Relais et charges inductives

Relais et charges inductives

Vous l'avez probablement remarqué, de nombreux constructeurs, dont Yoctopuce, déconseillent l'utilisation de relais électro-mécaniques pour piloter des appareils constituant des charges inductives sous peine d'accélérer significativement le vieillissement du relais. Cette semaine, on va vous expliquer pourquoi, et surtout comment contourner le problème.



Une charge inductive est essentiellement un appareil qui contient des bobinages. Il se trouve que beaucoup d'appareils de la vie courante contiennent des bobinages sous forme de transformateurs ou de moteurs électriques, d'où l'intérêt de bien comprendre ces problèmes de charge inductive.

La bobine, un objet surprenant
Une bobine est un composant qui présente des propriétés électromagnétiques surprenantes, vous en avez probablement déjà entendu parler à l'école, mais un petit rappel ne fera probablement pas de mal.

Si vous faites passer du courant dans une bobine, cette dernière va générer un champ magnétique: C'est le principe de l'électro-aimant. Vous pouvez facilement en construire un en enroulant (beaucoup) de fil électrique autour d'une vis ou d'un clou.

Enroulez du fil électrique autour d'une vis vous aurez un électro-aimant
Enroulez du fil électrique autour d'une vis vous aurez un électro-aimant


Les bobines sont aussi sensibles aux champs magnétiques, ou plus exactement aux variations de champ magnétique: si vous faites bouger un aimant devant une bobine, une tension va apparaître aux bornes de cette bobine. Cette tension est proportionnelle, entre autres, à la vitesse de variation du champ magnétique, plus le champ magnétique varie rapidement plus la tension est élevée. C'est le principe de l'induction, utilisé dans les dynamos.

Aimants immobiles: pas d’électricité   Si les aimants bougent, il y a production d'électricité
Le principe de l'induction ne marche que si l'aimant bouge


Combinés ensemble, ces deux phénomènes ont une conséquence surprenante appelé auto-induction: si vous faites passer du courant dans une bobine celle-ci génère un champ magnétique qui a, assez logiquement, une influence sur elle-même. Si vous coupez brutalement ce courant, à l'aide d'un relais par exemple, le champ magnétique va disparaître brutalement: il y a donc une variation extrêmement rapide du champ magnétique qui entoure la bobine. Ce qui génère un pic de tension très élevé aux bornes de la bobine. Ce pic de tension peut être plusieurs dizaines de fois plus élevé que la tension qui était appliquée à la bobine avant la coupure. Ce principe est par exemple utilisé dans certains générateurs de clôtures électriques pour le bétail.

Conséquence sur les relais électromécaniques
Un relais électro-mécanique, tels que ceux présents sur le Yocto-Relay, le Yocto-PowerYelay et Yocto-MaxiRelay, n'est en fin de compte qu'un interrupteur mécanique commandé électriquement. Pour interrompre un circuit, un relais électro-mécanique se contente d'écarter les contacts de travail l'un de l'autre. S'il y a une bobine dans le circuit interrompu, une haute tension va apparaître aux bornes de la bobine et se propager jusqu'aux contacts du relais et créer un arc électrique. Cet arc électrique risque fort d'endommager les contacts. Dans les cas les plus graves, cet arc électrique peut passer à travers l'isolation du relais et atteindre les contacts de la partie commande, créant ainsi des catastrophes dans l'électronique de commande.

Il n'y pas besoin d'une grosse bobine pour créer des gros pics de voltage. Par exemple un petit actuateur tout simple peut générer des tensions considérables. En effet un actuateur électromagnétique n'est rien d'autre qu'une bobine traversée par une tige qui coulisse quand le champs magnétique de la bobine est activé. Voici un modèle tout simple d'actuateur qui, piloté en 12v, peut générer un pic de -500V quand on le coupe.

Une petite bobine...
Une petite bobine...



..peut générer de grosses surtensions quand on coupe son alimentation brutalement
..peut générer de grosses surtensions quand on coupe son alimentation brutalement




La diode TVS
Heureusement il existe un composant électronique pour nous aider à résoudre ce problème. La Diode TVS, pour Transient Voltage Suppressor est souvent utilisée dans les circuit de télécommunication pour supprimer les pics de tensions, fréquents dans ce type d'applications. Ces diodes ont la particularité d'être bloquantes en dessous d'une certaine tension et passantes au dessus. L'idée est donc de court-circuiter la bobine avec une diode TVS pour que le courant lié à la surtension de la bobine reste enfermé dans le circuit de la bobine/diode, et se dispense sous forme d'échauffement sans endommager le reste du circuit. Les diodes TVS bi-directionnelles fonctionnant dans les deux sens, elles peuvent même être utilisés avec du courant alternatif.

la diode TVS, petite, pas chère et bien pratique
la diode TVS, petite, pas chère et bien pratique



Reste à choisir la bonne diode TVS, ce choix dépend de votre application. Il y a deux paramètres importants: le reverse standoff voltage qui est la tension en dessous de laquelle la diode est complètement bloquante et le Clamping Voltage qui est la tension au dessus de laquelle la diode est complètement passante. Il faut donc choisir la diode de façon à ce que que le reverse standoff voltage soit supérieur à la tension de fonctionnement du circuit que le relais doit interrompre, et que leClamping Voltage soit en dessous de la tension maximale admise par le relais. Attention si vous utilisez du courant alternatif, vous devez considérer la tension crête à crête, et non pas la tension RMS. Il faut aussi que la diode soit capable de dissiper l'énergie correspondant au pic de tension, mais ce n'est généralement pas un problème.

Si on place une diode TVS avec une tension de clamping de 20V au bornes de l'actueur utilisé plus haut, on constate une nette amélioration de la situation. Par contre il y a un prix à payer: l'énergie stockée dans la bobine peut mettre du temps à se dissiper: ici on remarque qu'il y a une tension de -20V aux bornes de la bobine pendant environ 2ms.

Une diode TVS peut sauver la situation
Une diode TVS peut sauver la situation



Application pratique
Pour rendre cet article un peu théorique un peu plus fun, nous allons monter une petite expérience basée sur des actuateurs linéaires pilotés par un Yocto-Relay. L'idée est d'utiliser deux actuateurs pour appuyer plusieurs fois par seconde sur deux boutons reliés à un Yocto-Knob. Les actuateurs seront pilotés indépendamment par chacune des deux voies du Yocto-relais. Le Yocto-Knob comptera le nombre de fois où les relais auront fonctionné. Un des relais sera protégé par une diode TVS, pas l'autre.

Les actuateurs appuient sur les boutons
Les actuateurs appuient sur les boutons


Un banc de torture pour relais
Un banc de torture pour relais


L'expérience complète
L'expérience complète



L'idée est de voir lequel des deux relais va arrêter de fonctionner en premier, en espérant que les boutons vont tenir le coup. L'expérience poste les compteurs sur ce site une fois toutes les 10 secondes:


Conclusion
Si vous utilisez un relais pour piloter une charge inductive dans le cadre d'une application ponctuelle, vous pouvez vous contenter de sur-dimensionner le relais et tout se passera probablement bien. Mais si vous voulez fabriquer quelque chose de fiable qui ne tombera pas en panne à peine mis en service, utilisez des diodes de protection, elle sont très courantes, faciles à mettre en œuvre et ne coûtent que quelques dizaines de centimes. Notez qu'il existe d'autres techniques de protection.

Commenter 8 commentaires
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1 - martinm (Yocto-Team)Lundi 18 février 2013 6H47

Oops, cette expérience a révélé un bug dans le firmware des modules, on fixe au plus vite et on relance l'expérience.

2 - martinm (Yocto-Team)Lundi 25 février 2013 10H32

Le bouton correspondant au relais avec la diode est mort pendant le week-end d'où la différence.

3 - philou15 Samedi 19 septembre 2015 7H11

Bonjour,

Super article, mais j'ai une quesiton :

Je pilote mon eclairage avec des cartes IPX 800V3 et des ampoules LED COB 230V direct. Sur ces led il y a une bobine + transfo donc charge inductive.
Mais j'ai le relais qui reste coller par moment et je dois tapoter sur la carte pour le decollé.
On m'a conseillé le contacteur, ok cela fonctionnera mais il faut tout recabler et cela prend de la place.
Ma carte IPX coupe directement la phase d'alimentation de mes LEDS, du coup j'ai essayer un condo 220v en // et bien mes led clignote lorsque le relais est coupe.

Donc je tombe sur cette article, qu'elle type de diode pourrais-je mettre sur mon relais ? je brancherais en // de mon relais ou en serie sur ma phase ?

J'ai entendu parlé de varistance egalement ?


Merci

4 - martinm (Yocto-Team)Samedi 19 septembre 2015 7H48

philou15: il vous faut d'abord vérifier que vous n'avez pas dépassé le pouvoir de coupure des relais qui sont utilisés dans dans votre IPX 800V3, pour ça il faudrait savoir de quel relais il s'agit. Mais vu que se sont des relais 10A et des ampoules à LED c'est peu probable.

S'il s'agit d'un problème surtension, le plus raisonnable est probalement de changer de marque d'ampoule: un dispositif électrique n'est pas sensé induire des perturbations électriques sur le secteur.

Ceci-dit, vous pouvez essayer de filtrer vos surtensions de plusieurs manières:
- Avec un snubber (https://en.wikipedia.org/wiki/Snubber)

- Avec une diode TVS bidirectionnelle ou une varistance à mettre en parallèle avec l'ampoule, si possible au plus proche de l'ampoule. Les deux fonctionnent selon le même principe: ils deviennent passants au dessus d'une tension prédéterminée.

Attention, Lorsqu'une diode TVS meurt, elle a tendance à devenir définitivement passante, alors qu'un varistor lui devient définivement bloquant. Cela a une importance si vous ne voulez pas créer un court circuit en cas de panne.

5 - philou15 Samedi 03 octobre 2015 4H59

Changer de type de led, pas possible trop de led identique à remplacer en terme de cout.

Les relais de l'ipx sont
ZETTLER
AZ943-1CH- 12 De
http://www.azettler.com/pdfs/az943.pdf

J'ai demonter une ampoule 1 condo 100uf sur le primaire et un 6.8 sur le secondaire. Les collages sont aleatoire.
J'ai entendu parler de varistance mais mon niveau electronique etant proche de zero......
Auriez vous un exemple de varistance compatible ?

Circuit de LED 230V 9w.

Merci

6 - martinm (Yocto-Team)Samedi 03 octobre 2015 8H34

@philou15 : Contactez le support Yoctopuce, on va essayer de vous aider.

7 - vincenet Mardi 01 décembre 2015 17H08

Bonjour,
Ne faudrait-il pas une diode TVS unidirectionnelle pour dissipper l'énergie au plus vite ?
Je ne suis pas expert et j'essaie d'améliorer ma compréhension sur le sujet.
Salutations

8 - martinm (Yocto-Team)Mardi 01 décembre 2015 18H06

L'avantage de la diode bidrectionnelle, qu'elle vous protège dans les deux sens et que vous n'avez pas à vous demander dans quel sens la mettre :-)

Yoctopuce, get your stuff connected.