Réduire l’interaction magnétique dans les applications de relais Reed

Les relais Reed sont sensibles aux effets magnétiques, qui peuvent dégrader les performances dans certaines conditions. Ce rapport présente une approche pratique pour réduire les effets magnétiques
au sein des relais Reed et entre eux. Ces recommandations peuvent s’appliquer à de nombreux cas.

Avec la tendance à réduire la taille des équipements électroniques, les relais Reed sont généralement placés à proximité les uns des autres. Le couplage magnétique entre relais peut
affecter des paramètres tels que la tension d’enclenchement (pull-in) et la tension de relâchement (dropout). Dans certaines circonstances, des relais adjacents seront affectés défavorablement par leurs voisins.

Des données expérimentales sont fournies pour quelques réseaux de relais Reed de base dans des conditions de pire cas. Une analyse des données est présentée avec des équations. Les données ont été
recueillies sur des relais Reed en boîtier SIL (single in-line package), mais elles s’appliquent à la plupart des boîtiers de relais Reed, car les principes physiques fondamentaux sont les mêmes.

Une liste de contrôle pour la conception d’un réseau ou d’une matrice de relais couvre les facteurs nécessaires pour minimiser les effets électromagnétiques les plus susceptibles d’être rencontrés. Progresser systématiquement dans la liste de contrôle aidera à réduire ou éliminer de nombreuses variables problématiques.

De nombreux facteurs, internes et externes, déterminent comment un relais Reed se comportera lorsqu’il est installé dans un ensemble de matrice et soumis à des interférences électromagnétiques (EMI).

Facteurs internes : Dès le début de la phase de conception, l’utilisateur et le fabricant doivent discuter de l’application et prendre en compte tous les facteurs internes :

• Calibre du fil de bobine
• Résistance de bobine
• Ampère-tours de bobine (AT)
• Sens d’enroulement de la bobine
• Terminaisons d’enroulement de la bobine
• Type d’assemblage de commutateur Reed
• Nombre de commutateurs Reed dans le relais
• Blindage magnétique interne

Facteurs externes : La maîtrise des facteurs externes se fait généralement en accordant une attention appropriée à l’environnement de fonctionnement du relais Reed. L’effort consacré à ces facteurs dépendra de l’ampleur de leur impact négatif sur les performances de conception. Il convient de prendre en compte les facteurs suivants :

• Champs magnétiques à proximité
• Espacement des relais dans la matrice de relais
• Disposition des polarités magnétiques
• Blindage magnétique externe

Pour mieux comprendre le couplage magnétique entre des relais Reed adjacents, considère cet exemple. La figure n°1 montre une portion d’une matrice de relais avec deux relais Reed adjacents montés sur une carte PC. Les relais, K1 et K2, sont identiques dans leur construction et le sens du courant est le même dans chacun.

Les lignes de champ magnétique sont représentées lorsque les deux relais sont alimentés. Lorsque K1 et K2 sont alimentés, leurs champs magnétiques opposés s’affectent défavorablement. Cela est illustré là où le champ de K2 s’étend dans le corps de K1.

Lorsque K2 est alimenté et que K1 ne fonctionne pas, la tension d’enclenchement et la tension de relâchement de K2 se situent dans la plage des spécifications du fabricant. Tenter d’alimenter K2 lorsque K1 fonctionne entraîne une augmentation des tensions d’enclenchement et de relâchement de K2, peut-être au-delà des limites du fabricant.

Lorsque K1 est alimenté avec un courant circulant à l’opposé de celui de K2, une tentative d’alimenter K2 se traduit par des tensions d’enclenchement et de relâchement plus faibles.

Les matrices de relais peuvent être configurées de plusieurs manières. Dans cette analyse, des données sont présentées sur cinq configurations typiques. Les considérations de polarité ont également été limitées. Les configurations et polarités magnétiques présentées démontrent certains effets de pire cas de l’interaction magnétique entre relais.

Mise en place expérimentale

Les données expérimentales ont été recueillies sur des relais SIP moulés de 0,20“ de large. Les configurations de matrice de test sont montrées à la figure n°2.

Les mesures ont été effectuées pendant que tous les relais entourant le relais sous test (RUT) étaient alimentés avec la même polarité magnétique. Une fois tous les relais alimentés, le RUT (avec la même polarité magnétique que ses voisins) était alimenté progressivement jusqu’au point d’enclenchement. Les données de tension de relâchement ont été relevées de manière similaire.

Toutes les données ont été recueillies en utilisant une commande de bobine à 5 V. Avec des bobines de tension plus élevée générant des ampère-tours équivalents, les résultats sont similaires. Les bobines à ampère-tours plus élevés produisent des effets d’interaction légèrement plus élevés. Pour les données présentées sur des relais à blindage magnétique, le blindage magnétique est interne et fait partie intégrante du relais.

En général, des conditions proches du pire cas d’interaction magnétique pour la tension d’enclenchement dans une matrice existent lorsque tous les champs des relais ont la même polarité et que tous les champs proviennent de
relais adjacents (figure n°2). L’interaction est quelque peu réduite lorsque les matrices ont des relais montés bout à bout (figure 2d et 2e). Cet effet peut être observé à la figure 6b.

Dans les conditions de pire cas attendues présentées, la tension de relâchement n’est pas vraiment une préoccupation puisqu’elle augmente et suit la tension d’enclenchement, en maintenant approximativement
la même variation de tension. La tension de relâchement peut devenir une préoccupation majeure si la polarité magnétique des relais adjacents est opposée à celle du RUT (effet d’assistance).

Cette situation peut être évitée en attribuant des polarités de tension appropriées aux relais et en utilisant des relais de fabrication homogène. La variation de la tension d’enclenchement (ÄPI) est définie comme la tension d’enclenchement avec effets d’interaction moins la tension d’enclenchement sans effets d’interaction. Les augmentations en pourcentage des tensions d’enclenchement présentées ont été calculées à la tension nominale de bobine de 5 V. Exprimé mathématiquement : % ΔPI = ΔPI(100)/5 volts Équation n°1

Pour une matrice donnée, la variation de la tension d’enclenchement reste essentiellement la même pour tous les relais ayant des tensions d’enclenchement de niveaux divers. Si un relais sans interaction, par
exemple, a une tension d’enclenchement de 2,3 V, elle passera à 2,7 V avec interaction (ΔPI de 0,4 V). Considère maintenant un second relais dans la même matrice, dans les mêmes conditions, qui a une tension d’enclenchement initiale de 2,6 V. Avec interaction, la tension d’enclenchement augmentera à 3,0 V (là encore, ΔPI est de 0,4 V).

Calcul des effets de l’interaction magnétique

Pour examiner plus en détail les effets de l’interaction magnétique sur les relais Reed, considère un exemple utilisant la matrice à trois relais de relais SIL 5 V de la figure n°5b sur des entraxes de 0,20“ (sans blindage magnétique). Tous les essais seront effectués sur le relais central, dont la tension d’enclenchement réelle, seul, est de 2,6 V. Les deux relais externes sont activés avec 5 V appliqués à la bobine.

Le relais central sera alimenté et la variation attendue de la tension d’enclenchement peut être calculée.

Commence par calculer la variation de la tension d’enclenchement. Pour l’exemple, on utilisera ces équations :

ΔPI =(% ΔPI x Vnom)/100
Équation n°2

Où ΔPI = la variation attendue de la tension d’enclenchement.

% ΔPI = le pourcentage d’interaction calculé à la tension nominale et indiqué dans les graphiques des données expérimentales. Vnom = la tension nominale de bobine telle que spécifiée par le
fabricant.

PIwc = Plact + ΔPI
Équation n°3

PIwc = la tension d’enclenchement augmentée de pire cas en conditions d’interaction.

Plact = la tension d’enclenchement réelle sans interférence magnétique externe.

En se référant à la figure n°6a, à une tension nominale de bobine de 5 V, l’interaction magnétique est de 14,2 %. En utilisant l’équation n°2 pour calculer ΔPI :

ΔPI = (14.2 x 5)100 = 0.71 volts

Le relais a une tension d’enclenchement réelle de 2,6 V. Par conséquent, la tension d’enclenchement proche du pire cas peut être calculée en utilisant l’équation n°3 :

PIwc = 2.6 + 0.71 = 3.31 volts
Équation n°4

La valeur calculée pour Plwc est peut-être le pire cas pour la matrice donnée, parmi toutes les conditions possibles de polarité (magnétique et électrique). La valeur calculée pour ΔPI
est une approximation proche sur l’ensemble de la plage de tension d’enclenchement.

De plus, ΔPI ~ ΔDO ; c’est-à-dire que la variation de la tension de relâchement dans la matrice suit de près la variation de la tension d’enclenchement. Par exemple, dans le calcul de PIwc, si la tension de relâchement était mesurée à 1,4 V sans influence magnétique, sa valeur changera à 2,11 V dans les conditions décrites. Sauf dans de rares cas où des conditions particulières de relâchement sont requises, les variations de tension de relâchement décrites ne posent pas de problème.

Moyens de réduire les effets magnétiques

• Spécifier des relais Reed avec blindage interne
• Utiliser un blindage magnétique externe sur la matrice
• Prévoir un espacement plus important entre les relais
• Éviter le fonctionnement simultané de relais adjacents
• Concevoir une configuration de matrice spéciale

Conditions particulières

Pour les conditions présentées à la figure n°6, les données ont été prises sur des relais uniques non alimentés entourés de relais alimentés. Dans de nombreuses applications réelles, les relais sont alimentés
dans de très nombreuses circonstances différentes. Typiquement, des bancs de relais sont alimentés ensemble.

Par exemple, les données recueillies à la figure 2a seront réduites d’environ un facteur deux en alimentant les relais de la même matrice de la manière suivante : alimenter tous les relais simultanément avec une tension en rampe tout en surveillant le relais central.

Ici, les effets d’interaction seront réduits d’un facteur deux. Ce même effet sera observé avec des vitesses de rampe de plus en plus rapides (approximativement une fonction échelon) si les relais sont toujours alimentés simultanément.

Cette réduction de l’interaction se produit en raison des champs magnétiques environnants réduits présents au moment de la fermeture du contact, où les tensions d’enclenchement réelles sont généralement à la moitié de la tension nominale.

Dans certaines conditions, le sens constant dans lequel les bobines sont enroulées et terminées, en particulier lorsqu’elles sont montées très près les unes des autres, peut réduire l’influence
magnétique.

La matrice montrée à la figure n°4 utilise des polarités magnétiques opposées et une fabrication de bobine homogène pour réduire l’interaction sans le coût supplémentaire d’un blindage magnétique. Cet effet (fig. n°2) est obtenu en câblant la matrice comme montré à la figure n°1.

Les données présentées à la figure n°2 peuvent être comparées aux données présentées à la figure n°3 pour une matrice SIL similaire de 15 (sans blindage magnétique) où les polarités sont dans le même sens. L’amélioration, ou la réduction de l’interaction,
est de 2,5 % à la figure n° 5 contre 6 % à la figure n°3.

• Tension appliquée : L’alimentation, sous charge maximale et à 50 °C, peut descendre jusqu’à un minimum de 4,9 V. Dans certaines circonstances, la tension sous charge peut être en série avec des chutes de transistor/diode de 0,7 V maximum sur la plage de température de fonctionnement. La tension de service de l’alimentation est réduite à 4,3 V, la tension réelle appliquée à la bobine du relais.
• Effets de température : Si la température maximale de fonctionnement du système est de 50 °C et que la tension d’enclenchement spécifiée du relais est de 3,6 V maximum à 25 °C pour une tension nominale de bobine de 5 V, on peut s’attendre à une augmentation de 3,6 V à 3,96 V maximum à 50 °C.
• Espace disponible sur la carte PC : Une matrice de relais 5 x 10 (50 relais) est requise. Pour faire tenir les relais sur la carte, il faut adopter un agencement serré (seulement 7,75 in.2 d’espace de carte est disponible). 4. Distance entre relais adjacents : Les relais doivent être placés sur des entraxes de 0,20“, cinq rangées de 10 relais chacune. 5.
• Alimentation de la matrice : Dans cette application, un maximum de trois relais est alimenté simultanément. La figure n°3a présente les données d’interaction requises pour cette application. Ici, le pire cas se produit pour la séparation de 0,20“ sans blindage magnétique et vaut 7,5 %. En utilisant l’équation 2, les effets d’interaction sont calculés comme une augmentation de tension d’enclenchement de pire cas de 0,38 V. 6.

• Blindage magnétique : Il est décidé de ne pas utiliser de blindage magnétique. 7. Caractéristiques de durée de vie. En général, lors de la commutation de charges intermédiaires à élevées, la surtension de bobine devrait être d’environ ou égale à 100 % (environ ou égale à deux fois la tension d’enclenchement réelle) pour obtenir les meilleures caractéristiques de durée de vie. Ici, la surtension de la bobine du relais est faible ; toutefois, seule une commutation de faible niveau est attendue. Par conséquent, les caractéristiques de durée de vie ne devraient pas être affectées.
• Analyse de conception : Si les résultats trouvés à l’item 5 étaient ajoutés aux résultats de l’item 2, la tension d’enclenchement maximale augmentera jusqu’à 4,34 V en conditions d’interaction. Cela dépasse la tension minimale de 4,3 V. Les deux approches les plus simples à ce stade sont probablement d’augmenter la tension d’alimentation ou d’abaisser la valeur nominale initiale de tension d’enclenchement maximale de 3,6 V à au moins 3,2 V maximum. Cela laisserait une surtension additionnelle suffisante dans les conditions de pire cas.

Les effets d’interaction magnétique sur les relais Reed peuvent représenter un problème important s’ils sont ignorés. De nombreuses solutions sont possibles.

La base permettant de déterminer des scénarios de pire cas sur les types de matrices de base est présentée dans cet article. Une approche systématique de la conception d’une matrice de relais peut être
mise en œuvre en se référant à la liste de contrôle fournie.

Il est fortement suggéré que l’utilisateur consulte le fabricant du relais dès le début du processus de conception. Suivre cette méthodologie réduira considérablement le potentiel de performances imprévisibles de la matrice de relais.