Sélectionner et utiliser des relais électromécaniques pour la commutation polyvalente et fiable de signaux

Les applications telles que les équipements de télécommunications et de réseau, de test automatique (ATE) et de sécurité ont de plus en plus besoin de commuter et d'acheminer de manière fiable des signaux CC, CA (analogiques) et radiofréquences (RF) simples ou multiples de niveau faible à modéré. Les relais électromécaniques (EMR) sont bien adaptés à cette tâche.

Les EMR offrent d'excellentes performances d'activation et de désactivation ainsi qu'un isolement entrée/sortie, et ils sont disponibles dans des configurations multipolaires pour offrir flexibilité et polyvalence aux concepteurs. De plus, un seul relais peut prendre en charge différents types de signaux (CA, CC, basse fréquence, RF) dans un même dispositif, pour une valeur ajoutée.

Bien qu'ils comportent des contacts physiques et des pièces mobiles, ils sont entièrement caractérisés en raison de leur long historique d'application. En tant que tels, ils constituent des « résolveurs de problèmes » fiables, capables de remplir leur rôle durant de nombreuses années. Même si les EMR sont des dispositifs robustes par nature, des relais appropriés doivent être sélectionnés (tant pour les valeurs nominales des bobines que pour celles des contacts) et utilisés correctement pour garantir une longévité maximale.

Cet article présente brièvement les types de relais de signalisation et leurs applications. Il décrit ensuite comment sélectionner et appliquer les EMR à l'aide d'exemples d'Omron Electronic Components.

Types de relais et différenciation

Un EMR fait référence à un composant avec de nombreux sous-types spécifiques à l'application. Par exemple, les relais de puissance ont des contacts répertoriés pour 2 A ou plus, tandis que les relais de signalisation sont destinés à des courants de contact inférieurs à cette valeur.

Les relais de signalisation peuvent être divisés en deux groupes : signaux non-RF et signaux RF. Bien que tous les relais soient caractérisés par des paramètres de continuité de base et des valeurs maximum de tenue en courant et en tension, il existe des mesures de performances supplémentaires pour les relais RF, notamment :

• Isolement : les signaux haute fréquence s'échappent via la capacité parasite entre les contacts, même si les contacts sont séparés. L'isolement est mesuré en décibels (dB).
• Perte d'insertion : à hautes fréquences, des perturbations du signal surviennent en raison de l'auto-induction, de la résistance et des pertes diélectriques, de même que des réflexions dues à des désadaptations d'impédance. La perte d'insertion est également mesurée en dB.
• Rapport d'ondes stationnaires en tension (ROS) : cela résulte d'une interférence constructive/destructive entre une onde de signal d'entrée et tout signal réfléchi. Cette mesure est un nombre sans unité indiquant le rapport entre une valeur de forme d'onde maximum et sa valeur minimum.

Simplifier la nomenclature

Les configurations de relais sont définies par leur nombre de contacts ou pôles (P) et les situations d'ouverture/de fermeture normales (c'est-à-dire non alimentées) (Figure 1). Les relais peuvent être normalement ouverts (NO) ou normalement fermés (NF). Les configurations unipolaires (SP) et bipolaires (DP) sont les plus courantes, bien que des unités avec plus de pôles de contact soient disponibles. La direction (T) est la position extrême de l'actionneur.

Figure 1 : Arrangements de contacts et désignations standard pour plusieurs types d'EMR. La ligne en pointillé dans le relais Forme 2C indique que les deux armatures ont une connexion non conductrice qui déplace les deux contacts simultanément lorsque la bobine de relais reçoit du courant. (Source de l'image : Sealevel Systems, Inc.)

La capacité des EMR à prendre en charge plusieurs pôles et directions NO/NC illustre comment ils peuvent simplifier les circuits, économiser de l'espace carte, minimiser la nomenclature (BOM) et réduire les coûts. La raison est qu'un seul relais peut commuter plusieurs trajets de circuit pour activation, désactivation ou combinaison des deux, selon la configuration du pôle et de la direction. Ce même relais peut également commuter des signaux CA et CC, offrant un fonctionnement simultané sur plusieurs trajets de circuit.

Dans certains cas, des EMR avec une paire de pôles supplémentaire sont utilisés pour alimenter un circuit auxiliaire, tel qu'un circuit LED, pour indiquer aux utilisateurs que le relais a été excité et a établi l'état de contact souhaité. De plus, certains concepteurs expérimentés utilisent un relais bipolaire bidirectionnel (DPDT) alors qu'ils n'ont besoin que d'une unité unipolaire bidirectionnelle (SPDT) (les relais SPDT et DPDT ont la même empreinte dans de nombreux cas), ce qui leur permet de disposer d'une paire de contacts « au cas où » pour résoudre un problème ou un oubli découvert plus tard dans le cycle de conception.

Le G6J-2P-Y DC12 (Figure 2) d'Omron est un relais DPDT (Forme 2C) ultramince avec une bobine de 977 Ω, conçu pour être commandé par 12 V à 12,3 mA. Notez que d'autres membres de cette gamme proposent différentes combinaisons de courant/tension de bobine jusqu'à 24 V_CC pour une compatibilité avec la plupart des circuits de commande ou situations.

Figure 2 : Le G6J-2P-Y DC12 est un relais DPDT ultramince avec une bobine de 12 V, 12,3 mA. Il fait partie d'une gamme de relais de taille et de puissance de contact identiques, mais avec différentes combinaisons de courant/tension de bobine. (Source de l'image : Omron)

Ce relais miniature convient aux circuits imprimés haute densité, car il mesure seulement 5,7 mm × 10,6 mm × 9 mm. Le G6J-2P-Y DC12 est fourni avec des bornes à montage traversant, mais des versions identiques avec des bornes courtes et longues à montage en surface sont disponibles pour une flexibilité maximum. Les contacts de ce relais et de tous les autres de cette gamme sont répertoriés pour gérer jusqu'à 0,3 A à 125 V_CA et 1 A à 30 V_CC.

Relais et RF

Les possibilités d'utilisation des relais ne se limitent pas à la simple fermeture de contacts « secs », à la tenue en courants/tensions CC ou à la gestion de signaux CA basse fréquence. Certains modèles sont conçus explicitement pour les applications à ultra-haute fréquence, telles que les équipements ATE.

Le G6K-2F-RF-V DC4.5 d'Omron est un relais DPDT miniature à montage en surface prenant en charge la commutation de signaux différentiels. La perte d'insertion pour ce relais de 11,7 mm × 7,9 mm × 7,1 mm est de 3 dB ou moins à 8 GHz. Il peut également être utilisé à des fréquences plus élevées, comme le montre son diagramme en œil pour un signal différentiel de 200 mV avec un temps de montée de 25 ps (Figure 3).

Figure 3 : Le relais DPDT miniature à montage en surface G6K-2F-RF-V DC utilise une commutation de signaux différentiels et il est spécifié pour 8 GHz et au-delà, comme le montrent ces diagrammes en œil avec des signaux de 8,1 Gb/s, 10 Gb/s et 12,5 Gb/s. (Source de l'image : Omron)

Ces performances dans la gamme des GHz sont dues, en partie, à une conception électrique et mécanique qui prend en charge de manière inhérente les signaux différentiels. Cela permet de garantir les performances souhaitables telles que définies par l'isolement RF (sans lien avec l'isolation galvanique), la perte d'insertion et le ROS (Figure 4).

Figure 4 : Le relais gigahertz G6K-2F-RF-V utilise une conception intrinsèquement différentielle qui simplifie les problèmes de disposition physique du circuit imprimé et minimise l'impact négatif de cette disposition sur les performances RF. (Source de l'image : Omron)

Le relais utilise une disposition interne avancée qui simplifie la configuration du circuit imprimé et élimine le recours à un routage complexe de trajet de signal multicouche sur la carte, ce qui dégrade les performances RF. L'utilisation d'un boîtier en résine plutôt qu'en métal permet d'éviter le problème de court-circuit des broches de sonde dans un boîtier métallique et de dommages à la carte et aux composants lors de l'inspection du montage du relais.

Relais et consommation d'énergie

La consommation d'énergie est un paramètre critique dans presque tous les circuits et systèmes. Elle détermine le dimensionnement de l'alimentation, a un impact sur la durée de fonctionnement des conceptions alimentées par batterie, et la chaleur associée affecte les performances thermiques. Cela a des implications pour les relais conventionnels sans verrouillage, où la bobine doit rester alimentée pendant tout le temps où le relais doit être excité

Des architectures alternatives à la conception activation/désactivation de base répondent à cette préoccupation. Le relais à verrouillage (également appelé relais à automaintien) est conçu de telle sorte qu'une fois excité, il reste dans cette position même si la bobine n'est plus alimentée.

Il existe plusieurs façons d'implémenter la fonction de verrouillage. Le G6JU-2P-Y DC3, et d'autres relais dans cette gamme, utilisent une technique de verrouillage à enroulement simple dans laquelle l'impulsion d'entrée « set » provoque le maintien de l'état de fonctionnement via un aimant permanent adjacent. L'impulsion d'entrée « reset » (une entrée avec la polarité inverse de l'entrée « set ») place le relais dans un état déverrouillé.

Relais et fiabilité

Les relais comportant des contacts électriques physiques et des pièces mobiles, il est normal de supposer qu'ils perdront en fiabilité après un nombre modeste de cycles activation/désactivation. Cependant, ce n'est pas le cas.

Tout d'abord, les différents effets de l'ouverture et de la fermeture des contacts lors de la transmission de courant alternatif et de courant continu à différents niveaux sont bien connus et décrits en détail dans la fiche technique du relais. L'usure prématurée des contacts ne devrait pas être un problème si les conditions définies sont respectées.

Tout aussi important, des décennies d'utilisation, l'expérience d'innombrables unités sur le terrain, la recherche et le développement en métallurgie, la modélisation et l'analyse, les tests de durée de vie contrôlés, les améliorations de la production et de la fabrication et d'autres facteurs techniques ont transformé la conception et la fabrication des bobines et des contacts en processus bien compris, matures et sophistiqués, de même que pour les composants résultants.

La durabilité des relais est liée à celle des contacts et des bobines. La durabilité des bobines commence avec une valeur standard de 40 000 heures, car les propriétés d'isolement diminuent en raison de la chaleur générée lorsque la tension nominale est appliquée en continu à la bobine. Si l'utilisation du relais est intermittente, la durabilité de la bobine est beaucoup plus longue.

La durabilité est également évaluée par deux facteurs souvent mentionnés sur les fiches techniques :

• La durabilité mécanique est le nombre de fois qu'un relais peut ouvrir et fermer le contact sans charge, en tenant compte des dysfonctionnements et des caractéristiques mécaniques.
• La durabilité électrique est le nombre de fois qu'un relais peut ouvrir et fermer le contact avec une charge nominale (par exemple 125 V_CA, 0,3 A / 30 V_CC, 1 A).

Les contacts de relais sont disponibles dans différentes configurations avec des niveaux croissants de fiabilité à long terme : contact simple, contact double et contact double crossbar (Figure 5). La conception du contact double crossbar offre une résistance de contact exceptionnellement stable et minimise les défaillances de contact. Les membres de la famille G6J-2P-Y ont un crossbar bifurqué (similaire au contact double crossbar) avec un contact en argent recouvert d'un placage en alliage d'or.

Figure 5 : Les contacts de relais ont été améliorés et ont évolué d'un simple contact de base à des contacts doubles crossbars à durée de vie plus étendue qui offrent des performances constantes et une résistance de contact stable. (Source de l'image : Omron)

Grâce à leur fiabilité connue, ces relais constituent un choix idéal pour toutes les applications dans lesquelles des temps d'arrêt ou des interruptions de service ne sont pas acceptables, ou lorsque les performances des relais sont essentielles à la mission.

Conclusion

Les EMR sont des composants de résolution des problèmes essentiels dans de nombreux systèmes actuels, traitant et résolvant de nombreux problèmes de trajets des signaux. Ils offrent des attributs de gestion des signaux uniques et indispensables, des performances bien définies et une fiabilité à long terme. Les relais de signalisation sont disponibles pour les applications CC, basse fréquence et même RF dans la plage GHz, étendant ainsi leur champ d'application.