Types de relais électromécaniques à connaître

Le relais électromécanique (EMR) est l'un des composants les plus répandus et les plus mal compris dans les applications industrielles et la conception de circuits. S'ils semblent être de simples interrupteurs marche/arrêt, la réalité est bien plus complexe. De la composition microscopique des alliages de contact à l'architecture macroscopique du montage sur rail DIN, le choix du mauvais composant parmi la myriade de types de relais électromécaniques peut s'avérer désastreux, entraînant le soudage des contacts, l'épuisement de la bobine et la dégradation du signal.

Ce blog fournit un aperçu technique et approfondi de la classification, de la mécanique interne et du processus de sélection des différents types de relais. Au-delà des simples définitions, nous offrons des conseils pratiques d'ingénierie pour garantir que vos lignes de fabrication et vos systèmes d'automatisation fonctionnent avec une fiabilité maximale.

Comprendre le mécanisme de base : le fonctionnement des DME

Pour comprendre les différences entre les types de relais, il est nécessaire de saisir le mécanisme commun qu'ils partagent. À la base, un relais électromécanique standard est un dispositif qui utilise les lois physiques de l'électromagnétisme pour convertir un signal électrique en une action de commutation mécanique. Cette isolation galvanique entre le circuit de commande (faible puissance) et le circuit de charge (forte puissance) a rendu ces dispositifs indispensables.

Le mécanisme est basé sur les quatre éléments principaux qui fonctionnent ensemble :

1. La bobine : Fil de cuivre enroulé autour d'un noyau. Il produit un champ électromagnétique élevé lorsqu'il est traversé par un courant.
2. L'armature : Il s'agit d'une armature faite de matériaux ferreux qui est attirée vers le centre de la bobine lorsque le champ magnétique est généré.
3. Le printemps du retour : Un composant de tension qui ramène l'armature à sa position initiale une fois que le courant vers la bobine est coupé.
4. Les contacts : Ensemble de contacts formés par des surfaces métalliques conductrices qui se touchent physiquement (création) ou se séparent (rupture) pour compléter le circuit.

Le défi de l'ingénierie : l'hystérésis

Quel que soit le type de relais électromécanique choisi, le concept d'hystérésis doit être connu. La tension nécessaire pour faire entrer l'induit (tension d'amorçage) est toujours supérieure à la tension nécessaire pour le faire sortir (tension de retombée). Cette inertie mécanique permet d'éviter le cliquetis et constitue l'un des principaux facteurs garantissant la stabilité.

Taxonomie structurelle et logique : Au-delà de l'essentiel

Les types de relais électromécaniques sont généralement classés en fonction de leur conception physique et de leur philosophie de contrôle. Ces variations structurelles déterminent la durée de vie, la vitesse et la capacité du composant à fonctionner dans certaines conditions environnementales.

Relais à armature et relais à lames

Relais à armature (la norme industrielle) :

Parmi les types de relais les plus courants dans les applications industrielles lourdes, ceux-ci sont les plus robustes. Ils utilisent une armature articulée pour déplacer les contacts. Leur construction robuste leur permet de fonctionner avec des courants importants (de 5 à plus de 100 A).

Relais Reed (Précision et la vitesse) :

Contrairement aux types d'armatures plus courants, ces types de relais électromécaniques sont constitués de deux lames ferromagnétiques (anches) scellées dans une capsule de verre.

• Pour : Il est très rapide à changer, il ne s'oxyde pas (grâce au gaz inerte) et sa durée de vie mécanique est très longue.
• Cons : Capacités de transport de courant extrêmement faibles. Ils peuvent être affectés par le soudage par contact en cas de courants d'appel (par exemple, charges capacitives).

Logique monostable et logique à verrouillage

Relais monostables (sans verrouillage) :

Il s'agit du réglage par défaut. Lorsque la bobine est alimentée, le relais est uniquement actif. Les contacts seront ramenés à leur position par défaut par le ressort en cas de perte de puissance (Fail-Safe). Cette fonction est requise dans les circuits de sécurité, par exemple dans un système d'arrêt d'urgence où le circuit est censé s'ouvrir en cas de perte d'alimentation.

Relais à verrouillage (bistable) :

Les relais à verrouillage utilisent un aimant permanent ou un mécanisme de verrouillage mécanique pour maintenir la position du contact. après la bobine n'est plus alimentée. Ils nécessitent une impulsion pour être activés et une seconde impulsion (ou une inversion de polarité) pour être réinitialisés.

• Application : Elles sont idéales pour les applications sensibles à l'énergie ou les fonctions de mémoire dont l'état doit être maintenu en cas de coupure de courant. En revanche, ils ne conviennent pas aux applications critiques en matière de sécurité, car ils ne se réinitialisent pas automatiquement (sécurité intégrée) en cas de coupure de courant.

Catégorisation par configuration d'interrupteur : Pôles et lancers

Vous rencontrerez la terminologie des “pôles” et des “lancers” lorsque vous consulterez une liste des types de relais électromécaniques.

• SPST (Single Pole, Single Throw) : Le plus basique. Il possède quatre bornes et c'est un simple interrupteur marche-arrêt. Il est communément appelé forme A (normalement ouvert) ou forme B (normalement fermé).
• SPDT (Single Pole, Double Throw) : Un commutateur. Il possède une borne commune reliée à l'une des sorties au repos et à l'autre en activité. Il est nécessaire pour alterner entre deux sources d'alimentation ou deux indicateurs d'état.
• DPDT (Double Pole, Double Throw) : Il s'agit en fait de deux interrupteurs SPDT actionnés par une seule bobine. C'est le standard de l'industrie du circuit d'inversion de moteur (inversion de la polarité) ou de l'isolation de la tension et du neutre simultanément.
• 4PDT (Four Pole, Double Throw) : Ceci est appliqué dans les panneaux de contrôle industriels où un seul signal est nécessaire pour activer simultanément un certain nombre d'indicateurs indépendants, d'alarmes et de circuits de contrôle secondaires.

Catégories et types de protection spécifiques à l'industrie

Outre la structure physique, les types de relais électromécaniques sont également conçus pour s'adapter à certaines applications et à certains profils de charge.

Relais d'usage général, de puissance et de signalisation

1. Relais de signalisation : Faible tension et faible courant (généralement inférieur à 2A). Ils jouent un rôle important à de faibles niveaux d'énergie (courant de mouillage) pour garantir l'intégrité des données dans les télécommunications et l'instrumentation, ainsi que la fiabilité des contacts.
2. Relais à usage général : Les relais intermédiaires ont généralement une plage de 5 à 10 A. Ils sont utilisés dans de nombreuses applications industrielles, dans les systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation, dans les appareils électroménagers et dans la logique d'automatisation simple.
3. Relais de puissance : Conçus pour supporter des courants d'appel élevés et des charges inductives, généralement entre 20 et 80 A. Leurs espaces de contact sont plus grands pour éviter les arcs électriques qui se produisent lors de la commutation de moteurs lourds ou d'appareils de chauffage.

Variantes protectrices et thermiques spécialisées

• Relais (de sécurité) guidés par la force : Dans ce type d'appareil, les contacts sont reliés entre eux mécaniquement. Lorsqu'un contact normalement ouvert (NO) se ferme, le contact normalement fermé (NC) ne peut pas se fermer. Cette assurance mécanique doit être présente sur les modules de sécurité et les circuits d'arrêt d'urgence.
• Relais de surcharge thermique : Il ne s'agit pas de relais de commutation au sens habituel du terme, mais de dispositifs de protection. Ils utilisent un bilame qui se plie lorsqu'il est surchauffé par un courant excessif et qui a une action mécanique de coupure du circuit pour éviter de brûler les moteurs.

Science des matériaux de contact : Adapter les alliages à des charges spécifiques

Il s'agit probablement de l'élément le moins pris en compte lors de la sélection des relais. La durée de vie d'un relais sera de 10 ans ou de 10 minutes en fonction du contenu du contact. Les ingénieurs sont censés aligner l'alliage sur le type de charge (résistive, inductive ou capacitive).

Les caractéristiques de performance des matériaux de contact les plus courants sont résumées dans le tableau ci-dessous :

Note : Pour les environnements industriels où les moteurs et les solénoïdes sont courants, AgSnO2 est généralement le meilleur choix en termes de longévité.

Architectures de montage et étanchéité environnementale

La façon dont un relais est physiquement intégré dans un système affecte les protocoles de maintenance et la résistance à l'environnement.

Systèmes de circuits imprimés, de prises et de rails DIN

• PCB Le montage : Soudé directement sur la carte. Cela permet d'économiser de l'espace et de l'argent, mais il est difficile de le remplacer.
• Plug-in / Socket Mount : Le relais se branche sur une base. Ce sont les systèmes les plus importants qui nécessitent une rapidité d'entretien. Lorsqu'un relais se casse, il est possible de le remplacer en quelques secondes sans fer à souder.
• Montage sur rail DIN : L'armoire de commande industrielle standard. Ces unités modulaires combinent souvent le relais, la prise et l'indicateur LED en un seul module d'interface, ce qui simplifie le câblage du panneau.

Niveaux d'étanchéité : De l'étanchéité au flux à l'hermétisme

Les classifications des emballages sont généralement conformes à la norme IEC 61810 :

• RT I (Protégé contre la poussière) : Boîtier standard, non étanche.
• RT II (épreuve de flux) : Résiste au flux de soudure mais ne peut être lavé.
• RT III (Wash Tight) : Scellé contre les processus de lavage (équivalent IP67). Important pour les PCB qui sont nettoyés dans l'eau.

Relais électromécaniques et relais à semi-conducteurs : Une comparaison critique

La question la plus difficile à laquelle les ingénieurs doivent répondre est de savoir s'il faut utiliser un relais électromécanique (EMR) ou un relais statique (SSR).

Le tableau suivant présente les compromis essentiels entre ces deux technologies :

Le verdict : Les relais SSR doivent être utilisés pour la commande à grande vitesse et à cycle élevé de PID (tels que les éléments chauffants). Sécurité générale, commutation de moteur et applications nécessitant un flux de courant absolument nul Utilisez des relais EMR.

Guide étape par étape pour sélectionner le relais adéquat

Le choix du relais approprié est un processus d'élimination qui implique la restriction de la charge et l'environnement.

Facteurs critiques dans le processus de sélection

1. Définir le type de charge : S'agit-il d'un chauffage (résistif) ou d'un moteur (inductif) ? Une charge inductive produit une énorme pointe de “Back EMF” lorsqu'elle est éteinte, ce qui peut provoquer un arc électrique sur les contacts. Vous devez déclasser le relais ou en choisir un conçu pour les charges inductives (catégories AC-15 et AC-1).
2. Vérifier le courant d'appel : Les blocs d'alimentation des LED peuvent tirer 100 fois leur courant nominal pendant une microseconde. Assurez-vous que le matériau de contact du relais (de préférence AgSnO2) peut supporter cette surtension sans se souder.
3. Tension de la bobine & Environnement: La bobine correspond-elle à la tension de commande (12VDC, 24VDC, 230VAC) ? La température ambiante se situe-t-elle dans la plage de fonctionnement du relais ?

L'avantage OMCH : Ingénierie de précision pour la fiabilité industrielle

Les spécifications sont pertinentes, mais la qualité du composant produit est la dernière variable de l'équation de la fiabilité. Une panne d'automatisation dans l'industrie peut être comparée à un temps d'arrêt qui peut être comparé à une perte de revenus.

OMCH a relevé ces défis industriels depuis 1986. En tant que fabricant complet de pièces d'automatisation industrielle, OMCH va au-delà de la qualité standard “sur étagère” en adhérant à une philosophie de fiabilité technique.

• Intégrité matérielle : Les relais OMCH utilisent des AgSnO2 qui sont spécifiquement conçus pour résister à l'arc et au soudage des charges industrielles inductives.
• Cohérence via l'automatisation : L'OMCH possède 7 lignes de production modernisées et une usine de 8000 mètres carrés qui élimine la variabilité de l'assemblage manuel. Les relais sont très cohérents et sont soutenus par le système de gestion de la qualité de l'entreprise. ISO9001, Normes CCC, CE et RoHS.
• À l'échelle du système Compatibilité: L'OMCH compte plus de 3 000 UGS, La gamme de produits comprend des relais et des capteurs, des alimentations et des systèmes pneumatiques, ce qui permet de disposer d'une solution “tout-en-un”. Cela garantit que votre relais correspond parfaitement à votre alimentation sur rail DIN et à la logique de votre capteur, ce qui simplifie la chaîne d'approvisionnement et de compatibilité.
• Soutien mondial : L'OMCH dispose de l'appui technique et logistique nécessaire pour soutenir les projets internationaux qui opèrent dans les pays suivants plus de 100 pays et une équipe d'intervention technique 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7.

Lorsque vous choisissez un composant OMCH, vous n'achetez pas seulement un interrupteur, vous investissez dans un héritage de 40 ans de stabilité industrielle.

Liste de contrôle rapide pour les ingénieurs

Avant de finaliser votre nomenclature, vérifiez les points suivants :

• [ ] Catégorie de charge : Ai-je pris en compte le rebond inductif ? (Envisager l'ajout d'une diode ou d'un varistor de rebond).
• [ ] Matériau de contact : Ce moteur/LED nécessite-t-il de l'AgNi ou de l'AgSnO2 ?
• [ ] Tension de la bobine : Son alimentation est-elle régulée ? (Les relais ont une fenêtre de tolérance).
• [ ] Montage : Ai-je besoin d'une douille pour pouvoir la remplacer facilement à l'avenir ?
• [ ] Certification : Le projet nécessite-t-il des composants répertoriés UL/CE/CCC ?

Grâce à cette taxonomie et à ce schéma de sélection, les ingénieurs seront en mesure de faire de ce que l'on appelle un humble relais la partie la plus solide de leur chaîne d'automatisation.