月: 2023年3月

Qu’est-ce qu’un relais de puissance ?

Les relais de puissance sont des composants de relais capables de transporter un courant d’environ 3 A ou plus.

Les relais peuvent être classés en deux grandes catégories : les relais à contact et les relais sans contact, et les relais de puissance sont des relais à contact. Les relais de puissance sont de construction robuste pour supporter des courants importants : ils sont censés supporter des courants plus importants que les relais de commande généraux.

En raison de leurs caractéristiques, les relais de puissance sont parfois utilisés comme circuits de sécurité en cas de courant anormalement élevé circulant dans un circuit.

Utilisations des relais de puissance

Les relais de puissance sont l’un des composants les plus utilisés dans l’industrie. Voici quelques exemples d’utilisations des relais de puissance :

• Circuits dans les panneaux solaires et leurs alimentations électriques.
• Pour piloter de grands robots motorisés.
• Pour la commande d’ascenseurs et de machines lourdes sur les chantiers de construction.
• Dans les installations de recharge, par exemple pour les véhicules électriques.
• Circuits principaux des voitures hybrides.

Principe des relais de puissance

Les relais de puissance sont constitués de bornes, de contacts et de bobines électromagnétiques.

1. Bornes

La borne est la partie qui se connecte au câblage. Dans de nombreux cas, le câblage est fixé au relais de puissance par soudure. Dans d’autres cas, le relais de puissance est monté sur un bloc de bornes et le câblage est connecté avec des bornes traitées avec des cosses rondes ou similaires.

2. Contacts

Les contacts sont des éléments moteurs qui fournissent un chemin pour l’électricité. Plus le courant appliqué est élevé, plus les contacts sont grands ou nombreux.

Pour réduire la résistance électrique, l’on utilise des alliages d’argent ou de l’or pour les contacts. Les alliages d’argent sont largement utilisés car ils présentent également une faible résistance électrique. L’or est plus résistant à l’oxydation que les alliages d’argent, mais son point de fusion est plus bas et il est plus cher, ce qui le rend adapté aux petites charges.

Les contacts des relais de puissance peuvent être mobiles ou fixes. Les contacts fixes sont solidement fixés au boîtier, par exemple. Les contacts mobiles sont entraînés par une bande de fer mobile qui entre en contact avec les contacts fixes pour conduire l’électricité.

3. Bobines électromagnétiques

Les bobines électromagnétiques sont des composants entraînés par des forces électromagnétiques pour entraîner la pièce de fer mobile. La bande de fer mobile possède un contact mobile mis en contact avec le contact fixe par la force électromagnétique de la bobine électromagnétique. Lorsque la bobine électromagnétique est hors tension, les contacts sont écartés ou mis en contact l’un avec l’autre par un ressort.

Types de relais de puissance

Les relais de puissance sont divisés en deux grandes catégories : les relais à courant continu et les relais à courant alternatif.

1. Relais de puissance à courant continu

Les relais de puissance à courant continu sont des relais de puissance dans lesquels la bobine est alimentée par un courant continu, qui résiste aux tensions inductives et présente l’avantage d’un fonctionnement stable même à basse tension. La bobine du relais est souvent connectée à une diode pour éviter le courant inverse.

Les normes comprennent 5 VDC, 12 VDC et 24 VDC et sont utilisées en fonction de l’utilisation. Une alimentation 24 V avec une tension plus élevée est utilisée lorsque la distance de transmission est longue ou lorsque les circuits de relais sont assemblés dans une armoire de commande. Pour les circuits antidéflagrants à sécurité intrinsèque, on utilise 12 V CC, 5 V CC, etc.

2. Relais de puissance à courant alternatif

Les relais de puissance alimentés en courant alternatif sont des relais de puissance dont les bobines sont alimentées par une alimentation en courant alternatif. L’alimentation commerciale est en courant alternatif et peut donc être utilisée directement. Cela présente l’avantage de ne pas nécessiter l’alimentation requise pour les versions en courant continu.

Les tensions de bobine utilisées sont de 100 V CA ou 200 V CA. Les circuits de commande de 400 V CA sont rarement utilisés en raison de la difficulté à respecter les distances d’isolement.

Autres informations sur les relais de puissance

Défaillance des relais de puissance

Les relais de puissance sont actionnés mécaniquement par des forces électromagnétiques et ont donc une durée de vie. La durée de vie en termes de cycles de fonctionnement est de plusieurs centaines de milliers. Si la durée de vie est dépassée ou si des chocs excessifs sont appliqués, les défaillances suivantes peuvent se produire

1. Déconnexion de la bobine
Cette défaillance se produit lorsque la bobine électromagnétique du relais de puissance est déconnectée. La rupture de la bobine rend tous les contacts inopérants. Ce défaut est relativement facile à détecter car il n’y a pas de bruit de fonctionnement des contacts.

2. Soudage
Ce défaut se produit lorsqu’un courant excessif traverse le relais de puissance, ce qui fait que les contacts se soudent et ne s’ouvrent pas. Le diagnostic s’effectue en activant et en désactivant le relais et en vérifiant la continuité des contacts.

3. Fonctionnement défectueux des contacts
Il s’agit d’un défaut où les contacts du relais sont effilochés ou encrassés et ne sont plus conducteurs d’électricité. Les contacts restent ouverts sans court-circuit. Diagnostiquer en vérifiant la continuité et la tension de la même manière que pour la soudure.

4. Court-circuit des bobines
Ce défaut se produit lorsque le vernis de la bobine électromagnétique se décolle, entraînant un court-circuit. Celui-ci est identifié lorsque l’alimentation de commande elle-même se déclenche lors de la mise sous tension de la bobine électromagnétique.

Comme les circuits de commande comportent souvent plusieurs relais de puissance connectés en parallèle, la détection du défaut peut prendre un certain temps.

Qu’est-ce qu’un moteur couple ?

Les moteurs couples sont des moteurs ayant un couple de démarrage élevé, qui diminue avec l’augmentation de la vitesse de rotation.

Ils se caractérisent par un fonctionnement stable sur une large plage de vitesse. Les moteurs couples peuvent atteindre des couples élevés, en particulier à faible vitesse. Ils sont donc adaptés à une utilisation dans les rouleaux et autres dispositifs d’enroulement.

Lors de l’enroulement, un couple faible et une vitesse élevée sont initialement nécessaires. Cependant, au fur et à mesure que l’enroulement progresse, le diamètre augmente, de sorte qu’un couple élevé et une vitesse faible sont finalement nécessaires. La similitude entre la courbe caractéristique vitesse-couple du côté de la charge et la courbe caractéristique du moteur-couple fait du moteur-couple un moteur adapté au bobinage.

Utilisations des moteurs couples

Les moteurs couples sont souvent incorporés dans des équipements permettant d’enrouler quelque chose à une vitesse constante. Les exemples incluent l’enroulement de matériaux en feuilles tels que le tissu, le papier ou le caoutchouc, ou de matériaux linéaires tels que les fils métalliques, les câbles ou les fils.

Les utilisations pour les rouleaux comprennent les rouleaux d’alimentation, la compensation des pertes pour divers rouleaux, les petites grues et les entraînements de convoyeurs à bande. Les moteurs couples conviennent également pour le serrage et le desserrage de vannes et de vis, l’ouverture et la fermeture de portes, etc. car ces applications nécessitent un couple de démarrage.

Principe des moteurs couples

Alors que la courbe caractéristique vitesse-couple des autres moteurs présente un pic à une vitesse spécifique, le moteur couple présente une courbe douce qui descend régulièrement vers la droite. Cette caractéristique est la caractéristique de statisme.

Les moteurs couples ont la caractéristique de diminuer le couple à mesure que la vitesse augmente, de manière à maintenir un équilibre entre le moteur et la charge. Lorsque la tension appliquée au moteur couple augmente, la courbe de la caractéristique de statisme se déplace vers une courbe avec une pente plus à droite proportionnellement au carré de la tension. Par conséquent, lorsqu’elle est utilisée en combinaison avec un régulateur de tension, la caractéristique de statisme peut être réglée en fonction de l’utilisation.

Si le couple de charge est constant, la vitesse de rotation peut également être modifiée en ajustant la tension appliquée. Le couple appliqué à un mouvement rotatif avec une vitesse angulaire constante est appelé couple statique. Les moteurs couples conviennent à des utilisations telles que les opérations de bobinage où un couple statique est nécessaire. Le couple de démarrage élevé signifie également que le courant de démarrage est faible, ce qui rend le moteur adapté aux opérations qui nécessitent des démarrages et des arrêts fréquents.

Autres informations sur les moteurs couples

Comment les moteurs couples sont utilisés comme freins

Afin de maintenir une tension constante dans le mécanisme d’enroulement, des réglages précis peuvent être effectués en utilisant un moteur couple non seulement du côté de l’enroulement mais aussi du côté du déroulement. Dans ce cas, les caractéristiques de freinage propres aux moteurs couples peuvent être utilisées. Les deux caractéristiques de freinage sont les suivantes

1. Freinage en phase inversée
La caractéristique de couple qui tourne dans le sens opposé à celui du champ magnétique rotatif causé par l’application d’une tension alternative est utilisée pour le freinage. L’utilisation de la caractéristique de freinage en phase inversée consiste à utiliser le couple lorsque le moteur-couple tourne dans le sens opposé avec un couple supérieur au couple au démarrage du moteur-couple.

Le moteur couple tourne dans le sens opposé à la force magnétique rotative tout en générant une force de freinage constante. Comme la force de freinage est générée à partir d’une vitesse de rotation nulle, ce moteur convient aux applications où une tension est nécessaire même à l’arrêt.

2. Frein à courant de Foucault
Le frein utilise les caractéristiques de couple d’un moteur tournant à l’arrêt en raison du champ magnétique généré par l’application d’une tension continue. Le frein à courants de Foucault utilise la même force de freinage dans les deux sens.

Lorsque la vitesse de rotation est nulle, la force de freinage est nulle. En revanche, lorsque la vitesse de rotation augmente, la force de freinage augmente également et se stabilise dans la plage des vitesses élevées. Cette caractéristique est utilisée lorsqu’une tension stable est requise à des vitesses élevées ou lorsqu’une tension est requise dans les sens avant et arrière.

Qu’est-ce qu’un module de diodes ?

Un module de diodes est un dispositif de redressement à semi-conducteur qui contrôle la conduction et l’interruption de l’électricité en arrangeant plusieurs diodes.

Les modules de diodes ont la caractéristique de pouvoir contrôler le flux de courant dans un seul sens dans un circuit électrique. Ils sont généralement incorporés en tant que composants de relais dans la conception de circuits.

Les éléments ayant un comportement similaire sont les thyristors et les triacs. Selon le processus que vous souhaitez mettre en œuvre, ces modules sont utilisés de différentes manières.

Utilisations des modules de diodes

Les modules de diodes sont des composants largement utilisés dans les produits industriels. Voici quelques exemples d’utilisations des modules de diodes :

• Alimentations pour moteurs à courant continu.
• Alimentations pour onduleurs.
• Unités de contrôle pour la charge et la décharge des batteries.
• A l’intérieur des alimentations.

Les diodes sont largement utilisées à l’intérieur des alimentations en courant continu : elles permettent au courant provenant d’une alimentation en courant alternatif d’être prélevé dans une seule direction. Associées à un condensateur de lissage ou similaire, elles permettent de convertir le courant alternatif en courant continu.

Principe du module de diodes

Pour comprendre le principe du module de diodes, il est nécessaire de comprendre la structure de la diode. La structure interne d’une diode est constituée de couches alternées de semi-conducteurs de type n et p, qui conduisent lorsqu’une tension est appliquée du côté de l’anode vers le côté de la cathode. En revanche, si une tension est appliquée dans la direction opposée, les semi-conducteurs internes de type n et p éloignent la charge l’un de l’autre et aucun courant ne circule.

Cette caractéristique permet d’utiliser la diode comme un élément de régulation du grain dans lequel l’électricité circule dans un seul sens.

Types de modules de diodes

Il existe différents types de diodes, en fonction de leurs propriétés.

1. Diodes de redressement

Ces diodes redressent le courant alternatif entrant. Elles sont également appelées diodes au silicium. Elles sont utilisées dans les circuits de puissance et de protection, en utilisant la propriété de l’électricité de circuler dans un seul sens.

Un exemple bien connu est un pont de diodes composé de quatre diodes de redressement.

 2. Diodes de détection

Diodes qui extraient les signaux sonores des ondes radio en utilisant la propriété d’une faible chute de tension directe dans la plage des faibles courants (environ 0,1 mA). Elles sont utilisées dans les communications radio et autres communications vocales.

Dans le passé, on utilisait souvent des diodes au germanium. Cependant, comme elles sont très chères, elles sont aujourd’hui remplacées par des diodes à barrière Schottky.

3. Diodes à tension constante

Une diode dans laquelle la tension est toujours constante, même lorsque le courant change. Également appelée diode Zener. Elles sont utilisées dans les circuits de protection contre les surtensions, en utilisant le phénomène de Zener. L’électricité y circule à une tension constante lorsqu’une tension est appliquée dans la direction opposée.

4. Photodiodes

Ces diodes utilisent la propriété du courant et de la tension générés lorsque la lumière est reçue à la jonction PN. Elles sont utilisées dans les capteurs photoélectriques et les communications optiques.

Elles sont parfois utilisées dans les cellules solaires, dans les dispositifs qui lisent la lumière laser réfléchie par les surfaces inégales des DVD et dans la partie réceptrice des télécommandes de télévision.

5. Diodes à courant constant

Une diode qui conduit un courant constant lorsque la tension se situe dans une plage prédéterminée. Elle risque d’être endommagée si la tension appliquée est supérieure à la valeur prescrite. Elles sont utilisées dans les circuits de charge et de décharge des batteries et dans les disjoncteurs de fuite.

Autres informations sur les modules de diodes

1. Structure interne d’un thyristor

Le thyristor est un composant semi-conducteur auquel on a ajouté une électrode de grille : une borne de grille est ajoutée à la partie semi-conductrice de type p, et le module conduit lorsqu’une polarisation positive est appliquée du côté de l’anode au côté de la cathode dans le circuit et qu’un courant de grille circule.

Une fois que le courant de grille circule, le module maintient la conduction jusqu’à la prochaine fois que la polarisation entre le côté anode et le côté cathode devient négative ou que le courant de grille devient nul.

De plus, les thyristors ne peuvent fonctionner qu’avec une polarisation dans un sens. Si l’on souhaite fonctionner contre une polarisation dans les deux sens, on utilise un triac avec une structure de thyristor installée dans les deux sens.

2. Différences entre les modules de diodes et les modules de puissance

Comme les diodes, les modules de puissance sont des éléments utilisés dans les circuits de puissance. Les modules de puissance effectuent également des opérations de commutation et de redressement, mais ils se caractérisent par leur utilisation dans des produits nécessitant une tension et une puissance élevées.

Un exemple familier est l’onduleur qui contrôle la vitesse d’un moteur, par exemple dans les chemins de fer. L’amélioration de l’efficacité des dispositifs de puissance qui gèrent des tensions et des puissances élevées fait l’objet d’une attention mondiale en tant que moyen d’économiser de l’énergie.

Qu’est-ce qu’un dissipateur thermique ?

Un dissipateur thermique est un composant fixé à un appareil à des fins de refroidissement. Il est principalement utilisé dans les équipements électroniques pour éviter les hausses de température excessives. Également appelé dissipateur de chaleur.

Son principe est très simple et sa structure ne nécessite pas d’action physique. Il est donc moins sujet aux pannes.

Utilisations des dissipateurs thermiques

Les dissipateurs thermiques sont combinés avec des composants électroniques qui génèrent de la chaleur. Un exemple typique est le refroidissement de l’unité centrale des ordinateurs personnels.

Les composants électroniques tels que les unités centrales de traitement utilisent des semi-conducteurs et des conducteurs à l’intérieur. Ces pièces génèrent constamment de la chaleur pendant leur fonctionnement. Si cette chaleur n’est pas contrôlée, la température à l’intérieur des produits électroniques augmente, faisant fondre le vernis environnant et brûlant les composants semi-conducteurs. Dissiper ces pièces génératrices de chaleur à l’aide d’un dissipateur thermique évite les défaillances dues à la surchauffe.

Dans une unité centrale normale, un dissipateur thermique est installé puis refroidi à l’aide d’un ventilateur. L’on parle alors d’un ensemble de refroidisseurs d’unité centrale.

Principe des dissipateurs thermiques

Un dissipateur thermique est constitué de métal disposé selon une structure en peigne. Les sections du peigne sont appelées des ailettes, et la forme du peigne augmente la surface et améliore les performances de dissipation de la chaleur. Le principe des dissipateurs thermiques est la deuxième loi de la thermodynamique. Il s’agit du principe extrêmement simple selon lequel la chaleur circule toujours des matériaux chauds vers les matériaux froids.

Par conséquent, si un dissipateur thermique fonctionne seul, il ne peut pas être abaissé en dessous de la température atmosphérique. Ils sont donc utilisés pour les petits composants électroniques et les équipements dont la température de résistance à la chaleur est élevée. L’efficacité du refroidissement peut être améliorée en utilisant une circulation forcée avec un ventilateur ou une pompe en conjonction avec le dissipateur thermique.

Si la production de chaleur est importante, il convient d’utiliser des dispositifs ayant une efficacité de refroidissement encore plus élevée, tels que des éléments Peltier ou des pompes à chaleur.

Autres informations sur les dissipateurs thermiques

1. Performances des dissipateurs thermiques

Les performances d’un dissipateur thermiques sont principalement indiquées par sa “résistance thermique”. La résistance thermique est une valeur qui indique la difficulté de transfert de la température et signifie “combien de degrés la température augmente lorsqu’un watt de chaleur est appliqué à un objet”. Les unités de résistance thermique sont “K/W” ou “°C/W”.

La résistance thermique dépend de la surface du dissipateur thermique et du matériau utilisé, les valeurs les plus petites étant les plus performantes. Les grandes surfaces réduisent le plus efficacement la résistance thermique, c’est pourquoi les dissipateur thermique sont conçus en forme de peigne ou de soufflet.

Une autre valeur qui indique les performances d’un dissipateur thermique est la perte de charge. La perte de charge est la résistance de l’air ou de l’eau de refroidissement à travers le dissipateur thermique : plus la valeur est faible, plus les performances sont élevées.

2. Matériau du dissipateur thermique

Les dissipateurs thermiques sont constitués de métaux à forte conductivité thermique. L’on utilise des matériaux en cuivre tels que les alliages d’aluminium, le laiton et le bronze, ou des métaux tels que l’argent et le fer. Le cuivre est le meilleur conducteur thermique mais il est lourd et cher. Par conséquent, il est rarement utilisé comme matériau pour les dissipateurs thermiques.

En revanche, l’aluminium est léger et peu coûteux. L’aluminium possède également de grandes propriétés de dissipation de la chaleur, ce qui le rend plus adapté que le cuivre dans certains environnements à faible débit d’air.

L’aluminium est le principal matériau utilisé pour les dissipateurs thermiques. D’autres matériaux sont envisagés lorsque l’aluminium ne répond pas aux spécifications requises.

Qu’est-ce qu’un module IGBT ?

Un module IGBT est un module hautement intégré qui combine plusieurs IGBT, transistors bipolaires à porte isolée, en un seul module.

Les IGBT ont été inventés au Japon à la fin de la période Showa (1926-1989). Ils combinent les avantages du transistor bipolaire à contrôle de courant de base traditionnellement utilisé et du transistor à effet de champ (FET) à contrôle de tension de grille, dont les faiblesses ont été améliorées, avec des structures de dispositifs et des innovations de processus.

Initialement appelés transistors bipolaires à grille isolée, ils ont ensuite été appelés IGBT, acronyme de “Insulated Gate Bipolar Transistor” (transistor bipolaire à grille isolée).

Utilisations des modules IGBT

Aujourd’hui, l’on parle de technologie de l’électronique de puissance. A l’époque, les IGBT étaient une technologie mondiale réservée aux spécialistesr. Cependant, avec l’introduction des onduleurs, technologie de conversion de l’énergie en économie, dans les appareils électriques tels que les climatiseurs à onduleur et le développement de modules compacts à haut rendement pour les composants, les applications des modules IGBT qui y sont logés se sont étendues de manière spectaculaire, en particulier dans les produits de grande puissance.

Aujourd’hui, il est bien connu que les IGBT et leurs modules sont couramment utilisés dans les produits qui requièrent de grandes quantités d’énergie.

Principe des modules IGBT

L’IGBT est un semi-conducteur de puissance qui a fait date, créé par le Japon, qui utilise une structure de transistor bipolaire classique pour les parties où circule un courant important. Il commute la partie de base, qui est la partie de contrôle du bipolaire, sur une structure de circuit de grille FET. Elle était utilisée auparavant uniquement dans les circuits de signal pour les systèmes de faible puissance et capable d’un contrôle à grande vitesse avec de faibles pertes. Le module IGBT est un module compact à haute fonctionnalité contenant plusieurs IGBT, y compris des diodes pour les circuits de protection et des circuits intégrés pour les circuits de commande.

Les IGBT existent également sous forme de composants discrets. Il est possible de construire un circuit similaire à celui d’un module en tant que composant unique. Cependant, lorsqu’un circuit est construit comme un élément unique, la taille de la carte est généralement plus de deux fois supérieure à celle d’un module. L’on craint que le câblage de la carte n’entraîne des retards de signal, de l’instabilité et d’autres dysfonctionnements, ce qui pose un certain nombre de problèmes à l’utilisateur.

En revanche, la modularisation permet un montage à haute densité du câblage et une fiabilité grâce à une meilleure dissipation de la chaleur. Aussi, il est relativement facile pour les utilisateurs d’appliquer les IGBT à leurs propres produits. C’est là le principal avantage de l’utilisation de modules IGBT plutôt que d’IGBT seuls.

Un exemple pratique de module IGBT est celui d’un module contenant six IGBT et entraînant un moteur sans balai grand public. Le module se caractérise par le fait que son boîtier est rempli d’un matériau isolant et que le câblage à l’intérieur du module est aussi court et épais que possible afin de réduire les pertes électriques.

Un dissipateur thermique est également ajouté. Cela permet aux IGBT de fonctionner avec des pertes nettement plus faibles et une dissipation thermique plus élevée que lorsqu’ils sont montés sur une carte en tant qu’unité unique. Ainsi, la modularisation des IGBT permet à la fois un fonctionnement à haut rendement et un équipement plus petit par rapport aux composants individuels.

Autres informations sur les modules IGBT

Évolution du module IGBT (IPM)

Les modules IGBT sont désormais également connus sous le nom d’IPM (Intelligent Power Modules) et contiennent des pilotes haute tension qui étaient auparavant externes aux IGBT. Afin d’améliorer encore les performances et la fonctionnalité des modules conventionnels qui intègrent plusieurs IGBT dans un seul boîtier, les modules IGBT sont souvent appelés IPM. Ils intègrent des circuits intégrés de pilotage spécifiques aux IGBT et divers circuits de protection contre les surintensités avec les IGBT, ainsi que des mesures compactes de dissipation de la chaleur.

L’IPM est un domaine dans lequel le Japon, créateur des IGBT, est le premier au monde en tant que technologie dans laquelle il excelle. Le domaine de l’électronique de puissance utilisant de nouveaux matériaux semi-conducteurs tels que le SiC et le GaN, qui sont des semi-conducteurs à large bande interdite, a également connu un essor récent. Il existe un mouvement visant à remplacer les IGBT sur des substrats en Si par des SiC-MOSFET et des GaN-FET ayant des propriétés encore meilleures, comme le montre le secteur des véhicules électriques tels que les EV. L’on observe également une tendance à remplacer les IGBT sur des substrats en Si par des SiC-MOSFET et des GaN-FET, dont les propriétés sont encore meilleures, comme dans le secteur des VE et autres véhicules électriques.

Toutefois, ces nouveaux substrats de matériaux semi-conducteurs ne sont pas encore comparables aux substrats en silicium en termes de taille des plaquettes, de coût et de capacité de fabrication, de sorte que pour l’instant, les dispositifs et les modules continueront d’être séparés en termes d’applications de produits.