Comment choisir un relais : électroméc., Reed, SSR ou FET

Les relais électromécaniques sont peut-être les relais les plus utilisés aujourd’hui dans les applications ATE. Ils sont faits d'une bobine, d'un mécanisme d'armature et de contacts électriques. Lorsque la bobine est sous tension, le champ magnétique induit déplace l'armature qui ouvre ou ferme les contacts. Voir la figure 1.

^{Figure 1 : Relais électromécaniques : Le courant à travers la bobine crée un champ magnétique qui déplace l'armature entre les contacts}

Les relais électromécaniques supportent une large gamme de caractéristiques de signaux, de la basse tension/courant à la haute tension/courant et des fréquences CC à GHz. Pour cette raison, vous pouvez presque toujours trouver un relais électromécanique avec des caractéristiques de signal qui correspondent à des exigences système données. Le circuit de commande des relais électromécaniques est isolé galvaniquement des contacts du relais, et les contacts eux-mêmes sont également isolés les uns des autres. Cette isolation fait des relais électromécaniques un excellent choix pour les situations où une isolation galvanique est requise.

Les contacts des relais électromécaniques ont tendance à être plus grands et plus robustes que certains autres types de relais. Les contacts plus grands leur donnent la capacité de supporter des courants de surtension inattendus causés par des capacités parasites présentes dans votre circuit, câbles, etc. Un compromis fâcheux, cependant, est que les contacts plus grands nécessitent des tailles d'emballage plus grandes de sorte qu'ils ne peuvent pas être placés aussi densément sur un module de commutation.

Bien que la construction mécanique des relais électromécaniques offre une grande flexibilité dans la capacité de commutation, ils ont une limite importante : la vitesse. Comparés aux autres relais, les relais électromécaniques sont des dispositifs relativement lents -- les modèles typiques peuvent commuter et se stabiliser en 5 à 15 ms. Cette vitesse de fonctionnement peut être trop lente pour certaines applications.

Les relais électromécaniques ont généralement une durée de vie mécanique plus courte que les autres types. Les progrès technologiques ont augmenté leur durée de vie mécanique, mais les relais électromécaniques n’ont toujours pas autant d’actionnements possibles qu’un relais Reed comparable. Comme pour tout relais, la quantité de puissance commutée et d’autres considérations relatives au système peuvent avoir un impact significatif sur la durée de vie globale du relais. En fait, la durée de vie mécanique d’un relais électromécanique peut être plus petite que celle d’un relais Reed, mais sa durée de vie électrique sous une charge similaire (en particulier une charge capacitive) peut diminuer à une vitesse beaucoup plus lente que celle d’un relais Reed. Les contacts plus grands et plus robustes d’un relais électromécanique peuvent souvent survivre à un relais Reed comparable.

Les relais électromécaniques sont disponibles dans les variétés d’armement et de non-armement. Les relais sans verrouillage nécessitent un flux de courant continu à travers la bobine pour maintenir le relais activé. Ceux-ci sont souvent utilisés dans les applications où le relais doit repasser à un état sûr en cas de panne de courant. Les relais d'armement utilisent des aimants permanents pour maintenir l'armature dans sa position actuelle, même après le retrait du courant d'entraînement de la bobine. Pour les applications à très basse tension, les relais d’armement sont préférables car le manque de chauffage de la bobine minimise la force électromotrice thermique (CEM) qui peut affecter vos mesures.

Les relais électromécaniques sont utilisés dans une grande variété de modules de commutation. Leur robustesse les rend bien adaptés à de nombreuses applications, en particulier lorsque la vitesse de commutation n’est pas la plus grande préoccupation, et leur polyvalence signifie que vous pouvez les utiliser sur tous les types de configurations de commutation, y compris les multiplexeurs à usage général et les matrices.

Les relais Reed, comme les relais électromécaniques, ont des contacts physiques qui sont actionnés mécaniquement pour ouvrir/fermer un chemin. Pour les relais Reed, cependant, les contacts sont beaucoup plus petits et de masse inférieure à ceux utilisés dans les relais électromécaniques. Les relais reed secs sont constitués de bobines enroulées autour de commutateurs reed. Le commutateur Reed est composé de deux lames ferromagnétiques superposées (appelées roseaux) hermétiquement scellées dans une capsule de verre remplie d’un gaz inerte. Les roseaux ont des contacts sur leurs extrémités qui se chevauchent. Lorsque la bobine est sous tension, les deux anches sont rapprochées de sorte que leurs contacts effectuent un chemin à travers le relais. Lorsque la bobine est hors tension, la force du ressort dans les anches écarte les contacts. Voir la Figure 2.

^{Figure 2 : Relais Reed sec : Le courant à travers la bobine crée un champ magnétique qui rapproche les deux contacts Reed.}

En raison des contacts plus petits et moins massifs et du mécanisme d’actionnement différent, un relais Reed peut commuter environ 10 fois plus vite qu’un relais électromécanique avec des spécifications équivalentes. La durée de vie mécanique des relais Reed est également beaucoup plus élevée qu’un relais électromécanique. Le compromis, cependant, est que les contacts plus petits sur le relais Reed le rendent beaucoup plus sensible aux dommages causés par l'arc lors de la fermeture d'un circuit. Lorsqu'un arc saute à travers les contacts, il peut faire fondre une petite section de la surface de contact. Si les contacts sont encore fermés lorsque la section en fusion se resolidifie, ils peuvent se souder. La force du ressort dans les anches est souvent insuffisante pour briser mécaniquement la soudure après la coupure du courant d'entraînement, ce qui rend le relais inutilisable. Les relais électromécaniques peuvent également être endommagés par l'arc, mais l'énergie nécessaire pour provoquer cela est beaucoup plus élevée.

Étant donné que les relais Reed sont si sensibles aux dommages par contact, les courants d’appel de la capacité du système peuvent être particulièrement dangereux. Les courants d’appel peuvent être contrôlés avec une impédance série, telle qu’une résistance ou une ferrite, entre le relais et la capacité. Toute capacité du système peut contribuer aux courants d’appel, que ce soit dans un matériel sous test réactif ou à partir d’un câble blindé.

Les matériaux ferromagnétiques à partir desquels les relais Reed sont construits font qu’ils ont un CEM thermique plus élevé qu’un relais électromécanique équivalent. Les relais Reed ne sont donc pas idéaux pour les applications à très basse tension car leur CEM thermique peut introduire suffisamment de bruit pour provoquer des erreurs dans vos mesures.

La petite taille et la grande vitesse du relais Reed en font un excellent choix pour de nombreuses applications de commutation. Les relais Reed se trouvent plus souvent sur les modules matrice et multiplexeur que sur les modules à usage général.

Les SSR sont construits à l’aide d’un dispositif MOSFET photosensible avec une LED pour actionner le dispositif. Voir Figure 3.

^{Figure 3 : Relais statique (SSR) : La lumière du voyant encapsulé actionne le MOSFET photosensible et permet au courant de le traverser.}

Les SSR sont une alternative plus rapide aux relais électromécaniques car leur temps de commutation dépend du temps nécessaire pour allumer et éteindre la LED - environ 1 ms et 0,5 ms respectivement. En l’absence de pièces mécaniques, leur durée de vie est supérieure à celle d’un relais électromécanique ou Reed.

Les SSR sont utiles dans les applications haute tension car l’activation du voyant fournit une barrière d’isolation galvanique entre le circuit de commande et le MOSFET. Cependant, étant donné que le MOSFET effectue la commutation, il n’y a aucune barrière galvanique entre ses contacts. Lorsqu’il n’y a pas de commande de grille sur le MOSFET, la voie drain-source du MOSFET présente une résistance très élevée, ce qui assure la déconnexion entre les contacts.

Comme la connexion se fait via un transistor au lieu de métal physique comme dans les relais électromécaniques et Reed, la résistance de contact pour un SSR est plus grande. Bien que les améliorations technologiques améliorent continuellement la résistance de contact des SSR, il n’est pas rare de les trouver en production aujourd’hui avec des résistances de 100 Ohms ou plus.

Les SSR ne sont pas aussi robustes que les relais électromécaniques. Tout comme les relais Reed, ils sont très sensibles aux courants de surtension et aux dommages lorsqu’ils sont utilisés à des niveaux de signal supérieurs à leur niveau nominal. Bien qu'il n'y ait pas de contacts métalliques à souder, des dommages au MOSFET peuvent rendre le relais inutilisable.Les RSS sont courants sur les matrices et les multiplexeurs. 

Tout comme les SSR, les commutateurs FET ne sont pas des dispositifs mécaniques. Les commutateurs FET utilisent une série de transistors CMOS pour implémenter la commutation. Contrairement aux SSR, le circuit de commande contrôle directement les grilles des transistors au lieu de contrôler un voyant. Le contrôle direct de la grille du transistor permet de bénéficier de vitesses de commutation beaucoup plus rapides car le temps nécessaire pour allumer et éteindre le voyant n’est pas un problème. En général, les commutateurs FET sont les plus rapides des commutateurs discutés ici. En outre, comme ils ne contiennent pas de pièces mécaniques ou de voyant dans l’emballage, les commutateurs FET peuvent être très petits. L’un des principaux inconvénients du commutateur FET, cependant, réside dans le fait qu’il ne dispose pas de barrière d’isolation physique, de sorte que vous ne pouvez l’utiliser qu’avec des signaux basse tension.

Comme ils sont basés sur le FET, les commutateurs FET partagent de nombreux avantages et inconvénients des SSR. Par exemple, ils ont une durée de vie de commutation plus élevée mais aussi une résistance de chemin beaucoup plus élevée qu’un relais électromécanique ou Reed.

Les commutateurs FET sont le plus souvent utilisés dans les configurations de multiplexeur pour les applications basse tension plus rapides.

Les relais électromécaniques fournissent une bonne solution globale, bien qu’ils aient des limites en termes de taille d’emballage, de vitesse de commutation et de durée de vie mécanique. Les relais Reed améliorent la taille, la densité et la vitesse du boîtier, mais sont moins robustes dans les situations où des courants de surtension peuvent être présents. Les SSR sont une belle alternative aux relais mécaniques mais ont des résistances de chemin plus élevées et ne sont pas complètement isolés entre les contacts. Les commutateurs FET fournissent une solution rapide et peu coûteuse, mais ont la limite de ne fonctionner qu’avec de basses tensions.

Pour toute application, tenez compte de tous les paramètres système avant de choisir un type de relais donné. L'utilisation de ces informations vous permettra de faire les compromis appropriés pour votre demande.