Relais de puissance – Comprendre les principes de base

Les relais fonctionnent essentiellement comme des commutateurs qui régissent le fonctionnement d'autres commutateurs dans les circuits électriques. Utilisant un signal d'entrée basse puissance, ils exercent une commande sur des circuits à plus haute puissance. L'activation du signal basse puissance du relais déclenche l'excitation d'un électro-aimant, initiant le mouvement d'une armature. Ce mouvement provoque à son tour la fermeture des contacts électriques, facilitant ainsi la transmission de puissance vers le circuit contrôlé.

L'un des principaux avantages de cette conception réside dans sa capacité à isoler le signal de commande basse puissance du circuit à plus haute puissance. Cet isolement protège non seulement les opérateurs des dangers potentiels, mais également les équipements des dommages éventuels. De plus, cette configuration facilite la commande à distance des dispositifs ou des systèmes, permettant le fonctionnement à distance.

L'origine des relais électromécaniques remonte à 1835, et malgré les améliorations significatives apportées à leurs composants et à leur diversité au fil des ans, leur fonction fondamentale a perduré. L'un des relais les plus connus à travers l'histoire est le relais de puissance. Bien que tous les relais électriques contrôlent intrinsèquement l'alimentation, tous les relais ne sont pas correctement appelés « relais de puissance ». Cet article examine plus en détail les relais de puissance, y compris leurs avantages, leurs configurations et leurs principaux critères de sélection.

Principes de base des relais de puissance

Les relais de puissance sont connus pour leur capacité spécifique à gérer la commutation de courant de haut niveau, de plusieurs ampères à des amplitudes nettement plus élevées. Leur conception plus robuste et leurs dimensions accrues permettent aux contacts des relais de puissance de supporter des courants plus importants, ce qui en fait des candidats idéalement adaptés pour les applications exigeant des courants dépassant typiquement 10 ampères.

Ils sont de plus en plus utilisés dans différents secteurs industriels, notamment les systèmes automobiles, les commandes d'ascenseurs, les actionneurs de vannes et divers dispositifs caractérisés par des pointes de courant initiales élevées, tels que les moteurs, les solénoïdes, les alimentations et les ballasts électroniques.

Tout comme les autres composants électriques, les relais présentent des limites inhérentes à la puissance qu'ils peuvent gérer en toute sécurité. Chaque modèle se voit attribuer une puissance nominale maximum, garantissant une adaptation efficace à une large gamme de charges, des entités basse puissance comme les ampoules aux machines robustes telles que les gros moteurs. Cependant, dépasser la puissance nominale spécifiée peut entraîner des dommages permanents pour le relais.

De plus, un désalignement des contacts peut provoquer un arc de contact, caractérisé par un courant circulant dans l'entrefer entre les contacts du relais lorsqu'ils sont ouverts mais proches les uns des autres. Ce phénomène présente des risques au-delà de la génération d'étincelles et de chaleur, notamment l'érosion des contacts et la génération d'interférences électriques indésirables, susceptibles d'endommager les équipements voisins.

Figure 1 : Arc de contact de relais électromécanique. (Source de l'image : Same Sky)

C'est là qu'interviennent les relais de puissance, conçus spécifiquement pour gérer les charges électriques des dispositifs à fort courant tels que les radiateurs, les moteurs, les réseaux d'éclairage et les équipements industriels. Les valeurs nominales de courant et de tension plus élevées des relais de puissance sont en grande partie dues à l'utilisation de matériaux de contact de commutation différents de ceux utilisés dans les relais ordinaires. Ces matériaux sont choisis pour leur capacité à résister aux rigueurs des applications haute puissance, garantissant ainsi un fonctionnement fiable et une longue durée de vie dans les environnements industriels exigeants.

Matériaux de contact des relais de puissance

Lorsque le courant circule dans les contacts du relais, il rencontre une résistance, un facteur dépendant de la taille et de la composition matérielle des contacts. Une résistance élevée amplifie non seulement la puissance dissipée dans le relais, mais augmente également la génération de chaleur. Une approche pour atténuer la résistance de contact consiste à sélectionner soigneusement les matériaux de contact.

Les relais conventionnels sont généralement dotés de contacts en argent-nickel, un métal connu pour son omniprésence historique dans la construction de relais. Les contacts en argent-nickel excellent dans la commutation de charges résistives, où le courant et la tension sont en phase.

En revanche, les relais conçus pour des charges plus élevées, comme les relais de puissance, optent pour des contacts fabriqués à partir de matériaux tels que l'oxyde de cadmium-argent, l'oxyde d'étain-argent ou un alliage d'or. Ces matériaux sont parfaits pour gérer les charges inductives, caractérisées par un courant et une tension asynchrones, qui peuvent produire des pics de courant ou de tension importants. Les contacts en oxyde de cadmium-argent et en oxyde d'étain-argent offrent une résistance électrique plus faible et atténuent le risque de soudage par contact dû à des courants d'appel élevés. L'adoption de l'oxyde d'étain-argent permet de contourner les préoccupations environnementales associées aux alliages à base de cadmium, s'alignant ainsi sur les normes réglementaires défendues par certains pays.

Relais de puissance et relais de signalisation

Les relais de puissance et les relais de signalisation constituent deux variantes populaires dans le domaine des relais. Si les relais de puissance donnent la priorité à la tenue en tensions et courants plus élevés, ils supportent généralement moins de cycles de vie. À l'inverse, les relais de signalisation sont conçus pour un nombre de cycles de vie plus élevé, mais ils fonctionnent avec des tensions plus faibles et un courant minimal.

Les matériaux de contact utilisés dans les relais de puissance, bien qu'aptes à gérer des scénarios haute puissance, ne sont pas parfaitement adaptés à la commutation basse puissance. Cela vient du fait qu'à plus basses tensions, c'est la connexion physique entre les contacts qui est primordiale, dictée par des facteurs tels que la pression et la propreté des contacts, plutôt que le matériau.

De plus, l'utilisation d'un relais de signalisation dans une application de puissance comporte des risques inhérents, pouvant aboutir à une défaillance catastrophique due à une surtension ou une surintensité. Même si un tel relais devait résister, il lui manquerait des fonctionnalités cruciales telles que la prévention des arcs électriques et l'auto-nettoyage des contacts, compromettant la fiabilité à long terme.

Lorsqu'il s'agit de choisir entre des relais de puissance et des relais de signalisation, le respect d'une ligne directrice fondamentale est crucial : il faut toujours faire correspondre le niveau de puissance commuté avec la puissance nominale du relais. Cela garantit des performances optimales, atténue les risques de défaillance et préserve l'intégrité du relais et des systèmes associés. L'article de Same Sky, Relais de signalisation – Comprendre les principes de base, donne plus d'informations sur les relais de signalisation.

Types de relais de puissance

Les relais de puissance, comme les relais ordinaires, sont disponibles en deux types principaux : électromécaniques et statiques.

Les relais de puissance électromécaniques s'appuient sur une combinaison de bobines électriques, de champs magnétiques, de ressorts, d'armatures mobiles et de contacts pour réguler l'alimentation fournie à un dispositif.

En revanche, les relais statiques n'utilisent aucune pièce mobile. Au lieu de cela, ils utilisent des dispositifs semi-conducteurs tels que des SCR (redresseur au silicium commandé), des TRIAC (triode pour courant alternatif) ou des transistors de commutation pour commuter les courants CA et CC. Les relais statiques offrent des avantages tels que des vitesses de commutation plus élevées et une fiabilité améliorée par rapport aux relais électromécaniques. Cependant, leur rapport coût-efficacité diminue avec l'augmentation de la puissance requise en raison des coûts plus élevés associés aux semi-conducteurs de puissance robustes et à l'inclusion de composants de gestion thermique supplémentaires.

Figure 2 : Exemple de relais statique combiné à un dissipateur thermique. (Source de l'image : Same Sky)

Configurations et classifications courantes

Les relais de puissance, tout comme leurs homologues, sont classés en fonction de leur configuration de contact, indiquant le nombre de dispositifs qu'ils peuvent contrôler simultanément. Les classifications courantes incluent les suivantes :

• SPST (unipolaire, unidirectionnel)
• DPDT (bipolaire bidirectionnel)
• 3PDT (tripolaire bidirectionnel)
• SP3T (unipolaire tridirectionnel)

Les contacts de relais sont désignés comme normalement ouverts (NO) ou normalement fermés (NC), en fonction de leur état lorsqu'aucune alimentation n'est appliquée au relais.

Les caractéristiques nominales des relais indiquent la puissance maximum qui peut être commutée de manière sûre et efficace par le relais. Ces valeurs sont généralement exprimées en ampères pour les courants CA et CC. Il est crucial que la valeur nominale du relais dépasse celle du dispositif commuté, tout en tenant compte d'une marge de sécurité.

Tout comme les autres relais, les relais de puissance peuvent également être décrits en utilisant le terme « Forme ». Des formules telles que « 1 Forme A » ou « 2 Forme C » donnent des informations sur les caractéristiques du relais. Le chiffre précédant « Forme » indique la quantité de contacts décrits disponibles dans le relais. « Forme A » désigne un relais normalement ouvert, tandis que « Forme B » désigne un relais normalement fermé. « Forme C » et « Forme D » s'appliquent aux relais SPDT, indiquant quelle position est considérée comme normalement fermée et si le relais est non court-circuitant ou court-circuitant, respectivement. Bien qu'il existe de nombreuses autres formes, ces quatre formes sont les plus fréquemment utilisées.

• Forme A – Normalement ouvert
• Forme B – Normalement fermé
• Forme C – Commutateurs SPDT non court-circuitants
• Forme D – Commutateurs SPDT court-circuitants

Considérations supplémentaires

Lors de la sélection de dispositifs, quelques considérations supplémentaires doivent être prises en compte :

• Pointes de puissance d'entrée : Certains dispositifs peuvent produire des pointes de puissance importantes au démarrage. Il est important d'identifier ces pointes avant de spécifier un relais afin d'éviter d'endommager le dispositif.
• Suppression de bobine : Le cyclage des relais peut générer des transitoires haute tension. La suppression de bobine implique l'utilisation de composants supplémentaires dans le circuit pour protéger l'équipement contre ces transitoires. Cependant, cela peut réduire la durée de vie du relais. Il convient de déterminer si une stratégie de suppression de bobine spécifique est nécessaire pour une application spécifiée.
• Verrouillage : Un relais à verrouillage conserve sa dernière position de contact même après la suppression de l'alimentation d'activation. Cette fonctionnalité peut être requise pour certaines applications.
• Bruit : Les relais peuvent produire des interférences électromagnétiques (EMI) ou des perturbations radioélectriques (RFI), qui peuvent être plus prononcées dans les dispositifs haute puissance. Il convient de déterminer au préalable la sensibilité d'un dispositif ou d'un système à ce bruit.
• Rebondissement des contacts : Lorsqu'un relais effectue un cycle, ses contacts peuvent subir de brefs cycles d'ouverture/fermeture, appelés rebondissement des contacts, qui génèrent des impulsions électriques. En fonction de la sensibilité de l'application, ce rebondissement peut provoquer des effets indésirables. Il est donc important de déterminer si le rebondissement des contacts affectera une application avant de spécifier un relais.

Figure 3 : Exemple de rebondissement des contacts et de tensions à variation rapide. (Source de l'image : Same Sky)

Conclusion

Les relais sont des dispositifs de confiance efficaces et fiables qui fournissent un contrôle électrique sécurisé des systèmes et des dispositifs, tout en isolant l'opérateur du courant de fonctionnement. Les relais de puissance, qu'ils soient électromécaniques ou statiques, sont spécialement conçus avec des fonctionnalités améliorées pour gérer des tensions et des courants plus élevés.

Same Sky propose une gamme diversifiée de relais de puissance et de relais de signalisation aux concepteurs évaluant les besoins de commutation de puissance de leur produit. Qu'il s'agisse de commutation de courant de bas niveau ou de haut niveau, Same Sky dispose des solutions de relais qui répondent de manière efficace à une multitude de besoins.