Un relais est un appareil électrique dans lequel un
phénomène électrique (courant ou tension)
contrôle la commutation On / Off d'un élement
mécanique (relais électromécanique) ou d'un
élement électronique (relais statique). C'est en quelque
sorte un interrupteur que l'on peut actionner à distance, et
où la fonction de coupure est dissociée de la fonction de
commande. La tension et le
courant de commande (partie "Commande"), ainsi que le pouvoir de
commutation (partie "Puissance") dépendent du relais, il faut
choisir ces paramètres en fonction de l'application
désirée. Ainsi, il faut choisir des relais
différents selon qu'il faut commuter des signaux audio ou des
tensions ou courants importants. Comme la Commande peut être
réalisée sous faible puissance (faible tension, faible
courant), et que la partie Coupure peut commuter des puissances
importantes, on peut dire que ce composant est un amplificateur de
courant.
Le premier relais réellement "pratique" a vu le jour en 1837,
grace à
l'inventeur américain Samuel F.B. Morse (oui, celui qui a
inventé le fameux alphabet Morse), qui lui-même s'est
appuyé sur les
travaux du physicien britanique Charles Wheatstone (oui, celui à
qui l'on doit le fameux pont de mesure qui porte son nom).
Relais électromécaniques
Un relais électromécanique est doté d'un bobinage
en guise d'organe de commande. La tension appliquée à ce
bobinage va créer un courant, ce courant produisant un champs
électromagnétique à l'extrémité de
la bobine (il ne s'agit ni plus ni moins que d'un
électro-aimant). Ce champs magnétique va être
capable de faire déplacer un élément
mécanique métallique monté sur un axe mobile, qui
déplacera alors des contacts mécaniques.
Sur la photo ci-avant, on voit nettement la bobine, constituée
d'un très grand nombre de spires d'un fil de cuivre très
fin. Quand cette bobine est parcourue par un courant suffisant, un
champs magnétique attire la partie mobile vers lui (sur la
photo,
l'élement marqué Partie mobile se soulève), et
déplace par le biais d'un axe, les contacts mécaniques
situés à côté (sur la photo, les contacts
mécaniques se déplacent vers
la droite). Quand plus aucun courant ne circule dans la
bobine, les contacts reprennent leur position de repos grâce
à un
ressort de rappel. Les connexions exterieures
permettent simplement d'avoir accès aux fils de la bobine et aux
contacts électriques solidaires des parties mécaniques
mobiles.
Avantages du relais
électromécanique
Capacité de commuter aussi bien des signaux continus
qu'alternatifs sur une large gamme de fréquences.
Fonctionnement avec une dynamique considérable du signal
commuté.
Aucun ajout de bruit ou de distorsion.
Résistance de contact fermé très faible.
Résistance de contact ouvert très
élevée.
Inconvénients du relais électromécanique
Element
de commande possédant une composante inductive non
négligeable (c'est
une bobine, après tout), provoquant une surtension importante
lorsque
le courant circulant dans la bobine est interrompu (loi de Lenz). Ce
qui impose l'emploi de composant de protection (diode par exemple) pour
protéger le circuit de commande si ce dernier est de type
électronique.
Présence
de rebonds lors des commutations, le passage de l'état ON
à l'état OFF
(ou inversement) n'est pas "net" (même phénomène de
rebonds mécaniques
que l'on observe dans les interrupteurs). Il est interressant de savoir
que le nombre de rebonds, et donc la rapidité de la mise en
contact
franc, dépend du courant de commande circulant dans la bobine.
Le
nombre de rebonds est en effet plus important quand ce courant de
commande est bien inférieur ou bien supérieur à la
valeur de courant
nominal spécifiée par le fabricant.
Compatibilité pas toujours assurée avec les
circuits numériques.
Couplage capacitif entre les contacts pour les modèles
multipôlaires (à plusieurs pôles).
Diminution
de l'isolation à l'état ouvert à cause du
couplage capacitif
(d'autant plus embêtant que les signaux commutés montent
haut en
fréquence).
Durée de vie "faible" si nombre important de
commutation (fatigue des contacts et du ressort de rappel, qui peut se
"ramollir" ou même casser).
Brochages de quelques relais électromécaniques
Il existe au
moins deux normes
où des lettres sont employées pour désigner les
contacts :
- lettres C
(Commun), R
(Repos) et T
(Travail).
- lettres COM
(Common -
Commun), NO
(Normaly Opened -
Normalement Ouvert), et NC
ou NF
(Normaly Closed, Normalement
Fermé).
Les dessins suivants montrent la correspondance entre schéma
électrique
et boitier pour trois relais différents (il en existe beaucoup
d'autres).
Vous aurez sans doute remarqué que les deux dessins concernant
les deux relais à double inverseur (RL2 et RL1) sont de formats
mécaniques identiques,
mais avec des brochages différents. Attention aux erreurs ! Dans
tous les cas, quand la
bobine est
alimentée (le relais est alors en position travail), le contact
s'établi entre les bornes C (COM) et T (NO), et quand la bobine
n'est
pas alimentée
(le relais est en position repos), le contact s'établi entre les
bornes C (COM) et R (NC ou NF). L'établissement des contacts
entre eux se fait donc conformément au tableau ci-dessous :
Contact
C-R (COM-NC)
Contact C-T (COM-NO)
Contact R-T (NO-NC) ou (NO-NF)
Bobine
alimentée
Contact non établi
Contact établi
Contact jamais
établi
Bobine
non alimentée
Contact établi
Contact non établi
Contact jamais
établi
Rappel : C
= Commun, R
= Repos et T
= Travail
Les relais de puissance
La plupart des relais, tels ceux présentés ci-avant, sont
en mesure de commuter quelques ampères (en général
1A à 4A). Pour des pouvoirs de coupure plus
élevés, tels que 10A, 25A ou plus, il faut se tourner
vers des relais de puissance. Si le relais possède plusieurs
contacts et que l'on a besoin d'une seule commutation, les
différents contacts peuvent être montés en
parallèle pour augmenter le pouvoir de coupure. Il faut savoir
que certains relais de puissance nécessitent un courant minimal
de passage pour conserver une bonne fiabilité. Par exemple, un
relais prévu pour commuter un courant de 25A, peut très
bien ne pas être correctement exploité si le courant
effectivement commuté n'est "que" de 1A. Ce type d'information
est généralement communiqué par le fabriquant,
mais ce n'est pas toujours le cas. Choisissez un relais dont le pouvoir
de coupure est un peu supérieur à la valeur du courant
à commuter.
Relais bistables
Il existe des relais
bistables, qui possèdent deux bobinages : un
bobinage sert pour activer le relais en
position Travail, l'autre bobinage sert à le ramener en
position Repos.
Ce type
de relais présente deux avantages principaux : celui de ne
consommer du courant que lors des commutations, et celui de conserver
en mémoire sa position même en cas de coupure
d'alimentation. Il est très utilisé dans des
systèmes d'automatisme industriel. Son inconvénient
principal : son prix.
Relais HF
Il s'agit de relais spécifiques, destinés uniquement aux
applications haute fréquence. On en trouve à souder sur
circuit imprimé, et d'autres qui possèdent
déjà une connectique de type HF (BNC ou N), et que l'on
appelle plus volontier des relais coaxiaux. Pour pouvoir utiliser les
modèles à souder sur CI, il faut impérativement
respecter un tracé de piste compatible HF, c'est à dire
utiliser des pistes dont la longueur est en relation avec la longueur
d'onde des signaux à commuter. Notons que l'usage de relais en
HF est plus usité quand il s'agit de commuter des signaux d'une
certaine puissance, quelques centaines de mW ou quelques W, par
exemple. Pour la commutation de signaux HF de faible puissance, en
réception par exemple, d'autres techniques de commutations sont
mises en oeuvres (diodes
PIN
par exemple).
Relais statiques (ou relais à état solide)
Un relais statique, contrairement au relais
électromécanique, ne possède pas de pièce
en mouvement. La partie "Commande" est généralement
constituée d'une source lumineuse (LED), et la partie
"Puissance" est élaborée autour d'un ou de plusieurs
élements
photosensibles, tel que photo-triac, photo-transistor ou photo-diode
associée à un circuit de contrôle.
Ce type de
relais est généralement étanche, ce qui n'est pas
toujours le cas des relais électromécaniques, qui
peuvent prendre la poussière et subire une corrosion importante
au fil du temps, si les contacts ne sont pas prévus pour
résister (c'est le cas de quasiment tous les relais bas de gamme
et bon marché).
Avantages du relais
statique
Compatibilité accrue avec les circuits numériques.
Courant de commande plus faible, surtout pour les relais de
forte
puissance.
Absence de pièce mécanique en mouvement permettant
une durée de vie sensiblement plus étendue, que le
nombre de commutations soit ou non important.
Parasites générés moindres ou inexistants.
Un relais
statique peut inclure une électronique additionnelle
destinée à contrôler précisement le moment
de la commutation au niveau puissance. Celà permet par exemple
d'effectuer la commutation de puissance d'une tension alternative lors
du passage par zéro de l'onde, pour éviter ou limiter les
parasites de commutation liés à la coupure brutale d'une
tension non nulle.
Utilisation plus aisée dans des milieux hostiles
(explosif), due à l'absence d'arcs électriques.
Meilleur résistance à la corosion, liée
à l'absence de contacts mécaniques en mouvement.
Silencieux, la plupart du temps. Ce qui peut être
important, dans un hopital par exemple.
Meilleur
isolation entre circuit de commande et circuit commandé, par
rapport à
celle offerte avec les relais électromécaniques (un
isolement de 3KV ou
4 KV en alternatif est plus facile à obtenir avec un relais
statique).
Dans
certaines gammes de fonctionnement, un relais statique est moins cher
qu'un relais électromécanique. Il peut aussi être
moins volumineux, à
puissance égale.
Temps de commutation plus court.
Inconvénients du relais statique
Capacité de sortie plus élevée : de l'ordre
de 20 pF
contre 1 pF pour les relais mécaniques. Cette
particularité limite
fortement (voire interdit) l'usage de relais statique dans le domaine
des hautes fréquences.
Résistance à l'état passant plus
élevée (de l'ordre de 10 ohms contre 0,1 ohm avec un
relais mécanique).
Echauffement excessif quand il s'agit de commuter des
courants
importants (plusieurs ampères), ce qui peut imposer une
ventilation forcée (problème directement lié
à la valeur de la résistance à l'état
passant).
Plus grande difficulté d'inclure dans un même
boitier des contacts multiples (coût de fabrication bien plus
élevé).
Dans certaines applications, une déconnexion physique du
relais est nécessaire pour des questions de
sécurité, ce qui n'est pas toujours possible avec un un
relais statique.
Pour ces raisons, le relais électromécanique
possède encore des
avantages qui le font préférer dans certaines situations.
Protection des contacts d'un relais électromécanique
Les contacts mécaniques des relais
électromécaniques peuvent subir une érosion, un
encrassement ou une brulure si le type des signaux commutés
n'est pas adapté au type de contact. Ainsi, un relais
prévu pour commuter de fortes puissances, ne conviendra pas pour
commuter des signaux audio, car les contacts s'encrasseront rapidement,
du fait de l'absence d'un courant suffisant pour assurer un
"auto-nettoyage". De même, un petit relais utilisé pour
commuter des courants importants risque de voir ses contacts fondre et
se souder entre eux (si c'est le cas, direction poubelle). Une
attention particulière doit être aussi portée sur
la commutation de courants importants, qui génèrent
presque toujours un arc électrique (étincelle) entre les
contacts, au moment de la commutation. Il est primordial
d'éviter ces arcs afin de ne pas diminuer inutilement la
durée de vie du composant. En général, la mise en
parallèle d'un condensateur (de 100 nF à 680 nF par
exemple) sur les contacts qui arquent suffit, une cellule RC
série étant cependant conseillée (100 nF + 100
ohms par exemple).
Sur le schéma donné ci-avant en exemple, les contacts de
puissance numérotés 3 et 4 sont exploités. Ce sont
donc eux qui sont protégés par la cellule R1/C1.
Protection de la commande d'un relais électromécanique
Dans le cas des relais électromécaniques, la bobine peut
générer de fortes surtensions au moment où le
courant cesse de la traverser. Cette surtension (qui peut atteindre
plusieurs dizaines de volts ou plus de 100 volts, même avec une
alimentation de 12V) peut détruire le transistor ou la porte
logique qui la commande. Pour éviter tout risque de destruction
de la commande électronique qui précède le relais,
il est d'usage de placer une diode dite de roue libre, en
parallèle sur la bobine du relais. Cette diode doit être
cablée en inverse, c'est à dire cathode vers le
pôle le plus positif de l'alimentation (si vous la branchez
à l'envers, elle grillera instantanément dès la
première activation de la commande).
Sur le schéma donné ci-avant en exemple, le transistor Q1
est l'élement de commande qui commute le courant dans la bobine
du relais. Ce transistor a bien peu de chance de survie si
aucune
diode (D1 sur le schéma) n'est placée en parallèle
sur la bobine du relais.
Un exemple de commande d'un relais électromécanique
Comme nous l'avons vu auparavant, un relais peut commuter une tension
qui est différente de la tension de commande. Dans l'exemple qui
suit, un relais électromécanique de type 5V est
utilisé, la tension
d'alimentation du relais est donc une tension fixe de 5V, et la tension
de
commande peut varier de 2V à 9V. Si le relais doit être un
modèle 12V, changez simplement la valeur de la tension fixe
d'alimentation du relais pour l'adapter à sa tension de collage.
Voir aussi page Interfaces
logique 001.
La diode D1 est placée en parallèle du relais (en sens
inverse, souvenez-vous) pour protéger le transistor contre les
surtensions provoquées par la bobine du relais lors de sa mise
hors fonction. Le transistor Q1 est ici un 2N2222, mais un grand nombre
de transistors NPN peut convenir pour cette application (BC107, BC546,
entre autres). Le courant de base du transistor qui nait quand on
applique la tension de commande entre la borne Cde et la masse, est
limité par la résistance de base R1 de 2K7. La valeur de
cette résistance a été choisie pour que le courant
circulant dans la base du transistor soit suffisant pour provoquer le
collage du relais. La résistance R2 n'est pas obligatoire. Elle
peut être nécessaire si la tension de commande, au repos,
n'est pas totalement nulle (par exemple 0,6V) et si le relais colle
alors qu'il ne le devrait pas.
Remarque
: on peut très bien vouloir commander un relais 12V avec une
tension de
commande de 12V, ne serait-ce que pour une question de courant de
commande insuffisant. Par exemple, si on veut commander un relais 12V
de forte puissance de type "Auto", qui nécessite un courant de
commande
de l'ordre de 100 mA à 150 mA, et que la source délivrant
l'ordre
d'activation n'est pas en mesure de délivrer plus de 10 mA.
Notez que
dans ce cas précis, il faut utiliser un transistor adapté
au courant
collecteur qui le traversera. Dans l'exemple cité, prendre par
exemple un 2N1711 qui accèpte un courant collecteur max de 500
mA (les
2N2222 et BC107 seraient un peu juste pour ce type de relais).
Là
encore, de nombreux types de transistors peuvent convenir, à
vous d'en
trouver un qui convient bien en fonction du courant à commuter
et du
courant de commande disponible, qui à eux deux dictent les
caractéristiques principales du transistor (Ic max et gain). Si
le
courant de commande est vraiment très faible (quelques dizaines
ou
quelques centaines de micro-ampères), envisagez l'emploi d'un
transistor de type darlington, qui présente de nature un gain
très
important.
