Comparaison entre les contacteurs et les relais électromécaniques : comment choisir l'outil adapté à l'application

De nombreuses applications nécessitent une commutation des circuits avec un isolement élevé ou la possibilité de commuter des tensions et des courants élevés avec un signal de commande à faible puissance. Parfois, une solution basée sur des semi-conducteurs ne suffit pas. Dans ce cas, les concepteurs doivent choisir entre les contacteurs et les relais électromécaniques, et comprendre comment les appliquer correctement.

Les relais électromécaniques permettent de commuter des courants relativement élevés en utilisant un signal de commande de quelques volts seulement. Ils fournissent également un excellent isolement de tension entre le signal de commande et la puissance commutée. Cependant, les charges de courant et les tensions de commutation très élevées nécessitent des contacteurs, qui sont en fait des relais électromécaniques surpuissants. La plupart des ingénieurs de conception connaissent bien les nombreux types de relais disponibles, des relais à lames aux relais à usage intensif. En dehors du secteur de l'alimentation industrielle, peu de personnes connaissent les contacteurs, largement utilisés pour la commutation de circuits haute tension et à charges très élevées.

Cet article aborde la différence entre les relais et les contacteurs, et les applications auxquelles chacun convient le mieux. Il présente une variété de relais et de contacteurs, et fournit des conseils de conception pratiques pour l'utilisation de chaque type.

Comparaison entre les relais et les contacteurs

Les relais et les contacteurs sont tous deux des dispositifs électromécaniques utilisant un solénoïde électromagnétique pour actionner une ou plusieurs paires de contacts. Un relais ou un contacteur unipolaire possède une seule paire de contacts. Il existe également des relais et des contacteurs bipolaires, et le nombre de contacts peut être assez important. Les contacts peuvent être normalement ouverts ou normalement fermés. Certains relais et contacteurs présentent également des contacts bidirectionnels qui combinent un contact normalement ouvert et un contact normalement fermé.

Les relais conviennent à la commutation de charges à courant faible et moyen à des tensions relativement basses. Ils sont disponibles dans de nombreux formats, notamment des versions plug-in et à montage sur carte conçues pour être soudées sur une carte à circuit imprimé. Les contacteurs sont conçus pour les charges à courant élevé et à haute tension.

Le type de relais ou de contacteur choisi dépend fortement du type de charge à commuter. Voici un résumé des différents types de charges ainsi que des conseils pour les gérer :

• Les charges résistives ne présentent aucune pointe de courant lors de la première mise sous tension. Exemple le plus courant de charge résistive : un simple chauffage. Si sa consommation de courant spécifiée est de 10 A, il est possible d'effectuer une commutation en toute sécurité avec un relais de 10 A. Il existe très peu de charges purement résistives dans le monde réel. La plupart des charges présentent une combinaison de deux types de charge ou plus.
• Les charges associées à une lampe consomment des courants élevés lors de la première mise sous tension. Le filament d'une ampoule à incandescence présente un coefficient de température élevé. Lorsque le filament est froid, sa résistance ne représente souvent que 5 % de la résistance d'une lampe chaude, consommant ainsi 20 fois plus de courant à froid que lorsque la lampe a chauffé. Une ampoule à incandescence de 75 W consomme un peu plus de 0,5 A en fonctionnement normal, mais lorsqu'elle est allumée pour la première fois, le filament froid consomme un courant d'appel de 13 A. Bien que cette pointe de courant ne dure qu'environ un dixième de seconde, les contacts de relais qui alimentent la charge d'une lampe à incandescence doivent supporter ce courant d'appel élevé.
• Les charges de moteur consomment également des courants élevés lors de la première mise sous tension. Un moteur synchrone monophasé de 110 VCA et de 1/3 HP consomme normalement un peu plus de 4 A. Au démarrage ou avec un rotor bloqué, le même moteur peut consommer plus de 24 A. Si la charge mécanique est évacuée du moteur et que celui-ci fonctionne sans charge, il peut consommer 6 A.
• Les charges capacitives présentent des pointes de courant élevées à la mise sous tension, car un condensateur essaie de maintenir une tension constante. Commuter une tension vers un condensateur sans charge équivaut à déclencher momentanément un court-circuit. Ce type de courant élevé à la mise sous tension peut entraîner une fermeture des contacts de relais. Les charges capacitives typiques incluent les sorties d'alimentation CC et d'autres sources d'alimentation filtrées.
• Les charges inductives présentent une mise sous tension progressive. Le courant de charge augmente lentement lors de la mise sous tension. Cependant, il existe une pointe de tension inductive induite au niveau des contacts du relais lorsque la charge est désactivée, car une inductance essaie de maintenir un courant constant. La pointe de tension induite peut être suffisamment importante pour provoquer un arc au niveau des contacts du relais, ce qui dégrade les contacts en faisant fondre la surface de contact et en la creusant chaque fois que l'alimentation est activée. C'est la raison pour laquelle certains relais intègrent des diodes d'amortissement au niveau de la bobine, pour empêcher la formation d'arcs. Les types de charges à inductance élevée comprennent les actionneurs à solénoïde, les vannes à commande électrique et les relais.

Les relais en détail

Les spécifications importantes des relais comprennent la tension de la bobine et le fonctionnement des bobines CA ou CC, le courant nominal de contact et la configuration (normalement ouvert, normalement fermé, pôles multiples), le nombre de contacts, et les temps d'actionnement et de relâchement. Il est important d'éviter les courants de commutation trop faibles pour qu'un relais fonctionne de manière fiable. Le bon fonctionnement des contacts d'un relais dépend en partie de la commutation d'un courant minimum spécifié, souvent appelé courant de nettoyage, car il brûle les traces de contaminants susceptibles de se former sur les contacts du relais.

La limite inférieure du relais pour le courant qui peut être commuté de manière fiable dépend de plusieurs facteurs, tels que le matériau de contact, la géométrie du contact et le glissement mécanique des surfaces de contact. Tous ces facteurs sont pris en compte dans la spécification du courant de commutation minimum d'un relais. Les relais à contacts plaqués or et ceux à contacts jumelés (divisés) peuvent commuter de manière fiable des courants de 10 mA seulement.

Les relais à lames et les relais à lames imprégnées au mercure conviennent aux applications de commutation de niveau inférieur. Par exemple, les relais à lames JWD et JWS de TE Connectivity Potter & Brumfield Relays sont disponibles avec une plage de tensions de bobine de 5 à 24 VCC et dans une variété de configurations unipolaires et bipolaires.

Par exemple, le relais à lames JWD-171-10 de TE Connectivity intègre une bobine de 24 V avec une diode d'amortissement et un contact normalement ouvert conçu pour commuter un courant maximum de 500 mA à 20 V. Les relais à lames de la série JWD sont conçus pour être montés sur une carte à circuit imprimé et présentent la même empreinte qu'un circuit intégré DIP à 14 broches, bien qu'ils n'aient que huit broches (Figure 1).

Figure 1 : La série JWD de relais à lames de TE Connectivity Potter & Brumfield Relays avec empreinte DIP à 14 broches est disponible avec de nombreuses tensions de bobine et configurations de contact. (Source de l'image : TE Connectivity Potter & Brumfield Relays)

Les relais à lames ne sont généralement pas conçus pour commuter des charges plus élevées, qui nécessitent un boîtier physiquement plus grand pour prendre en charge des contacts à courant élevé plus imposants. Par exemple, le relais à usage général G2R-1-DC24 d'Omron Electronic Components est conçu pour commuter 10 A à 24 V. Il comprend une bobine de 24 VCC et présente un montage de contact unipolaire bidirectionnel. Ce relais est un peu plus grand que le relais à lames série JWD de TE Connectivity, mais il est quand même conçu pour être monté sur une carte à circuit imprimé (Figure 2).

Figure 2 : Le relais à usage général G2R-1-DC24 d'Omron Electronics, pouvant être monté sur une carte à circuit imprimé, est conçu pour commuter 10 A à 24 V. (Source de l'image : Omron Electronics)

Omron propose également un relais similaire, le G2R-1-SND-DC24(S), conçu pour les applications plug-in pour lesquelles il est possible d'utiliser des douilles. Il existe plusieurs douilles correspondantes pour ce type de relais dans des versions compatibles avec rail DIN, montage sur panneau et montage sur carte de circuit imprimé à trou traversant.

Les contacteurs en détail

Un contacteur est l'équivalent industriel à usage intensif d'un relais. Il s'agit d'un composant standard dans les applications industrielles et d'usine. Les contacteurs sont un peu plus robustes que les relais et sont généralement conçus pour être facilement montés sur un rail DIN standard. Certains présentent des orifices de montage supplémentaires permettant de les boulonner directement sur une surface plane. Ils sont conçus pour commuter des charges élevées (moteurs fractionnaires et à plusieurs chevaux, moteurs multiphasés), des charges de chauffage importantes et l'éclairage industriel/commercial. Par conséquent, les contacteurs sont conçus pour supporter de gros fils à fort courant.

Tout comme les bobines de relais, les bobines de contacteur sont disponibles avec des spécifications CA ou CC. Les contacteurs conçus pour être entraînés par un contrôleur logique programmable (PLC) intègrent généralement des bobines à solénoïde de 24 VCC, mais il existe également des bobines pour tension secteur CA (notamment 110, 220, 240 VCA).

Comme pour les relais, la bobine électromagnétique à solénoïde d'un contacteur attire magnétiquement un actionneur ou un piston qui établit physiquement la liaison entre une ou plusieurs paires de contacts électriques à usage intensif au niveau du contacteur. Contrairement aux relais, les contacteurs sont assemblés de manière modulaire, ce qui facilite le changement de la bobine à solénoïde pour changer de tension. Les relais ne sont généralement pas construits de façon modulaire et la modification de la configuration d'un relais nécessite généralement le remplacement du relais tout entier. La construction modulaire des contacteurs permet également aux utilisateurs de modifier l'ensemble des contacts actionnés.

Les contacteurs présentent généralement plusieurs ensembles de contacts. Parfois, un contacteur n'intègre que des contacts à courant élevé, mais les contacteurs peuvent avoir un mélange de contacts à fort et faible courant utilisés pour la commutation simultanée des circuits d'alimentation et de signal, respectivement. Le contact à faible courant est également appelé contact auxiliaire. La différence entre les deux types de contact est que les contacts à fort courant sont physiquement plus grands que les contacts à faible courant pour pouvoir transmettre le courant de charge plus élevé. Un contacteur conçu pour entraîner un moteur triphasé peut avoir trois contacts à fort courant pour acheminer l'alimentation du moteur et un contact auxiliaire pour signaler l'état d'actionnement du moteur.

Par exemple, le contacteur J7KNA-AR-31 24VS d'Omron Automation & Safety est équipé d'une bobine à solénoïde de 24 VCC et d'un montage de contact quadripolaire unidirectionnel (Figure 3). Les contacts présentent des valeurs nominales de 10 A avec une tension de commutation maximum de 600 VCA. La série J7KNA-AR d'Omron est modulaire et il est possible de spécifier de nombreuses options, notamment la tension de la bobine, la disposition des contacts (avec versions à 4, 6 et 8 pôles disponibles) et la méthode de montage.

Figure 3 : Le contacteur J7KNA-AR-31 24VS d'Omron Automation & Safety présente une bobine à solénoïde de 24 VCC et un montage de contact quadripolaire unidirectionnel. (Source de l'image : Omron Automation & Safety)

Mécaniquement, les contacteurs ont évolué au fil du temps, de sorte qu'il est désormais possible de les regrouper mécaniquement pour assurer un actionnement simultané multiple ou un verrouillage mécanique qui empêche l'actionnement d'un contacteur lorsqu'un contacteur adjacent est actionné.

Étant donné que les contacteurs supportent des courants et des tensions élevés, la spécification d'un contacteur avec une capacité de transport de courant plus importante que nécessaire peut prolonger la durée de vie du contacteur lorsqu'il est mis en service. Les contacts plus grands ne sont pas autant perturbés par les actionnements, car ils présentent une construction plus robuste et un placage plus épais.

L'EV200AAANA de TE Connectivity Aerospace Defense and Marine est un exemple de contacteur à fort courant. Ce contacteur permet de commuter des charges de 900 V et de transmettre 500 A ou d'interrompre un courant de charge de 2 000 A à 320 VCC via ses principaux contacts d'alimentation. Un ensemble auxiliaire de contacts peut acheminer 2 A à 30 VCC ou 3 A à 125 VCA. Le contacteur EV200AAANA intègre une bobine à solénoïde de 12 VCC. Comme le montre la Figure 4, ce contacteur utilise une conception étanche et non modulaire. Les applications typiques pour ce contacteur incluent la commutation de batterie et l'alimentation de secours, le contrôle de l'alimentation CC et la protection des circuits.

Figure 4 : Le contacteur non modulaire et étanche EV200AAANA de TE Connectivity permet de commuter 500 A avec une entrée de commande de 12 V. (Source de l'image : TE Connectivity)

Il existe également des contacteurs spéciaux pour des applications spécifiques. Par exemple, de nombreuses applications industrielles et commerciales nécessitent la commutation de charges d'éclairage ayant de très forts courants d'appel qui risqueraient de faire fondre la soudure des contacts d'un contacteur normal. L'éclairage halogène en fait partie et présente un fort courant d'appel. Les alimentations à découpage présentent également des charges hautement capacitives similaires qui consomment des courants d'appel initiaux importants. Il existe des contacteurs spécialisés qui comprennent des thermistances d'appel CTN qui limitent initialement le courant à la charge et empêchent l'appel de courant de souder les contacts entre eux. Il est également possible d'ajouter au circuit de puissance des thermistances d'appel externes CTN à fort courant pour obtenir le même résultat.

Conclusion

Les relais et les contacteurs sont des composants très efficaces pour commuter l'alimentation électrique tant qu'ils sont spécifiés correctement. Il faut en effet veiller à avoir la bonne tension de bobine (notamment CA et CC) et la bonne taille de contacts. Les relais sont disponibles dans de nombreux formats, tandis que les contacteurs, qui sont des composants industriels plus standardisés, sont disponibles dans des formats plus uniformes. Le choix dépend de la charge à commuter tout en tenant compte du type de charge (résistive, capacitive ou inductive).