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
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.
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...
..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
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
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
Un banc de torture pour relais
L'expérience complète
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.
