Relais Électrique

Jusqu’à présent, nous avons examiné une sélection de dispositifs d’entrée qui peuvent être utilisés pour détecter ou “saisir” une variété de variables physiques et de signaux et qui sont donc appelés Sensores. Mais il existe également une variété de dispositifs électriques et électroniques qui sont classés comme des dispositifs de sortie utilisés pour contrôler ou faire fonctionner un processus physique externe. Ces dispositifs de sortie, y compris le relais électrique, sont couramment classés comme : Actionneurs.

Les actionneurs convertissent un signal électrique en une quantité physique correspondante telle que mouvement, force, son, etc. Un actionneur est également classé comme un transducteur car il change un type de quantité physique en un autre et est généralement activé ou opéré par un signal de commande à basse tension. Les actionneurs peuvent être classés comme des dispositifs binaires ou continus en fonction du nombre d’états stables que leur sortie peut avoir.

Par exemple, un relais est un actionneur binaire car il a deux états stables, soit alimenté et verrouillé, soit désalimenté et déverrouillé, tandis qu’un moteur est un actionneur continu car il peut tourner dans un mouvement rotatif complet de 360^o. Les types d’actionneurs ou de dispositifs de sortie les plus courants sont les relais électriques, les lumières, les moteurs et les haut-parleurs.

Nous avons précédemment vu que les solénoïdes peuvent être utilisés pour ouvrir électriquement des verrous, des portes, ouvrir ou fermer des vannes, et dans une variété d’applications robotiques et mécatroniques, etc. Cependant, si le plongeur du solénoïde est utilisé pour faire fonctionner un ou plusieurs ensembles de contacts électriques, nous avons un dispositif appelé relais qui est tellement utile qu’il peut être utilisé de manière infinie dans différentes manières et dans ce tutoriel, nous allons examiner les relais électriques.

Les relais électriques peuvent également être divisés en relais à action mécanique appelés « relais électromécaniques » et ceux qui utilisent des transistors à semi-conducteurs, thyristors, triacs, etc., comme dispositifs de commutation appelés « relais à état solide » ou SSR.

Le terme relais désigne généralement un dispositif qui fournit une connexion électrique entre deux points ou plus en réponse à l’application d’un signal de contrôle. Le type de relais électrique le plus courant et le plus utilisé est le relais électromécanique ou EMR.

Un relais électrique

Le contrôle fondamental de tout équipement est la capacité de le mettre « ON » et « OFF ». Le moyen le plus simple d’y parvenir est d’utiliser des interrupteurs pour interrompre l’alimentation électrique. Bien que les interrupteurs puissent être utilisés pour contrôler quelque chose, ils présentent leurs inconvénients. Le plus important est qu’ils doivent être tournés « ON » ou « OFF » manuellement (physiquement). De plus, ils sont relativement grands, lents et ne commutent que de faibles courants électriques.

Les relais électriques, cependant, sont essentiellement des interrupteurs à commande électrique qui existent dans de nombreuses formes, tailles et puissances adaptées à tous les types d’applications. Les relais peuvent également avoir un ou plusieurs contacts dans un seul boîtier, avec les relais de puissance plus importants utilisés pour les applications de commutation de tension secteur ou de haute courant appelés « contacteurs ».

Dans ce tutoriel sur les relais électriques, nous nous concentrons uniquement sur les principes fondamentaux de fonctionnement des relais électromécaniques de « faible puissance » que nous pouvons utiliser dans le contrôle de moteurs ou dans des circuits robotiques. Ces relais sont utilisés dans des circuits de contrôle électrique et électronique ou de commutation générale soit montés directement sur des cartes PCB, soit connectés indépendamment, dans lesquels les courants de charge sont généralement des fractions d’ampère jusqu’à plus de 20 ampères. Le circuit de relais est commun dans les applications électroniques.

Comme leur nom l’indique, les relais électromécaniques sont des dispositifs électro-magnétiques qui convertissent un flux magnétique généré par l’application d’un signal électrique de contrôle à basse tension, soit AC soit DC, à travers les bornes du relais, en une force mécanique d’attraction qui fait fonctionner les contacts électriques à l’intérieur du relais. La forme la plus courante de relais électromécanique consiste en une bobine d’excitation appelée « circuit primaire » enfouie autour d’un noyau en fer perméable.

Ce noyau en fer a à la fois une partie fixe appelée le châssis, et une partie mobile à ressort appelée l’armature, qui complète le circuit du champ magnétique en fermant l’espace entre la bobine électrique fixe et l’armature mobile. L’armature est articulée ou pivotée, ce qui lui permet de se déplacer librement dans le champ magnétique généré, fermant ainsi les contacts électriques qui lui sont attachés. Connecté entre le châssis et l’armature se trouve normalement un ressort (ou des ressorts) pour le retour à la position initiale afin de « réinitialiser » les contacts lorsque la bobine du relais est dans un état « désénergisé », c’est-à-dire éteinte.

Dans notre relais simple ci-dessus, nous avons deux ensembles de contacts conducteurs d’électricité. Les relais peuvent être « normalement ouverts » ou « normalement fermés ». Une paire de contacts est classée comme Normalement Ouvert, (NO) ou contacts de fermeture et un autre ensemble qui est classé comme Normalement Fermé, (NC) ou contacts d’ouverture. En position normalement ouverte, les contacts ne sont fermés que lorsque le courant de champ est « ON » et que les contacts de commutation sont attirés vers la bobine inductive.

En position normalement fermée, les contacts sont définitivement fermés lorsque le courant de champ est « OFF », car les contacts de commutation retournent à leur position normale. Ces termes Normalement Ouvert, Normalement Fermé ou Contacts de Fermeture et d’Ouverture se réfèrent à l’état des contacts électriques lorsque la bobine du relais est « désénergisée », c’est-à-dire qu’aucune tension d’alimentation n’est connectée à la bobine du relais. Les éléments de contact peuvent être de conception single ou double ouverture/fermeture. Un exemple de cet arrangement est donné ci-dessous.

Les contacts des relais sont des morceaux métalliques conducteurs d’électricité qui se touchent pour compléter un circuit et permettre au courant du circuit de circuler, tout comme un interrupteur. Lorsque les contacts sont ouverts, la résistance entre les contacts est très élevée en méga-ohms, produisant une condition de circuit ouvert et aucun courant ne peut circuler dans le circuit.

Lorsque les contacts sont fermés, la résistance au contact devrait être égale à zéro, ce qui représente un court-circuit, mais ce n’est pas toujours le cas. Tous les contacts de relais ont un certain degré de « résistance au contact » lorsqu’ils sont fermés et cela s’appelle la « résistance à l’activation », semblable aux FET.

Avec un relais et des contacts neufs, cette résistance à l’activation sera très faible, généralement inférieure à 0,2Ω, car les pointes sont nouvelles et propres, mais avec le temps, la résistance des pointes augmentera.

Par exemple, si les contacts passent un courant de charge de 10A, alors la chute de tension à travers les contacts, en utilisant la loi d’Ohm, est de 0,2 x 10 = 2 volts, ce qui, si la tension d’alimentation est de 12 volts, signifie que la tension de charge ne sera que de 10 volts (12 – 2). À mesure que les pointes de contact commencent à s’user, et si elles ne sont pas correctement protégées contre les charges inductives ou capacitives élevées, elles commenceront à montrer des signes de dommages par arc alors que le courant du circuit veut toujours circuler au moment où les contacts commencent à s’ouvrir lorsque la bobine du relais est désénergisée.

Ce dommage par arc ou étincelles à travers les contacts augmentera la résistance au contact des pointes à mesure que les pointes de contact se dégradent. Si cela est autorisé à continuer, les pointes de contact peuvent devenir tellement brûlées et endommagées qu’elles restent physiquement fermées mais ne laissent passer aucun ou très peu de courant.

Si ce dommage par arc devient trop sévère, les contacts finiront par « se souder » ensemble, produisant une condition de court-circuit et un éventuel dommage au circuit qu’ils contrôlent. Si maintenant la résistance au contact a augmenté à cause de l’éclair, disons à 1Ω, la chute de tension à travers les contacts pour le même courant de charge augmente à 1 x 10 = 10 volts DC. Cette chute de tension élevée à travers les contacts peut être inacceptable pour le circuit de charge, notamment s’il fonctionne à 12 ou même 24 volts, alors le relais défectueux devra être remplacé.

Pour réduire les effets des arcs de contact et des « résistances à l’activation » élevées, les pointes de contact modernes sont fabriquées ou revêtues d’une variété d’alliages à base d’argent pour prolonger leur durée de vie comme indiqué dans le tableau suivant.

Matériaux des pointes de contact des relais électriques

• Ag (argent fin)
  • 1. Conductivité électrique et thermique sont les plus élevées de tous les métaux.
  • 2. Présente une faible résistance au contact, est peu coûteux et largement utilisé.
  • 3. Les contacts s’oxydent facilement par influence sulfurique.
• AgCu (argent-cuivre)
  • 1. Connus sous le nom de contacts « argent dur », offrant une meilleure résistance à l’usure et moins de tendance à l’arc et à la soudure, mais avec une résistance au contact légèrement plus élevée.
• AgCdO (argent oxyde de cadmium)
  • 1. Très peu de tendance à l’arc et à la soudure, bonne résistance à l’usure et propriétés d’extinction de l’arc.
• AgW (argent tungstène)
  • 1. La dureté et le point de fusion sont élevés, la résistance à l’arc est excellente.
  • 2. Ce n’est pas un métal précieux.
  • 3. Une pression de contact élevée est requise pour réduire la résistance.
  • 4. La résistance au contact est relativement élevée et la résistance à la corrosion est faible.
• AgNi (argent nickel)
  • 1. Équivaut à la conductivité électrique de l’argent, excellente résistance à l’arc.
• AgPd (argent palladium)
  • 1. Faible usure au contact, plus grande dureté.
  • 2. Coûteux.
• Alliages de platine, d’or et d’argent
  • 1. Excellente résistance à la corrosion, utilisés principalement pour des circuits à faible courant.

Les fiches techniques des fabricants de relais indiquent des valeurs maximales pour les charges DC résistives uniquement et cette valeur est considérablement réduite pour les charges AC ou les charges hautement inductives ou capacitives. Afin d’obtenir une longue durée de vie et une haute fiabilité lors de la commutation des courants alternatifs avec des charges inductives ou capacitives, il est nécessaire d’utiliser une forme de suppression d’arc ou de filtrage à travers les contacts du relais.

Prolonger la durée de vie des pointes de relais en réduisant la quantité d’arc générée lorsqu’elles s’ouvrent se fait en connectant un réseau Résistance-Capacité appelé RC Snubber Network, électriquement en parallèle avec les pointes de contact d’un relais électrique. Le pic de tension, qui se produit à l’instant où les contacts s’ouvrent, sera court-circuité en toute sécurité par le réseau RC, supprimant ainsi tout arc généré aux pointes de contact. Par exemple.

En plus des descriptions standard de Normalement Ouvert, (NO) et Normalement Fermé, (NC) utilisées pour décrire comment les contacts de relais sont connectés, les configurations de contacts de relais peuvent également être classées par leurs actions. Les relais électriques peuvent être constitués d’un ou plusieurs contacts de commutation individuels, chaque « contact » étant désigné comme un « pôle ». Chacun de ces contacts ou pôles peut être connecté ou « lançé » ensemble en alimentant la bobine du relais, ce qui donne lieu à la description des types de contacts comme :

• SPST – Un Pôle Un Lancer
• SPDT – Un Pôle Deux Lancers
• DPST – Deux Pôles Un Lancer
• DPDT – Deux Pôles Deux Lancers

Avec l’action des contacts décrite comme « Fermeture » (M) ou « Ouverture » (B). Puis, un relais simple avec un ensemble de contacts, comme celui montré ci-dessus, peut avoir une description de contact de :

“Un Pôle Deux Lancers – (Ouverture avant Fermeture)”, ou SPDT – (B-M)

Des exemples de certains des schémas les plus courants utilisés pour les types de contacts de relais électriques afin d’identifier les relais dans des diagrammes de circuit ou schématiques sont donnés ci-dessous, mais il existe de nombreuses autres configurations possibles.

Configurations de Contacts de Relais Électrique

• Où :
• C est la borne commune
• NO est le contact normalement ouvert
• NC est le contact normalement fermé

Les relais électromécaniques sont également désignés par les combinaisons de leurs contacts ou éléments de commutation et le nombre de contacts combinés dans un seul relais. Par exemple, un contact qui est normalement ouvert dans la position déséenergisée du relais est appelé un « contact de Forme A » ou contact d’ouverture. Alors qu’un contact qui est normalement fermé dans la position désénergisée du relais est appelé un « contact de Forme B » ou contact d’ouverture.

Lorsque les éléments de contact de fermeture et d’ouverture sont présents en même temps de sorte que les deux contacts sont électriquement connectés pour produire un point commun (identifié par trois connexions), l’ensemble de contacts est appelé « contacts de Forme C » ou contacts de changement. Si aucune connexion électrique n’existe entre les contacts de fermeture et d’ouverture, cela est appelé un contact à double changement.

Un dernier point à retenir sur l’utilisation des relais électriques. Il n’est pas du tout conseillé de connecter des contacts de relais en parallèle pour gérer des courants de charge plus élevés. Par exemple, ne tentez jamais d’alimenter une charge de 10A avec deux contacts de relais en parallèle ayant chacun une capacité de contact de 5A, car les contacts de relais mécaniquement opérés ne se ferment ni ne s’ouvrent exactement au même moment. Le résultat est qu’un des contacts sera toujours surchargé même pour un instant bref, entraînant ainsi une défaillance prématurée du relais au fil du temps.

De plus, bien que les relais électriques puissent être utilisés pour permettre à des circuits électroniques à faible puissance ou de type ordinateur de commuter des courants ou des tensions relativement élevés à la fois « ON » ou « OFF », ne mélangez jamais des tensions de charge différentes à travers des contacts adjacents dans le même relais, comme par exemple, de l’AC haute tension (240v) et du DC basse tension (12v), utilisez toujours des relais séparés pour des raisons de sécurité.

L’une des parties les plus importantes de tout relais électromécanique est sa bobine. Elle convertit le courant électrique en un flux électromagnétique qui est utilisé pour actionner mécaniquement les contacts du relais. Le principal problème des bobines de relais est qu’elles sont des « charges hautement inductives » car elles sont constituées de bobines de fil. Toute bobine de fil a une valeur d’impédance composée de résistance ( R ) et d’inductance ( L ) en série (circuit de série LR).

Lorsque le courant circule à travers la bobine, un champ magnétique auto-induit est généré autour d’elle. Lorsque le courant dans la bobine est « OFF », une forte tension de contre-EMF (force électromotrice) est produite lorsque le flux magnétique s’effondre dans la bobine (théorie du transformateur). Cette tension inverse induite peut être très élevée par rapport à la tension de commutation, et peut endommager tout dispositif semi-conducteur tel qu’un transistor, FET ou micro-contrôleur utilisé pour alimenter la bobine du relais.

Un moyen d’empêcher tout dommage au transistor ou à tout dispositif semi-conducteur de commutation est de connecter une diode inverse à travers la bobine du relais.

Lorsque le courant circulant dans la bobine est commuté « OFF », une contre-EMF induite est générée lorsque le flux magnétique s’effondre dans la bobine.

Cette tension inverse polarise la diode, qui se met à conduire et dissipe l’énergie stockée, évitant ainsi tout dommage au transistor semi-conducteur.

Lorsqu’elle est utilisée dans ce type d’application, la diode est généralement connue sous le nom de diode flywheel, diode de roue libre ou même diode de retour, mais elles signifient toutes la même chose. Les autres types de charges inductives qui nécessitent une diode flywheel pour protection sont les solénoïdes, moteurs et bobines inductives.

En plus des diodes flywheel pour la protection des composants semi-conducteurs, d’autres dispositifs utilisés pour la protection incluent les réseaux de snubber RC, les varistors à oxyde métallique ou MOV et les diodes Zener.

Bien que le relais électromécanique (EMR) soit peu coûteux, facile à utiliser et permettant la commutation d’un circuit de charge contrôlé par un signal d’entrée à faible puissance, l’un des principaux inconvénients d’un relais électromécanique est qu’il s’agit d’un « dispositif mécanique », c’est-à-dire qu’il a des pièces mobiles, donc sa rapidité de commutation (temps de réponse) due au mouvement physique des contacts métalliques à l’aide d’un champ magnétique est lente.

Au fil du temps, ces pièces mobiles s’useront et tomberont en panne, ou que la résistance au contact à travers l’arc constant et l’érosion peut rendre le relais inutilisable et raccourcir sa durée de vie. De plus, ils sont électriquement bruyants avec des contacts souffrant de rebond, ce qui peut affecter tous les circuits électroniques auxquels ils sont connectés.

Pour surmonter ces inconvénients du relais électrique, un autre type de relais appelé relais à état solide ou (SSR) a été développé, constitut un relais sans contact, purement électronique.

Le relais à état solide, étant un dispositif purement électronique, n’a pas de pièces mobiles dans son design, car les contacts mécaniques ont été remplacés par des transistors de puissance, des thyristors ou des triacs. La séparation électrique entre le signal de contrôle d’entrée et la tension de charge de sortie est réalisée grâce à un capteur de lumière de type optocoupleur.

Le relais à état solide offre un haut degré de fiabilité, une longue durée de vie et une interférence électromagnétique réduite (EMI), (sans contacts d’arc ni champs magnétiques), de même qu’un temps de réponse beaucoup plus rapide, presque immédiat, par rapport au relais électromécanique conventionnel.

De plus, les exigences de puissance de contrôle d’entrée du relais à état solide sont généralement suffisamment faibles pour les rendre compatibles avec la plupart des familles de logique IC sans avoir besoin de pilotes, d’amplificateurs ou de tampons supplémentaires. Cependant, étant un dispositif semi-conducteur, ils doivent être montés sur des dissipateurs thermiques appropriés pour éviter que le dispositif de commutation de sortie semi-conducteur ne surchauffe.

Relais à État Solide

Le relais à état solide de type AC se met « ON » au point de passage zéro de la forme d’onde sinusoïdale AC, empêche les courants d’appel élevés lors de la commutation des charges inductives ou capacitives, tandis que la capacité inhérente à se mettre « OFF » des thyristors et triacs améliore les arcs de contact des relais électromécaniques.

Tout comme les relais électromécaniques, un réseau de snubber Résistance-Capacité (RC) est généralement nécessaire à travers les bornes de sortie du SSR pour protéger le dispositif de commutation semi-conducteur contre le bruit et les pics de tension transitoires lorsqu’il sert à commuter des charges fortement inductives ou capacitives. Dans la plupart des SSR modernes, ce réseau de snubber RC est intégré en standard dans le relais lui-même, réduisant ainsi le besoin de composants externes supplémentaires.

Les relais SSR de détection de passage non nul (type « ON » instantané) sont également disponibles pour des applications à contrôle de phase tel que l’atténuation ou le fondu des lumières lors de concerts, spectacles, éclairages de disco, etc. ou pour des applications de contrôle de la vitesse du moteur.

Comme le dispositif de commutation de sortie d’un relais à état solide est un dispositif semi-conducteur (Transistor pour des applications de commutation DC, ou une combinaison de Triac/Thyristor pour la commutation AC), la chute de tension à travers les bornes de sortie d’un SSR lorsqu’il est « ON » est beaucoup plus élevée que celle du relais électromécanique, typiquement de 1,5 à 2,0 volts. Si l’on commute de grands courants pendant de longues périodes, un dissipateur de chaleur supplémentaire sera nécessaire.

Les modules d’interface entrée/sortie, (modules I/O) sont un autre type de relais à état solide conçu spécifiquement pour interfacer des ordinateurs, des microcontrôleurs ou des PIC avec des charges et des commutateurs « du monde réel ». Il existe quatre types de modules I/O de base disponibles, tension d’entrée AC ou DC vers niveau de logique TTL ou CMOS, et entrée de logique TTL ou CMOS vers une tension de sortie AC ou DC, chaque module contenant tous les circuits nécessaires pour fournir une interface complète et isolation dans un seul petit dispositif. Ils sont disponibles soit en modules solides individuels, soit intégrés dans des dispositifs de 4, 8 ou 16 canaux.

Système d’Interface Modulaire d’Entrée/Sortie.

Les principaux inconvénients des relais à état solide (SSR) par rapport à un relais électromécanique équivalent en puissance sont leurs coûts plus élevés, le fait que seuls des types à un pôle (SPST) soient disponibles, les courants de fuite à l’état « OFF » qui traversent le dispositif de commutation, et une chute de tension et une dissipation d’énergie à l’état « ON » élevées entraînant des exigences supplémentaires de dissipation thermique. De plus, ils ne peuvent pas commuter de très faibles courants de charge ou des signaux haute fréquence, tels que des signaux audio ou vidéo, même si des commutateurs à état solide spéciaux sont disponibles pour ce type d’application.

Dans ce tutoriel sur les relais électriques, nous avons examiné à la fois le relais électromécanique et le relais à état solide, qui peuvent être utilisés comme dispositif de sortie (actionneur) pour contrôler un processus physique. Dans le prochain tutoriel, nous continuerons notre exploration des dispositifs de sortie appelés actionneurs et en particulier un qui convertit un petit signal électrique en un mouvement physique correspondant à l’aide de l’électromagnétisme. Le dispositif de sortie s’appelle un solénoïde.