Relais électromécanique

La technologie des relais comprend :
Bases des relais Relais Reed Spécifications des relais Reed Circuits de relais Relais à semi-conducteurs

Un relais électrique est un interrupteur électrique à commande électromagnétique – un interrupteur électromécanique. Un courant relativement faible est utilisé pour créer un champ magnétique dans une bobine à l’intérieur d’un noyau magnétique et cela est utilisé pour faire fonctionner un interrupteur qui peut contrôler un courant beaucoup plus important.

De cette façon, un relais électromécanique ou un relais électrique peut utiliser un petit courant pour commuter un courant beaucoup plus important et permettre aux deux circuits d’être isolés électriquement l’un de l’autre.

Les relais électriques existent dans une variété de tailles différentes et ils peuvent être d’une variété de types différents utilisant des technologies légèrement différentes, bien qu’ils utilisent tous le même concept de base.

Bien que les relais électromécaniques puissent être considérés à certains égards comme utilisant une technologie ancienne, et que les relais à semi-conducteurs / interrupteurs à semi-conducteurs puissent être considérés comme un moyen plus efficace de commuter le courant électrique.

Néanmoins, les relais électromécaniques ont quelques propriétés uniques qui les rendent idéaux pour de nombreuses applications, où d’autres types peuvent ne pas être aussi efficaces. Cela dit, les interrupteurs à semi-conducteurs, les relais à semi-conducteurs ou les interrupteurs électroniques sont largement utilisés et ont pris le relais dans de nombreux domaines où les relais électromécaniques étaient auparavant utilisés comme interrupteurs électriques.

Symbole de circuit du relais

Les symboles de circuit des relais électromécaniques peuvent varier quelque peu – comme la plupart des symboles de circuit. Le format le plus utilisé montre la bobine du relais comme une boîte, et les contacts sont placés à proximité comme indiqué ci-dessous.

D’autres circuits, surtout les nouveaux qui peuvent être un peu plus anciens peuvent montrer la bobine du relais comme une bobine réelle. Bien que cela ne soit pas conforme aux dernières normes de symbole de circuit de relais, on peut néanmoins le voir dans certains cas et il décrit bien l’intérieur du relais.

Il est possible qu’il y ait d’autres jeux de contacts d’interrupteurs électriques. De la même manière qu’il est possible d’avoir plusieurs pôles sur un interrupteur, la même chose peut être faite avec les relais. Il est possible d’avoir plusieurs ensembles de contacts d’interrupteur pour passer sur plusieurs circuits.

Notions sur les interrupteurs à relais

Un relais est une forme d’interrupteur électrique qui est actionné par un électroaimant qui change la commutation lorsque le courant est appliqué à la bobine.

Ces relais peuvent être actionnés par des circuits de commutation où l’interrupteur ne peut pas prendre le courant élevé du relais électrique, ou ils peuvent être actionnés par des circuits électroniques, etc. Dans l’une ou l’autre circonstance, ils fournissent une proposition très simple et attrayante pour la commutation électrique.

Les relais ont un certain nombre de pièces de base qui forment le relais.

• Cadre : Un cadre mécanique est nécessaire pour maintenir les composants en place. Ce cadre est normalement assez robuste afin qu’il puisse supporter fermement les éléments supplémentaires du relais électromécanique sans mouvement relatif.
• Bobine : Une bobine enroulée autour d’un noyau de fer pour augmenter l’attraction magnétique est nécessaire. La bobine de fil provoque la création d’un champ électromagnétique lorsque le courant est mis et provoque l’attraction de l’armature.
• Armature : C’est la partie mobile du relais. Cet élément du relais ouvre et ferme les contacts et il possède un métal ferromagnétique pour être attiré par l’électroaimant. L’ensemble possède un ressort attaché qui ramène l’armature à sa position initiale.
• Contacts : Les contacts sont actionnés par l’action du mouvement de l’armature. Certains des contacts de commutation électrique peuvent fermer le circuit lorsque le relais est activé alors que d’autres peuvent ouvrir un circuit. Ils sont connus comme étant normalement ouverts et normalement fermés.

La conception du relais implique un certain nombre d’aspect. C’est un élément clé de la conception d’obtenir le flux magnétique requis pour attirer l’armature suffisamment rapidement, sans consommer un courant excessif. Il faut également s’assurer que le relais puisse s’ouvrir rapidement une fois que le courant d’excitation est supprimé. La rétention magnétique dans les matériaux doit être faible.

Lorsqu’un courant circule dans la bobine, un champ électro-magnétique se met en place. Le champ attire une armature en fer, dont l’autre extrémité pousse les contacts ensemble, complétant le circuit. Lorsque le courant est coupé, les contacts s’ouvrent à nouveau, coupant le circuit.

Lors de la spécification des relais électromécaniques, on verra que les contacts de l’interrupteur électrique se présentent sous différents formats. Comme les interrupteurs électriques ordinaires, les relais électromécaniques sont définis en termes de ruptures, de pôles et de lancers que le dispositif possède.

• Rupture : Alors que plusieurs des termes appliqués aux relais électromécaniques s’appliquent également aux interrupteurs électriques de faible puissance, celui-ci s’applique davantage aux interrupteurs de plus grande puissance. C’est le nombre d’endroits ou de contacts séparés où un interrupteur est utilisé pour ouvrir ou fermer un seul circuit électrique.
  Tous les relais sont soit à rupture simple, soit à rupture double. Une rupture simple, le contact SB coupe un circuit électrique à un seul endroit. Puis, comme son nom l’indique, un contact à double rupture, DB, coupe le circuit en deux endroits.
  Les contacts à simple rupture sont normalement utilisés pour commuter des dispositifs de faible puissance, éventuellement des circuits électroniques ou des applications de commutation électrique de faible puissance. Les contacts à double rupture sont utilisés pour la commutation électrique de dispositifs de forte puissance. Si l’un des contacts colle, alors l’autre est susceptible de commuter quand même et de couper le circuit.
• Pôle : Le nombre de pôles que possède un interrupteur électrique est le nombre de jeux différents de contacts de commutation qu’il possède. Un interrupteur unipolaire ne peut commuter qu’un seul circuit, alors qu’un interrupteur bipolaire peut commuter deux circuits différents et isolés en même temps. Un interrupteur unipolaire est souvent désigné par les lettres SP, et un bipolaire par DP. Les relais peuvent avoir un, deux ou plusieurs pôles.
• Jetée : Le nombre de lancers d’un interrupteur électrique est le nombre de positions disponibles. Pour un relais électromécanique, il n’y a normalement qu’un ou deux lancers. Un relais à simple effet ouvre et ferme un circuit, tandis qu’un relais à double effet sert d’inverseur pour acheminer une connexion d’un point final à un autre. Les relais à simple et double relais sont souvent désignés par les lettres ST et DT.

Par exemple, une spécification de relais électrique peut citer un unipolaire, unidirectionnel : SPST ou un peut être décrit comme un double pôle à simple lancement : DPST, etc. Ces termes permettent de déterminer le nombre d’ensembles de contacts de commutation et s’il s’agit d’une ouverture / fermeture ou s’ils fournissent une fonction d’inversion.

Contacts de relais électromécaniques

Afin de fournir un service fiable et de maximiser la durée de vie du relais. Différents matériaux sont utilisés sur les contacts pour s’assurer qu’ils fonctionnent bien pour leur utilisation prévue.

L’un des problèmes qui se produit avec les contacts est la formation de piqûres – généralement, le matériau a tendance à s’accumuler au centre d’un contact, tandis qu’il y a une perte de matériau de l’autre où une « fosse » se produit. C’est l’une des principales causes de défaillance des contacts et cela se produit surtout lorsque des étincelles sont générées.

Différents relais ont différents types de matériaux utilisés pour les contacts de commutation en fonction des applications et des performances requises. Il y a beaucoup de finis qui peuvent être utilisés, certains des plus largement utilisés sont énumérés ci-dessous avec leurs attributs.

• Argent : À bien des égards, l’argent est l’un des meilleurs matériaux d’usage général pour les contacts de relais ayant un niveau élevé de conductivité. Cependant, il est soumis à un processus de sulfuration qui dépend évidemment de l’atmosphère dans laquelle le relais fonctionne – il est beaucoup plus élevé dans les zones urbaines. Ce processus entraîne la formation d’une fine pellicule à la surface, dont la conductivité est réduite, bien qu’un impact plus important à la fermeture du contact du relais puisse la percer. Le film peut également donner lieu à une tension d’interface de quelques dixièmes de volt qui peut affecter les performances pour certaines applications
• Argent nickel : Ce type de contact a été développé pour réduire les effets de la piqûre. Le contact en argent est allié au nickel pour lui donner une structure à grains fins et, par conséquent, le transfert de matière se produit plus uniformément sur toute la surface du contact, ce qui entraîne une plus longue durée de vie.
• Oxyde d’argent et de cadmium : Les contacts fabriqués à l’aide d’oxyde de cadmium d’argent ne peuvent pas égaler la très haute conductivité des contacts en argent fin, mais ils offrent une résistance accrue au transfert de matière et à la perte de contact à la suite d’un arc électrique. Cela signifie que ces contacts auront généralement une durée de vie plus longue que celle d’un contact en argent dans les mêmes conditions.
• Or : La haute conductivité et le fait qu’il ne s’oxyde pas signifie que l’or est idéal pour de nombreuses applications de commutation. Il n’est utilisé que pour les commutations à faible courant car il n’est pas particulièrement robuste… Typiquement, l’or clignotant est utilisé pour réduire le coût et, en raison des faibles niveaux de sulfuration, les contacts restent en bon état sur de longues périodes. Un problème avec les relais est que s’ils ne sont pas utilisés pendant un certain temps, la résistance du contact peut augmenter – cela ne se produit pas avec l’or.
• Tungstène : Le tungstène est utilisé dans les relais qui sont destinés aux applications à haute tension. Ayant un point de fusion élevé de plus de 3380°C, il possède une excellente résistance à l’érosion par arc, ce qui est nécessaire pour ce type de commutation.
• Mercure : Le mercure est utilisé dans un type spécial de relais reed appelé relais reed mouillé au mercure. Il a une bonne conductivité électrique et comme c’est un liquide, il n’y a pas de piqûres causées par le transfert de matière entre les contacts. Après l’ouverture des contacts de l’interrupteur, le mercure retourne dans la réserve de mercure nécessaire à ce type de relais et du nouveau mercure est utilisé pour la prochaine action de commutation. Cette action annule l’effet de tout transfert de matière pendant la commutation.

Bien que de nombreux types de matériaux et d’alliages différents soient utilisés, voici la plupart des matériaux et des finitions de contact couramment utilisés.

La limitation de l’appel de courant pour améliorer la fiabilité

L’un des principaux problèmes rencontrés par les systèmes de commutation électrique : les relais électromécaniques ainsi que les commutateurs à semi-conducteurs, est celui du courant d’appel.

Il existe de nombreux exemples de l’importance des niveaux de courant d’appel. Une simple ampoule électrique domestique à incandescence illustre bien ce point. Lorsqu’il est froid, le filament a une faible résistance, et ce n’est que lorsque la lampe se réchauffe que sa résistance diminue. En général, le courant d’appel à l’allumage peut être dix à quinze fois supérieur au courant permanent. Même si les lampes à semi-conducteurs sont maintenant normalement utilisées, cet exemple sert à bien illustrer le point.

Les charges traditionnellement inductives comme les moteurs et les transformateurs, qui sont souvent commutés par des relais électromécaniques ont un courant d’appel très élevé. Souvent, le courant d’appel peut facilement être dix fois supérieur au courant de régime permanent, de sorte que les contacts doivent être évalués en conséquence.

Dans de nombreux domaines, une allocation est faite pour tenir compte du courant d’appel. Un facteur est utilisé par lequel le courant en régime permanent est multiplié pour donner la cote du contact. Un tableau des facteurs de multiplication typiques est donné ci-dessous.

.

Multiplicateurs courants utilisés pour tenir compte du courant d’appel sur les relais
La charge à commuter	Multiplicateur
Lampes fluorescentes (CA)	10
. Ampoules à incandescence	6
Moteurs	6
Chauffages résistifs	1
Transformateurs	20

Donc en utilisant le tableau ci-dessous, si des lampes fluorescentes doivent être commutées et qu’elles consomment normalement 1 A, alors les contacts du relais doivent être évalués à 20 A.

Un autre problème survient lorsque le circuit est interrompu. La force contre-électromotrice générée par la charge inductive peut facilement conduire à des étincelles qui peuvent rapidement détruire les contacts du relais.

Des méthodes comme l’installation de limiteurs d’appel sur la charge qui sont souvent des résistances à coefficient de température négatif peuvent aider à limiter le courant d’appel, et des suppresseurs de transitoires peuvent aider à limiter la force contre-électromotrice.

La vie opérationnelle du relais

L’un des problèmes clés associés aux relais électromécaniques est celui de la durée de vie des contacts. Contrairement aux relais à semi-conducteurs et aux commutateurs électroniques, les contacts mécaniques s’usent avec la commutation et ont une durée de vie limitée.

Deux chiffres sont disponibles pour la durée de vie des relais électromécaniques :

• L’espérance de vie électrique : La durée de vie électrique est le nombre d’actions de commutation qui sont entreprises pendant que la commutation, c’est-à-dire les contacts, fournissent le niveau de conductivité requis. Elle dépend beaucoup de l’application, comme le courant d’appel et les arcs électriques créés par la force contre-électromotrice, etc. De nombreux relais de puissance ont une espérance de vie électrique de peut-être 100 000 opérations, bien que, comme mentionné, cela dépende beaucoup de la charge qu’il commute.
• La durée de vie mécanique : La durée de vie mécanique est liée aux aspects mécaniques du relais. C’est le nombre d’actions de commutation mécanique qui peuvent être entreprises indépendamment de la performance électrique. Souvent, l’espérance de vie mécanique d’un relais est d’environ 10 000 000 d’opérations, voire beaucoup plus.

La fin de vie des contacts survient généralement lorsque les contacts collent ou se soudent, ou lorsque l’arc électrique, etc. a provoqué une brûlure du contact et un transfert de matière tels qu’une résistance de contact suffisante ne peut être atteinte. Les conditions de cette situation dépendent du relais et de son application. Elles seront normalement définies dans la fiche technique du relais.

Avantages et inconvénients des relais

Comme pour toute technologie, il existe des avantages et des inconvénients à l’utilisation des relais électromécaniques. Lors de la conception d’un circuit, il est nécessaire de pondérer les points positifs et négatifs pour choisir la bonne technologie pour le circuit donné.

Parfois, une autre option qui peut être considérée lorsqu’on a besoin d’une isolation électrique entre deux circuits peut être un opto-isolateur. Ces opto-isolateurs sont souvent incorporés dans des interrupteurs à semi-conducteurs, souvent aussi appelés relais à semi-conducteurs, ce qui permet d’obtenir des niveaux élevés d’isolation. L’utilisation d’opto-isolateurs dans les commutateurs à l’état solide / relais à l’état solide assure une isolation complète entre le circuit d’entrée et de sortie.

Les relais électromécaniques sont utilisés depuis de très nombreuses années comme commutateurs électriques et la technologie est bien établie. Ces relais électromécaniques ou électriques peuvent tolérer certains abus et ils sont normalement relativement tolérants aux surtensions ou pointes de tension transitoires. À cet égard, ils sont meilleurs que les commutateurs à l’état solide / relais à l’état solide et bien qu’ils s’usent plus rapidement, en particulier quand ils commutent des charges inductives de ils doivent tolérer des surtensions d’allumage dans leurs charges.

Comme les relais et commutateurs à semi-conducteurs sont maintenant présents sur le marché et offrent des niveaux élevés de fiabilité, les options des relais électromécaniques par rapport aux relais à semi-conducteurs doivent être soigneusement examinées. Dans certains cas, les anciens relais sont remplacés par des relais à semi-conducteurs, mais dans d’autres cas, les relais électromécaniques peuvent offrir la meilleure option..

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