas idéales pour la commutation de faible puissance. En effet, plus la tension commutée est basse, plus la connexion physique entre les contacts est critique et celle-ci est contrôlée par la pression de contact et la propreté des contacts et non par le matériau utilisé.

Inversement, un relais de signal utilisé pour une application de puissance tombera très probablement en panne de manière catastrophique en raison d’une surtension ou d’une surintensité. Même s’il survit, il lui manquera des fonctionnalités importantes telles que la prévention des arcs électriques et l’auto-nettoyage par contact. Lorsqu’il s’agit de choisir entre les deux types, la ligne directrice la plus importante à suivre est de toujours faire correspondre le niveau de puissance commuté avec la puissance nominale du relais. Vous pouvez en apprendre plus sur les relais de signal pour les appareils de faible puissance dans notre article de blog intitulé Une introduction aux relais de signalisation.

Types de relais de puissance

Comme pour les relais ordinaires, les relais de puissance sont de deux types de base, électromécaniques et à semi-conducteurs. Les relais de puissance électromécaniques utilisent des bobines électriques, des champs magnétiques, des ressorts, des armatures mobiles et des contacts pour contrôler l’alimentation d’un appareil.

Les relais statiques pour les applications haute puissance commutent les courants alternatifs ou continus sans utiliser de pièces mobiles. Ils utilisent plutôt un semi-conducteur, tel qu’un redresseur contrôlé par silicium (SCR), un TRIAC (triode pour courant alternatif) ou un transistor de commutation pour commuter le courant. Bien que les relais statiques soient utilisés pour commuter des charges de forte puissance, le calcul coûts/avantages s’érode à mesure que la demande de puissance augmente en raison de l’augmentation des coûts des semi-conducteurs de puissance appropriés et de la nécessité de composants de gestion thermique supplémentaires .

Relais statique avec dissipateur thermique en aluminium

Configurations et valeurs nominales des relais de puissance

Comme les relais ordinaires, les relais de puissance sont classés en fonction de la configuration ou de la description des contacts, désignant le nombre d’appareils qu’ils peuvent contrôler simultanément. Les classifications les plus courantes sont les suivantes :

SPST – unipolaire, simple
DPDT – bipolaire, double
3PDT – tripolaire, double
SP3T – unipolaire, triple

Les contacts de relais sont répertoriés comme normalement ouverts (NO) ou normalement fermés (NC) en fonction de l’état dans lequel ils se trouvent lorsqu’aucune alimentation n’est appliquée au relais.

Les valeurs nominales des relais font référence à la quantité de puissance qui peut être commutée de manière sûre et efficace par le relais. Cette cote est généralement exprimée en courant alternatif ou continu, ou les deux, et donnée en ampères. Le niveau nominal d’un relais doit être aussi grand que le niveau nominal de l’appareil commuté avec un facteur de sécurité inclus.

Exactement comme pour les autres relais, les relais de puissance peuvent être décrits en utilisant les termes « Forms ». Des phrases comme « 1 Form A » ou « 2 Form C » vous disent deux choses sur le relais. Le numéro avant « Form » vous indique combien de contacts décrits sont disponibles dans le relais, car il peut y avoir plusieurs commutateurs de relais à l’intérieur d’une seule unité. Le terme « Form A » signifie que le relais est normalement ouvert et « Forme B » signifie que le relais est normalement fermé. Le terme « Form C » ne s’applique qu’aux relais SPDT et indique quelle position est considérée comme la position normalement fermée et que le relais est à ouverture de contact avant fermeture. Le « Form D » est identique au « Form C », mais il s’agit d’un type « fermeture avant rupture » . Il existe de nombreuses autres « Forms », mais ces quatre sont les plus couramment utilisées. En d’autres termes :

Form A – normalement ouvert
Form B – normalement fermé
Forme C – commutateurs SPDT à rupture avant de fermeture
Forme D – Commutateurs SPDT à fermeture avant rupture

Sélection d’un relais de puissance

Le processus de sélection du relais de puissance adapté à votre application est assez simple et se compose des étapes suivantes :

Identifier la tension nominale et le type de charge
Identifier le courant nominal de la charge
Déterminer la disposition du circuit/commutation nécessaire
Déterminer la tension et le type de commande nécessaires
Déterminer le type de montage requis

Pour un relais statique, les étapes sont les mêmes, mais vous devez également identifier le type de charge (inductif ou résistif) et décider si un relais statique standard ou d’application spéciale est nécessaire. Vous devrez également déterminer la quantité de chaleur à dissiper de l’appareil et une solution pour la gérer.

Autres considérations relatives à la conception

Les relais de puissance fonctionnent comme des relais ordinaires, ce qui signifie qu’il y a des considérations similaires à prendre en compte au stade de la spécification de l’appareil. Certaines de ces considérations méritent d’être notées et comprennent :

Pics de tension d’entrée : certains appareils peuvent produire des pics de puissance importants au démarrage, qui doivent être déterminés avant la spécification du relais pour éviter d’endommager le composant.
Suppression des transitoires de la bobine : des transitoires haute tension peuvent être générés lors du cycle d’un relais. La suppression des transitoires de bobine utilise des composants supplémentaires dans le circuit pour protéger l’équipement de ces transitoires, mais cela peut raccourcir le cycle de vie du relais. Vous devez déterminer si une stratégie spécifique de suppression de transitoires de bobine est nécessaire.
Verrouillage : un relais à verrouillage conservera sa dernière position de contact même après la coupure de l’alimentation d’activation. Il s’agit peut-être d’une fonctionnalité dont vous avez besoin pour votre application.
Bruit : Le bruit EMI ou RFI peut être produit par les relais, qui peut être plus prononcé dans les appareils de haute puissance. La sensibilité à ce bruit de votre appareil ou système doit être déterminée à l’avance.
Rebond de contact : au fur et à mesure qu’un relais fonctionne, les contacts peuvent passer par plusieurs cycles d’ouverture/fermeture très brefs connus sous le nom de rebond de contact, qui génèrent des impulsions électriques. Selon la sensibilité de l’application, cela peut produire des effets indésirables. La détermination de l’importance du rebond de contact doit être déterminée avant la spécification.

Le rebond de contact et les tensions qui en résultent

Résumé

Les relais sont des dispositifs éprouvés, efficients et efficaces qui offrent un contrôle électrique sûr des appareils et des systèmes à distance et isolent également le contrôleur du courant de fonctionnement. Les relais de puissance sont des relais électromécaniques ou à semi-conducteurs qui ont été conçus avec des caractéristiques robustes supplémentaires pour gérer des tensions et des courants plus élevés. Lorsque vous déterminez les exigences de commutation de puissance de relais de votre produit, Same Sky est là pour répondre à vos besoins de commutation de courant de bas ou de haut niveau avec une large gamme de relais de puissance et de relais de signal.

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