Pour un relais PCB monostable à bobine CC, le dispositif de suppression à la coupure doit répondre au comportement attendu des contacts ainsi qu’aux limites électriques du commutateur. Une diode antiparallèle maintient généralement la tension de la bobine à un faible niveau, mais prolonge la décroissance du courant. Un écrêtage à tension plus élevée peut accélérer la chute du courant, au prix d’une tension supérieure aux bornes du commutateur et d’effets potentiellement différents sur les interférences électromagnétiques et l’échauffement.
Aucun de ces choix ne prouve à lui seul que le relais se relâche correctement. Il faut enregistrer de manière corrélée le courant de la bobine, la tension du nœud de commutation et la transition des contacts dans les conditions d’utilisation prévues.
Cette analyse porte sur une topologie précise : une bobine CC reliée entre l’alimentation positive et un commutateur côté bas. Elle ne traite ni des commandes côté haut, ni des bobines CA, ni des relais bistables à inversion de polarité, ni de tous les écrêtages internes des circuits de commande.
Exemple de relais montrant une bobine et des contacts. La photographie ne représente pas un circuit de suppression testé.
Trois événements à ne pas confondre
La décroissance du courant dans la bobine, le relâchement de l’armature et le transfert des contacts sont liés, mais ne désignent pas le même événement.
- La décroissance du courant de bobine commence lorsque la commande est coupée et que le courant trouve un chemin de suppression. La résistance de l’enroulement, l’inductance, l’état magnétique et la tension d’écrêtage influent sur la forme d’onde.
- Le relâchement de l’armature se produit lorsque la force magnétique ne suffit plus à maintenir le mécanisme contre ses forces de rappel. Il peut avoir lieu alors qu’un courant mesurable circule encore dans la bobine. L’inductance peut également changer pendant le déplacement de l’armature.
- Le transfert des contacts correspond au changement mécanique et électrique des contacts. Un contact normalement ouvert peut s’ouvrir, un contact normalement fermé peut se fermer, ou les deux peuvent changer d’état dans un relais inverseur. Les transitions peuvent rebondir, et leur séquence dépend de la conception du relais.
Une décroissance initiale plus rapide du courant ne correspond donc pas à un temps de relâchement des contacts mesuré. L’ouverture, la fermeture, la stabilisation finale et les rebonds peuvent se produire à des instants différents. Pour comparer les valeurs de la fiche technique aux mesures du projet, utilisez les définitions temporelles exactes du fabricant du relais ; le temps de relâchement spécifié peut ne pas inclure les rebonds.
Définir le chemin du courant et les références de tension
Appelons A la borne de la bobine reliée à l’alimentation positive et B sa borne commutée. Lorsqu’il est passant, le commutateur côté bas relie B à la masse. En régime d’excitation normal :
- Le courant conventionnel part de l’alimentation positive vers A, traverse la bobine de A vers B, puis passe par le commutateur vers la masse.
- B est proche de la masse, sous réserve des chutes de tension dans le commutateur et le câblage.
- La tension de la bobine, exprimée par VA-VB, est positive.
À la coupure, le courant de l’enroulement continue d’abord à circuler dans le même sens dans la bobine, de A vers B. Pour maintenir ce courant, la tension aux bornes de l’enroulement s’inverse : B monte au-dessus de A jusqu’à ce qu’un chemin de suppression devienne passant. La boucle qui se forme et sa tension dépendent de l’emplacement de l’écrêtage.
Deux références de tension sont importantes :
- Tension relative à la bobine : VB-VA, qui décrit la tension inverse aux bornes de la bobine et celle d’un dispositif d’écrêtage connecté en parallèle sur la bobine.
- Tension du nœud de commutation référencée à la masse : VB-Vground, qui comprend la tension d’alimentation ainsi que la tension d’écrêtage relative à la bobine.
Avec un dispositif d’écrêtage en parallèle sur la bobine, le nœud de commutation peut donc monter approximativement à la tension réelle de la borne d’alimentation plus la tension d’écrêtage, avant prise en compte du câblage, des dépassements de commutation et des oscillations. Une tension d’écrêtage donnée aux bornes de la bobine ne signifie pas automatiquement qu’un commutateur ayant la même tenue en tension référencée à la masse est protégé.
Pour un MOSFET, vérifiez également la tension drain-source aux broches du composant. Si la source ne se trouve pas exactement au potentiel de la référence de masse choisie, par exemple en raison d’une résistance de mesure ou de l’inductance d’une piste, la tension du nœud de commutation par rapport à la masse n’est pas identique à la tension drain-source.
Diode antiparallèle : faible tension, décroissance plus longue
Une diode antiparallèle est connectée avec l’anode sur B et la cathode sur A. Lorsque la bobine est excitée, cette diode est polarisée en inverse. Quand le commutateur s’ouvre et que B monte au-dessus de A, la diode devient passante :
A → bobine → B → diode → A
Dans cette boucle locale idéalisée, le courant circule dans l’enroulement et la diode plutôt que de continuer à traverser le commutateur ouvert. Pendant la conduction, la tension inverse relative à la bobine est approximativement égale à la tension directe de la diode ; la tension de B référencée à la masse est approximativement égale à la tension en A plus cette tension directe.
Cette faible tension inverse entraîne généralement une décroissance du courant plus lente qu’avec un écrêtage à tension plus élevée correctement conducteur. La résistance de l’enroulement dissipe toujours de l’énergie, et la tension directe de la diode varie avec le courant et la température. Ce modèle simplifié ne permet pas de déterminer quand l’armature se relâche ni quand les contacts se stabilisent.
La diode doit supporter la tension inverse, le courant, le régime d’impulsions, la température et le fonctionnement répétitif applicables. Sa faible tension d’écrêtage augmente la marge de tension du commutateur, mais ne prouve ni que le temps de réponse des contacts est acceptable ni que tous les transitoires sont protégés.
Vérifiez si le relais choisi intègre déjà une diode ou un autre composant de suppression. Une diode intégrée rend la polarité de la bobine importante, même si une bobine nue comparable n’est pas polarisée ; une inversion peut créer un chemin d’alimentation involontaire.
Écrêtages à tension plus élevée : évaluer une tension supérieure
À conditions égales, une tension inverse plus élevée aux bornes de la bobine accélère généralement la diminution du courant par rapport à une simple diode. La forme d’onde réelle dépend de la résistance de l’enroulement, de l’évolution de l’inductance, des caractéristiques de l’écrêtage et des éléments parasites. Plusieurs topologies sont possibles ; leurs chemins de courant ne sont pas interchangeables.
| Solution envisagée dans ce circuit côté bas | Chemin à la coupure et tension approximative du nœud de commutation | Principal point à vérifier |
|---|---|---|
| Diode en parallèle sur la bobine | De B à A par la diode ; le nœud B est approximativement à la tension d’alimentation en A plus la tension directe de la diode | Arbitrer entre faible contrainte en tension, décroissance plus lente du courant et comportement mesuré des contacts |
| Diode et diode Zener en série, en parallèle sur la bobine | De B à A par la diode en direct et la Zener en avalanche inverse ; le nœud B est approximativement à la tension d’alimentation plus leurs tensions de conduction | Tension d’écrêtage dynamique, marge du circuit de commande, limites thermiques en impulsion et en fonctionnement répétitif |
| TVS bidirectionnelle en parallèle sur la bobine | De B à A par la TVS ; le nœud B est approximativement à la tension d’alimentation plus la tension d’écrêtage de la TVS | Tension de service inverse maximale à la tension normale maximale de la bobine et tension d’écrêtage au courant d’impulsion réel |
| Écrêtage en parallèle sur le commutateur côté bas | De B à A par l’écrêtage et le chemin de retour, alimentation comprise ; le nœud B est approximativement à la tension d’écrêtage côté commutateur | Tension d’écrêtage par rapport à l’alimentation, comportement de l’alimentation, contrainte sur le commutateur et énergie de la boucle complète |
Il s’agit de descriptions au premier ordre, pas de valeurs de crête garanties. Tenez compte des variations réelles de l’alimentation, des tolérances des composants, de la dépendance de l’écrêtage au courant, du câblage et des dépassements. Une solution d’écrêtage n’est approuvée qu’après vérification de ses limites électriques et du comportement des contacts.
Diode et Zener en série en parallèle sur la bobine
Une configuration en parallèle sur la bobine comprend une diode et une Zener en série, avec le chemin de coupure suivant :
B → diode de l’anode vers la cathode → Zener de la cathode vers l’anode → A → bobine → B
La diode ordinaire conduit en direct et la Zener en avalanche inverse. Lors de l’excitation normale, la diode en série bloque le sens opposé. Pendant la suppression, la tension d’écrêtage relative à la bobine est approximativement égale à la tension dynamique de la Zener plus la tension directe de la diode.
La tension Zener pertinente ne se limite pas à la valeur nominale inscrite sur le composant : elle varie avec le courant, la tolérance et la température. La diode en série doit également supporter la tension inverse et le courant d’impulsion appropriés. Au point B, le commutateur doit supporter la tension d’alimentation plus la tension d’écrêtage réelle et tout dépassement.
Configurations de TVS
Une TVS bidirectionnelle de calibre adapté entre A et B peut écrêter la tension aux bornes de la bobine. Elle voit la tension normale de la bobine pendant l’excitation ; il faut donc vérifier sa tension de service inverse maximale et son courant de fuite sur toute la plage d’alimentation et de température, et pas seulement à la coupure.
La polarité est importante avec une TVS unidirectionnelle. Placée directement aux bornes de la bobine, cathode sur B et anode sur A, elle serait passante pendant l’excitation normale. Une diode de blocage en série ou une autre topologie analysée correctement peut être nécessaire. L’expression « TVS en parallèle sur la bobine » ne définit pas complètement la polarité.
Une TVS peut également être connectée en parallèle sur le commutateur côté bas, sous réserve des limites réelles du circuit et des composants. Dans ce cas, le chemin de coupure peut être :
A → bobine → B → écrêtage côté commutateur → masse/retour → alimentation → A
Contrairement à la boucle idéale en parallèle sur la bobine, ce chemin inclut l’alimentation, qui peut fournir de l’énergie tant que le courant continue. La tension inverse de la bobine est approximativement égale à la tension d’écrêtage côté commutateur moins la tension d’alimentation ; le commutateur voit la tension d’écrêtage elle-même, et non cette tension plus l’alimentation. L’écrêtage doit aussi rester bloqué dans les états normaux du circuit et présenter une tension suffisamment supérieure à celle de l’alimentation pour permettre la décroissance prévue. Les variations des rails, l’impédance du retour et le comportement de l’alimentation comptent également.
Écrêtage interne du circuit de commande, sous réserve de qualification
Un écrêtage interne peut simplifier le circuit externe, mais son nom ne définit ni le chemin du courant ni l’enveloppe de fonctionnement sûre. Le circuit de commande peut écrêter par rapport à une broche d’alimentation, aux bornes de son transistor de sortie ou selon un autre mécanisme. Déterminez le chemin à partir de la fiche technique exacte du circuit et du schéma, y compris les broches d’alimentation et de masse.
Vérifiez si le fabricant qualifie le fonctionnement répétitif concerné lors de la commutation inductive. Une mention ponctuelle d’avalanche ou de transitoire à la limite absolue ne suffit pas, à elle seule, à autoriser une utilisation répétitive continue. La dissipation interne et la température de jonction peuvent être déterminantes.
Vérifier les limites et l’énergie avant de comparer les temps
Utilisez les références exactes du relais, du commutateur ou du circuit de commande, du composant de suppression et de la révision du circuit. Prenez en compte les tensions minimale et maximale d’alimentation, les tolérances, la température, les marges de vieillissement applicables et la fréquence de commutation attendue.
Pour le relais, vérifiez la plage de fonctionnement de la bobine, les exigences thermiques et de cycle de service, les restrictions de polarité éventuelles ainsi que les limites spécifiées pour les transitoires, l’isolation ou la tension inverse. Vérifiez séparément les caractéristiques nominales des contacts en fonction de la charge réelle et des conditions de commutation.
Remplacer le relais, le circuit de commande ou l’écrêtage constitue une modification de conception, et non une équivalence automatique. Avant la mise en production, utilisez une procédure contrôlée d’approbation de substitution de composant pour examiner la référence exacte, les conditions d’impulsion applicables et les nouveaux essais requis.
Pour le circuit de commande ou le commutateur, vérifiez les limites normales de fonctionnement et les valeurs maximales absolues, notamment la tension de sortie, le courant et la température, ainsi que les limites applicables aux transitoires, à la zone de fonctionnement sûre ou à l’écrêtage répétitif. Les valeurs maximales absolues sont des limites, pas des objectifs de fonctionnement. Prévoyez une marge pour la tolérance de l’écrêtage, sa tension dynamique au courant réel, les variations d’alimentation et les dépassements mesurés ; la seule valeur nominale d’une Zener ou d’une TVS ne suffit pas.
Pour l’écrêtage, évaluez le courant d’impulsion, l’énergie d’impulsion, la puissance répétitive et la température. Estimer la puissance moyenne en multipliant l’énergie par événement par le nombre d’événements est utile, mais ne remplace pas la vérification des caractéristiques d’impulsion ni l’évaluation thermique. Le courant et la tension varient pendant l’événement, et les pertes de l’écrêtage ne sont pas nécessairement égales à toute l’énergie stockée dans la bobine.
Calcul énergétique hypothétique, et non choix d’un composant
À titre d’illustration seulement, supposons une inductance constante de L=0,1 H et un courant initial de I=0,2 A :
Il s’agit de 0,002 J d’énergie magnétique initiale supposée, et non d’une valeur mesurée sur un relais ou d’un calcul réel du temps de relâchement. L’inductance d’un relais réel peut varier avec le courant et la position de l’armature. L’énergie peut se répartir entre l’enroulement, l’écrêtage, le commutateur, le mouvement mécanique et d’autres pertes. Selon la topologie, l’alimentation peut également fournir de l’énergie pendant la coupure. Ce calcul, à lui seul, ne dimensionne pas un composant et ne permet pas d’établir l’échauffement en fonctionnement répétitif.
La protection de la charge des contacts est un problème distinct
La suppression de la bobine traite l’énergie et la tension associées à la coupure du circuit de bobine. Elle ne supprime pas automatiquement les transitoires produits par une charge inductive commutée par les contacts du relais.
Une charge côté contacts peut générer son propre transitoire de tension et un arc lors de son interruption. Sa protection doit être évaluée en fonction de cette charge, de son alimentation, de la configuration des contacts et de la réponse attendue. Un dispositif de suppression côté charge peut lui-même modifier le comportement de relâchement de la charge. Ne déduisez pas la durée de vie des contacts, la maîtrise de l’arc ou la protection de la charge du choix de l’écrêtage de la bobine.
Fiche de vérification du relâchement : éléments à recueillir
Aucun essai réel, circuit validé ou nomenclature n’a été obtenu ici. Le tableau suivant est une fiche de collecte des éléments de preuve non remplie, et non un compte rendu de résultats. Définissez les critères d’acceptation et une procédure approuvée avant les essais. Confiez les essais sous tension ou dangereux à du personnel qualifié appliquant des procédures approuvées ; n’improvisez pas de mesures sur le secteur sous tension.
| Élément | Éléments à recueillir |
|---|---|
| Matériel exact | Fabricant et référence complète du relais ; références du circuit de commande ou du commutateur et de l’écrêtage ; révisions du PCB et du schéma ; détails de montage et de câblage. |
| Chemin du circuit | Connexions A et B vérifiées, polarité de la suppression, chemins d’alimentation et de retour, référence de la source du commutateur et comportement de tout écrêtage interne documenté pour la référence exacte du circuit de commande. |
| Conditions | Plage d’alimentation, température, cycle de service de la bobine et fréquence de commutation approuvés ; configuration des contacts et charge représentative ou dispositif approuvé de détection sûre des contacts. Consigner les extrêmes et tolérances pertinents. |
| Procédure et sécurité | Plan d’essai approuvé, caractéristiques nominales des instruments, méthode d’isolation, qualifications du personnel, plan d’échantillonnage et conditions d’arrêt. Utiliser une isolation appropriée et des sondes différentielles ou de courant aux caractéristiques nominales adaptées ; la connexion de masse de l’oscilloscope ne doit pas créer de chemin de circuit involontaire. |
| Référence temporelle | Définir la commande de coupure et le seuil, puis utiliser la même référence pour comparer les événements de courant, de tension et de contact. Consigner la bande passante, la fréquence d’échantillonnage et les réglages de déclenchement de l’instrument. |
| Courant de bobine | Emplacement, sens et référence de la sonde ; courant initial, forme d’onde de décroissance et courant lors des événements mécaniques ou de contact pertinents. Vérifier si un shunt ou une sonde modifie le circuit. |
| Tension du commutateur | Mesurer et identifier B par rapport à la masse, B par rapport à A et, le cas échéant, la tension drain-source du commutateur, avec des sondes et références adaptées. Capturer le niveau d’écrêtage, la crête, les oscillations et leur durée. |
| Transition des contacts | Enregistrer les états initiaux NO/NF, la première ouverture ou fermeture, l’état stable final et les rebonds. Définir les seuils de détection et distinguer la première transition du transfert stabilisé. |
| Acceptation | Définir à l’avance les contraintes admissibles sur le circuit de commande et l’écrêtage, la température, les temps de relâchement et de stabilisation, les rebonds, le comportement des contacts, les limites EMI propres au projet et les méthodes de mesure. Préciser l’évaluation des variations entre unités et conditions. |
La corrélation des formes d’onde est déterminante : un écrêtage n’est candidat que si son comportement mesuré des contacts et ses contraintes électriques respectent les critères prédéfinis du projet dans toutes les conditions approuvées. Des fronts de tension rapides peuvent accroître les oscillations ou les interférences rayonnées et conduites, même s’ils accélèrent la décroissance du courant. La bande passante de la sonde, la surface de boucle, la mise à la masse et le routage peuvent déformer les crêtes ou en faire apparaître de fausses ; le montage de mesure fait donc partie des éléments de preuve.
Avant de libérer le routage, définissez des accès de mesure sûrs à l’aide des considérations de planification des points de test PCB. Pour une mesure à l’oscilloscope, vérifiez que les calibres de tension différentielle et de mode commun, la catégorie de surtension et la bande passante de la sonde sont adaptés à l’ensemble du montage. La pince de masse d’une sonde référencée à la terre de protection ne doit pas être raccordée à un nœud de commutation flottant : cela pourrait créer un court-circuit involontaire. La présentation de l’oscilloscope fournit des informations générales sur l’instrument ; la procédure d’essai approuvée et la documentation de la sonde régissent le montage réel.
Utilisez le plan d’essais fonctionnels pour définir l’état commandé, la charge des contacts, les seuils temporels et les enregistrements. La matrice de couverture des tests peut aider à distinguer les contrôles prévus de la détection effectivement démontrée. Pour l’étude des interférences, la discussion sur la réduction des EMI associée traite de la source, du chemin et de la victime ; réussir un contrôle temporel du relais ne démontre pas la conformité CEM.
Transfert à l’assemblage et à la mise en production
Le responsable de la conception définit le circuit, les limites des composants, la procédure d’essai sûre et les critères de qualification du produit. Les équipes d’assemblage et d’essai appliquent les plans, nomenclatures, procédures et périmètres d’inspection convenus ; la mise en production du produit relève de l’autorité de projet responsable. Si un composant ou une forme d’onde diffère de la référence approuvée, conservez la configuration et les éléments de preuve avant de décider de la suite à donner dans le cadre d’une analyse de défaillance de composant électronique.
Pour une demande de devis d’assemblage, fournissez les révisions du schéma et du PCB, les références complètes du relais, du circuit de commande et de l’écrêtage, les repères de polarité, les alternatives approuvées, les conditions de fonctionnement et la couverture d’essai prévue. Indiquez les enregistrements demandés et demandez quelles étapes d’inspection et d’essai peuvent figurer dans le devis ; un devis ou une inspection d’assemblage ne qualifie pas à lui seul le produit final.
FAQ
Le courant de la bobine doit-il atteindre zéro avant le relâchement du relais ?
Non. L’armature peut se relâcher alors qu’un courant circule encore. Le point de relâchement dépend des conditions magnétiques et mécaniques, et les contacts peuvent continuer à bouger ou rebondir ensuite.
Une tension d’écrêtage plus élevée est-elle toujours préférable ?
Non. Elle peut accélérer la décroissance du courant, mais augmente la contrainte en tension et peut modifier les EMI, l’échauffement de l’écrêtage et la dynamique des contacts. Son acceptabilité dépend des composants exacts, de la topologie et du comportement mesuré.
Puis-je comparer directement la tension d’écrêtage de la bobine à la tension nominale du commutateur ?
Pas sans vérifier les références. La tension d’un écrêtage en parallèle sur la bobine est relative à la borne d’alimentation de la bobine ; le nœud du commutateur côté bas peut voir la tension d’alimentation plus cette tension d’écrêtage et les dépassements.
Un écrêtage interne du circuit de commande dispense-t-il de vérifier la protection externe ?
Non. Son chemin, sa tension, sa capacité à supporter l’énergie répétitive et ses limites thermiques doivent être établis à partir de la documentation du circuit exact et des conditions de fonctionnement. Un écrêtage interne n’est pas nécessairement qualifié pour toutes les charges de relais ni toutes les fréquences de commutation.
Une diode en parallèle sur la bobine protège-t-elle les contacts du relais ?
Pas contre tous les transitoires de charge côté contacts. La suppression de la bobine et la protection côté charge traitent des chemins d’énergie différents et doivent être évaluées séparément.