Que signifient la tension d'appel et la tension de déclenchement d'un relais ?

Bienvenue dans notre guide complet sur les paramètres électriques clés des relais. Nous aborderons les concepts fondamentaux du fonctionnement des relais qui sont importants pour la conception d'un système fiable.

La tension d'appel-est également appelée tension de "fonctionnement obligatoire". C'est la tension minimale de la bobine nécessaire pour alimenter le relais. Cela déplace ses contacts de leur position normale à la position actionnée.

La tension de libération est la tension « doit être libérée ». Il s'agit de la tension maximale à laquelle un relais sous tension se désexcitera définitivement-. Cela permet à ses contacts de revenir à leur état normal de repos.

Vous devez comprendre ces deux paramètres pour concevoir des circuits électroniques prévisibles, robustes et résistants aux pannes. Ce guide va au-delà des simples définitions. Nous explorerons les implications pratiques, les facteurs environnementaux qui influencent ces valeurs et comment les lire correctement à partir des fiches techniques.

Dans ce guide, nous aborderons :

Les définitions fondamentales et la physique derrière la tension d'attraction-et de libération.

Le concept critique de l'hystérésis et pourquoi elle garantit une commutation stable.

Facteurs réels-tels que les variations de température et d'alimentation électrique qui modifient les performances du relais.

Comment lire et interpréter les spécifications des fiches techniques pour une conception de circuits fiable.

Règles de conception exploitables et étude de cas pratique.

Les fondamentaux

Qu'est-ce que la-tension de traction ?

La tension d'entrée-déclenche l'action mécanique du relais. Lorsqu'une tension est appliquée aux bornes de la bobine du relais, le courant circule et crée un champ électromagnétique.

La tension d'attraction-est le point spécifique où la force magnétique devient suffisamment forte. Elle doit vaincre les forces opposées combinées. Ceux-ci incluent la tension du ressort de rappel de l'armature et la pression statique des contacts normalement fermés.

A cette tension, l'armature est tirée vers le noyau de la bobine. Cela fait changer d'état les contacts mobiles. Les contacts normalement ouverts se fermeront et les contacts normalement fermés s'ouvriront.

La valeur sur une fiche technique est un maximum garanti. La tension d'appel réelle-de toute unité de relais individuelle peut être inférieure. La fiche technique garantit que le relais fonctionnera à ou en dessous de cette tension spécifiée. Par exemple, une « tension de fonctionnement doit être inférieure ou égale à 9,6 V ».

Pour la plupart des relais CC standard, la tension d'appel-est spécifiée en pourcentage de la tension nominale de la bobine. Il s'agit généralement de 70 ou 80 %. Pour un relais 12 V CC commun, la tension d'appel garantie - serait spécifiée comme inférieure ou égale à 9,6 V CC (80 % de 12 V).

Qu'est-ce que la tension de libération ?

La tension de déclenchement représente le seuil de désactivation-. À mesure que la tension aux bornes d’une bobine sous tension diminue, le flux de courant diminue. Le champ magnétique s'affaiblit.

La tension de déclenchement est le point où la force magnétique devient trop faible. Il ne peut plus maintenir l'armature face à la force mécanique du ressort de rappel.

A cette tension, la force de rappel du ressort dépasse l'attraction magnétique résiduelle. Cela éloigne l'armature du noyau. Cette action ramène les contacts à leur état normal, hors tension.

Tout comme la tension d'appel-, la tension de déclenchement indiquée sur une fiche technique est un minimum garanti. Le relais est garanti d'être libéré une fois que la tension de la bobine chute à ce niveau ou en dessous. Une spécification typique pourrait lire "doit libérer une tension supérieure ou égale à 1,2 V".

Cette valeur est aussi souvent exprimée en pourcentage de la tension nominale. Pour les relais CC, la tension de déclenchement est généralement spécifiée à 10 % ou plus de la valeur nominale. Pour un relais 12 V CC, la tension de déclenchement garantie serait supérieure ou égale à 1,2 V CC.

Le concept d'hystérésis

Que signifient la tension d'appel et la tension de déclenchement d'un relais pour un fonctionnement stable ? La tension d'appel-d'un relais est toujours nettement supérieure à sa tension de déclenchement. Cette différence entre les deux seuils est appelée hystérésis.

Cette caractéristique n'est pas un défaut. Il s'agit d'une caractéristique fondamentale et nécessaire pour un fonctionnement stable du relais. L'hystérésis empêche le relais de « bavarder »-d'osciller rapidement sous et hors tension-lorsque la tension de commande oscille à proximité d'un seul point de commutation.

Imaginez si les tensions d'attraction-et de libération étaient identiques. Tout petit bruit ou fluctuation du signal de commande autour de ce seuil unique entraînerait l'activation et la désactivation rapides du relais. Cela entraîne des arcs de contact, une usure prématurée et un comportement imprévisible du système.

La boucle d'hystérésis fournit une zone morte. Une fois le relais activé, la tension doit chuter considérablement avant de se relâcher. Cela garantit une action de commutation propre et décisive.

Nous pouvons visualiser cela avec un simple graphique traçant l’état du relais par rapport à la tension de la bobine.

Ce graphique montre clairement deux chemins distincts pour allumer et éteindre. Ils forment une boucle qui représente l'hystérésis du relais.

Facteurs d'influence du monde réel-

Le rôle de la température de la bobine

Le facteur le plus influent affectant les tensions d'appel-et de déclenchement d'un relais dans un circuit réel-est la température de sa bobine.

La physique est simple. Une bobine de relais est enroulée avec un fil de cuivre qui présente un coefficient de résistance à la température positif. Pour le cuivre, cette valeur est d'environ +0.4 % par degré Celsius.

À mesure que la température de la bobine augmente, sa résistance continue augmente. Cela se produit soit à partir d'un environnement ambiant élevé, soit à cause d'un auto-échauffement dû à un fonctionnement continu. Selon la loi d'Ohm (V=IR), si la résistance (R) augmente, une tension plus élevée (V) est nécessaire pour produire le même niveau de courant (I) nécessaire pour générer le champ magnétique d'actionnement.

À mesure que la bobine chauffe, sa tension d'attraction effective-augmente. Un relais qui s'active de manière fiable à 9 V dans un laboratoire à 25 degrés peut nécessiter 11 V ou plus pour s'activer lorsqu'il fonctionne à l'intérieur d'une enceinte chaude à 80 degrés.

L'effet sur la tension de déclenchement est similaire. Une bobine plus chaude avec une résistance plus élevée signifie que la tension doit chuter à un niveau inférieur pour réduire suffisamment le champ magnétique pour que l'armature se libère. Par conséquent, la tension de déclenchement effective augmente également avec la température.

Nous avons déjà enquêté sur une panne sur le terrain au cours de laquelle une unité de contrôle fonctionnait parfaitement en laboratoire (25 degrés) mais ne parvenait pas à actionner un relais de sécurité critique dans une enceinte extérieure sous le soleil d'été (70 degrés). La conception fournissait une tension juste au-dessus de la spécification d'extraction à froid-. Il n'a pas tenu compte de l'augmentation significative de la tension d'appel - à haute température. La solution nécessitait de reconcevoir le circuit pilote pour fournir une tension de sortie garantie plus élevée dans toutes les conditions thermiques.

Variations d'alimentation

L'alimentation électrique d'un circuit n'est jamais parfaite. Ses variations impactent directement le fonctionnement du relais. Les concepteurs doivent tenir compte de ces réalités.

Le premier est la tolérance d’approvisionnement elle-même. Une alimentation nominale « 12 V » est souvent de 12 V ± 5 % ou même ± 10 %. Un concepteur doit travailler avec le pire des cas-. Si l'alimentation peut chuter à 11,4 V (-5 %), cette tension minimale doit toujours être confortablement supérieure à la tension d'appel maximale possible du relais, en tenant compte des effets de température complets.

La deuxième est la chute de tension, ou chute I*R. Les fils et les traces PCB reliant la source d'alimentation à la bobine du relais ont une résistance. Même une petite résistance sur un long trajet de fil peut provoquer une chute de tension importante lorsque la bobine consomme du courant. La tension au niveau de la bobine du relais sera inférieure à la tension aux bornes d'alimentation. Ce facteur doit être calculé et compensé lors de la conception.

Enfin, l'ondulation de tension est un problème, en particulier dans les alimentations CA-CC plus simples. Si l'ondulation de la tension continue est suffisamment importante, le creux de tension pourrait descendre en dessous de la tension de maintien ou de libération du relais. Cela provoque un broutage ou un relâchement inattendu du relais. Ceci est particulièrement problématique pour les circuits fonctionnant à proximité du seuil de tension de déclenchement.

Impact de suppression de bobine

Lorsqu'un transistor coupe le courant vers une charge inductive comme une bobine de relais, l'effondrement du champ magnétique induit un pic de tension important (V=-L * di/dt). Ce pic peut facilement détruire le transistor de commande s'il n'est pas supprimé.

La méthode de suppression la plus courante consiste à utiliser une simple diode flyback placée en parallèle avec la bobine. Lorsque le transistor s'éteint, la diode fournit un chemin sûr pour que le courant induit circule et se dissipe. Cela protège le conducteur.

Cependant, cette méthode comporte un compromis important-. Le courant circulant prolonge l'existence du champ magnétique. Cela maintient l'induit du relais sous tension plus longtemps. Cela augmente considérablement le temps de déclenchement du relais.

Ce délai peut être inacceptable dans les applications nécessitant une commutation rapide. De plus, la lente décroissance du champ magnétique peut également augmenter efficacement la tension à laquelle le relais se déclenche finalement.

Pour les applications où le temps de libération est critique, de meilleures méthodes de suppression sont nécessaires. Une diode Zener en série avec la diode standard, ou un réseau d'amortissement de résistances-capacités (RC), peut fournir un chemin de décroissance plus rapide pour le courant de bobine.

Voici une comparaison des techniques de suppression courantes :

Choisir la bonne méthode de suppression est un équilibre entre la protection du composant pilote et l'obtention des performances de déclenchement du relais requises.

Application pratique et conception

Lire une fiche technique

Traduire la théorie en pratique commence par interpréter correctement la fiche technique d'un relais. La section des données de bobine contient les spécifications de tension critiques qui régissent la conception de votre circuit pilote.

Décomposons les paramètres clés que vous trouverez.

Tension nominale de la bobine :Il s’agit de la tension de fonctionnement standard prévue pour une utilisation continue. Le relais est conçu pour des performances et une durée de vie optimales à cette tension.

Doit fonctionner (tirer-) Tension :Ceci est spécifié comme une valeur maximale (par exemple, inférieure ou égale à 9,6 V). Votre circuit doit fournir au moins cette tension dans toutes les conditions (dans le pire des cas, alimentation faible, température maximale) pour garantir l'actionnement.

Doit relâcher la tension :Ceci est spécifié comme valeur minimale (par exemple, supérieure ou égale à 1,2 V). Pour garantir la désexcitation du relais-, la tension à l'état "off" de votre circuit doit être inférieure à ce niveau.

Tension continue maximale :Il s’agit de la tension la plus élevée que la bobine peut supporter indéfiniment sans surchauffer ni subir de dommages. Tout dépassement peut réduire considérablement la durée de vie du relais.

Vous trouverez ci-dessous un exemple de tableau de données de bobine typique pour un relais « cube de sucre » 12 V CC.

Une lecture attentive est essentielle. Notez que ces spécifications de base sont souvent données à une température de référence, généralement 25 degrés. Comme nous l'avons discuté, ces valeurs changeront à différentes températures de fonctionnement.

Étude de cas de conception : UVLO

Appliquons ces concepts à un problème de conception pratique : créer un circuit de verrouillage en cas de sous-tension de batterie (UVLO).

L'objectif est de protéger une batterie au plomb-acide 12 V contre une décharge profonde. Le circuit doit déconnecter automatiquement une charge lorsque la tension de la batterie tombe à un niveau critique, par exemple 11,5 V. Il ne doit reconnecter la charge qu'une fois que la batterie a été rechargée à une tension plus saine, comme 12,5 V.

Le défi consiste à sélectionner un relais approprié et à concevoir la logique de contrôle. L'hystérésis naturelle d'un relais semble parfaite pour cette tâche.

Notre analyse nécessite que le relais effectue deux actions basées sur des seuils de tension :

Le relais doitlibérer(débranchez la charge) lorsque la tension du système chute à 11,5 V.

Le relais doittirer-dans(rebranchez la charge) lorsque la tension du système atteint 12,5 V.

Dans le processus de sélection, nous commencerions par rechercher un relais nominal standard de 12 V CC. Les spécifications de la fiche technique sont notre principal guide. La tension de déclenchement doit être bien inférieure à notre seuil de déconnexion de 11,5 V. La tension de fonctionnement doit être inférieure à notre seuil de reconnexion de 12,5 V.

Cependant, un ingénieur professionnel sait qu'il ne faut pas concevoir directement selon ces spécifications à large -tolérance. En pratique, nous ne nous fierions jamais aux tensions d'entrée et de sortie imprécises du relais pour définir nos seuils UVLO critiques. La tension d'appel et la tension de déclenchement du relais ont une hystérésis inhérente qui est trop variable et fortement dépendante de la température.

Au lieu de cela, nous utilisons les spécifications du relais pour créer une fenêtre de fonctionnement sûre pour un circuit de déclenchement externe beaucoup plus précis. Nous concevrions un circuit comparateur (en utilisant un ampli opérationnel-ou un circuit intégré de supervision dédié) avec un diviseur résistif précis pour définir les seuils de 11,5 V et 12,5 V. Ce comparateur pilote ensuite un transistor, qui à son tour pilote la bobine du relais.

Pour cette conception, notre choix de relais est guidé par la garantie qu'il n'interfère pas avec notre circuit de précision. Nous choisirions un relais avec une tension de déclenchement obligatoire, par exemple supérieure ou égale à 1,2 V et une tension de fonctionnement obligatoire inférieure ou égale à 9,6 V. Cette large fenêtre garantie (de 1,2V à 9,6V) nous laisse suffisamment de place. Notre circuit de précision peut alors fonctionner de manière fiable à 11,5 V et 12,5 V, totalement insensible aux larges tolérances et à la dérive thermique du relais.

Cette étude de cas montre à quel point les propriétés du relais constituent un élément crucial de la conception du système. Mais ils sont gérés et contrôlés par des services de renseignement extérieurs plutôt que de compter sur eux-mêmes pour leur précision.

Règles empiriques de conception

Pour une conduite de relais robuste, nous suivons un ensemble de principes de base résumés dans cette liste de contrôle.

Règle 1 : Attention aux lacunes.Assurez-vous toujours que la tension de sortie minimale garantie de votre circuit pilote est supérieure à la tension d'appel-maximale spécifiée du relais. Tenez compte de la température de fonctionnement la plus élevée possible.

Règle 2 : le bas de gamme compte.Assurez-vous que la tension de fuite « à l'état désactivé - de votre pilote, combinée à tout bruit du système, est toujours inférieure à la tension de déclenchement minimale spécifiée du relais. Cela empêche le relais de ne pas se désexciter-.

Règle 3 : La température n'est pas votre amie.Réduisez toujours vos calculs de tension en fonction du pire environnement thermique-. Une bonne pratique consiste à prévoir une augmentation d'au moins 20 -25 % de la tension d'appel lors du passage d'un environnement de laboratoire à 25 degrés à une application industrielle chaude à 85 degrés.

Règle 4 : Conduisez avec autorité.Ne pilotez jamais une bobine de relais directement à partir d’une broche d’E/S de microcontrôleur standard. Ces broches ont une capacité d'approvisionnement en courant limitée et une impédance de sortie élevée. Utilisez un pilote dédié, comme un BJT ou un MOSFET, qui peut fournir une puissance propre et à faible impédance à la bobine.

Règle 5 : Supprimez judicieusement.Une diode flyback à travers la bobine est l'exigence minimale pour protéger le pilote. Si votre application est sensible au temps de publication, investissez les composants supplémentaires pour une diode Zener-ou une solution d'amortissement RC.

Considérations avancées

Relais de verrouillage

Il est important de différencier les relais à verrouillage standard-des relais à verrouillage, qui fonctionnent selon un paradigme différent.

Contrairement à un relais sans verrouillage-qui nécessite une alimentation continue de la bobine pour maintenir son état, un relais à verrouillage est bistable. Il change d'état avec une brève impulsion de tension, puis reste dans ce nouvel état avec une consommation d'énergie nulle.

Ces relais n'ont pas de tension d'appel ou de déclenchement traditionnelle. Au lieu de cela, leurs fiches techniques spécifient une impulsion de tension de réglage pour déplacer les contacts vers la position sous tension et une impulsion de tension de réinitialisation (souvent sur une bobine séparée) pour les ramener à la position normale.

Le principal avantage réside dans d’immenses économies d’énergie. Cela rend les relais à verrouillage idéaux pour les applications-alimentées par batterie ou-sensibles à l'énergie où un état doit être maintenu pendant de longues périodes.

Bobines AC ou DC

Les principes abordés tout au long de ce guide s'appliquent principalement aux relais à bobine CC-. Les relais de bobine AC-sont conçus différemment.

Le fonctionnement d'une bobine CC est régi par sa résistance CC et le courant qui en résulte. Cependant, le fonctionnement d'une bobine CA repose sur son impédance à la fréquence de ligne spécifiée (par exemple, 50 Hz ou 60 Hz).

Les bobines AC intègrent souvent un anneau d’ombrage ou une bobine d’ombrage. Il s’agit d’une seule spire de cuivre court-circuitée encastrée dans la face du noyau. Il crée un flux magnétique retardé qui maintient l'armature en place pendant les passages par zéro de l'onde sinusoïdale CA. Cela évite les bourdonnements audibles et les bavardages de contact.

Leurs spécifications de tension d'appel-et de libération sont par conséquent données en Volts CA (VCA) et doivent être évaluées dans le contexte de la stabilité de la source d'alimentation CA.

Conclusion : les fondements d'un contrôle fiable

Les tensions d'entrée et de sortie sont bien plus que de simples chiffres sur une fiche technique. Ils définissent la fenêtre de fonctionnement fondamentale d'un relais électromécanique. L'hystérésis créée par l'écart entre ces deux seuils est la clé pour garantir une commutation propre, stable et sans bavardage-.

Toutefois, une conception réussie doit aller au-delà de ces valeurs statiques de température ambiante. Le message central de ce guide est qu'un circuit robuste doit prendre en compte les facteurs dynamiques du monde réel-qui ont un impact direct sur les performances du relais. Cela inclut notamment les effets significatifs des variations de température de la bobine et de l’alimentation électrique.

En allant au-delà de la fiche technique des composants et en considérant l'ensemble du système-de la source d'alimentation et du circuit de commande à l'environnement thermique ambiant-les ingénieurs peuvent gérer correctement ces paramètres critiques. Cette approche nous permet d'exploiter les caractéristiques fondamentales des relais pour construire des circuits de contrôle qui ne sont pas seulement fonctionnels sur une paillasse de laboratoire, mais qui sont également véritablement fiables sur le terrain.

Voir aussi

Processus de production de relais et flux de tests

Application des relais dans les systèmes de production d'énergie solaire

Comment faire la distinction entre les contacts normalement ouverts et normalement fermés d'un relais

Comment choisir les bons relais automobiles et boîtes à fusibles