Schéma de câblage d'un capteur de proximité : connexions PNP, NPN, à 2 fils et à 4 fils

Si vous avez recherché “ schéma de câblage d’un capteur de proximité ”, vous avez probablement devant vous l’une des deux situations suivantes : soit un capteur flambant neuf et une entrée qui en a besoin pour fonctionner, soit un vieux capteur dont l’étiquette s’est effacée il y a des années. Ces deux types d’intervention requièrent les mêmes compétences. Vous devez lire le schéma de câblage en comprenant ce que fait réellement la sortie du capteur, plutôt que de mémoriser un schéma en espérant qu’il corresponde à votre appareil.

Ce guide vous accompagne tout au long du processus : la boucle à trois fils commune à tous les schémas, les types de sortie qui déterminent le mode de câblage (PNP, NPN, 2 fils, 4 fils, relais), comment identifier un capteur sans étiquette et le faire correspondre à la carte d'entrée de votre automate programmable, ainsi que les informations à noter avant de commander une pièce de rechange. Les capteurs inductifs, capacitifs et photoélectriques se câblent tous de la même manière. Le principe de détection n’influe pas sur le schéma de câblage ; par conséquent, toutes les informations ci-dessous s’appliquent aux trois types de capteurs.

Comment lire un schéma de câblage d'un capteur de proximité : les trois fils et la boucle

Tout schéma de capteur de proximité à courant continu, aussi chargé soit-il, représente un circuit représenté de trois façons différentes : une alimentation, un interrupteur et une charge. Le capteur fait office d’interrupteur. La seule question à laquelle répond un schéma de câblage est de savoir où se situe cet interrupteur dans le circuit. Pour un capteur à 3 fils, la réponse est toujours indiquée par les trois mêmes couleurs.

Un capteur de proximité à courant continu à 3 fils comporte exactement trois connexions, normalisées selon la norme EN 60947-5-2 (Base de connaissances Pepperl+Fuchs):

• Brown (BN) : offre positive
• Bleu (BU) : alimentation négative / 0 V
• Noir (BK) : sortie commutée

Les fils marron et bleu constituent les lignes d'alimentation ; ils sont identiques sur tous les capteurs à 3 fils que vous rencontrerez. C'est le fil noir qui est au cœur de l'action. Il s'agit de la sortie du commutateur, et il ne fait rien de lui-même. Un commutateur ne fonctionne que lorsqu'une charge est connectée à son extrémité opposée. Le fil de sortie doit être relié à votre charge (une entrée d'automate programmable, une bobine de relais ou un contacteur) avant de revenir vers le en face rail d'alimentation. Un capteur dont les fils marron et bleu sont sous tension, mais dont le fil noir n'est pas raccordé, correspond à un interrupteur qui n'a rien à commuter.

Deux autres points à noter avant de poursuivre. Premièrement, ce code couleur relève d’une convention de la norme EN 60947-5-2 et non d’une loi physique : les anciens capteurs, certains modèles à courant alternatif et une minorité d’appareils bon marché utilisent d’autres couleurs. En cas de divergence entre le schéma et les fils, fiez-vous au schéma et vérifiez à l’aide d’un multimètre (la méthode d’identification est décrite dans les sections suivantes). Deuxièmement, si vous avez recherché “ schéma de câblage d’un capteur de proximité inductif ” ou “ schéma de câblage d’un capteur photoélectrique ”, ne cherchez pas un autre schéma. L’élément de détection (bobine inductive, plaque capacitive ou récepteur optique) se trouve à l’intérieur du boîtier et n’apparaît jamais dans le schéma de câblage. Seul l’étage de sortie y figure.

Les types de sortie déterminent le câblage : PNP/NPN à 3 fils, à 2 fils, à 4 fils, relais

Les trois fils sont identiques sur tous les schémas. Ce qui change d'un schéma à l'autre, c'est le rail vers lequel est commuté le fil de sortie noir. Il s'agit du type de sortie du capteur, et c'est cette seule information qui détermine quel schéma s'applique à votre appareil.

PNP et NPN à 3 fils (les types que vous rencontrerez le plus souvent)

La plupart des capteurs de proximité industriels commercialisés aujourd'hui sont des modèles à courant continu à 3 fils ; ces modèles à 3 fils se déclinent en deux types de sortie qui partagent les mêmes couleurs :

• PNP (sortie “ sourcing ”) : lorsque le capteur détecte sa cible, le fil noir est commuté vers le positif rail. La sortie sources du courant vers votre charge. L'autre extrémité de la charge est reliée à 0 V.
• NPN (sortie “ sinking ”) : lorsque le capteur détecte sa cible, le fil noir passe à l'état négatif rail. La sortie éviers le courant provenant de votre charge. L’autre extrémité de la charge est reliée à +24 V.

Un seul élément mémoristique subsiste du travail de terrain : PNP = activé Ppositif, NPN = activé NNon. Les couleurs des fils sont identiques : marron pour le pôle positif (+), bleu pour le pôle négatif (−) et noir pour l'entrée. Si vous comparez côte à côte un schéma PNP et un schéma NPN, ils ne diffèrent que sur un seul point : l'emplacement de la connexion à l'extrémité de la charge.

La plupart des capteurs CC à 3 fils acceptent une tension d'alimentation comprise entre environ 10 et 30 V CC (vérifiez la plage d'alimentation indiquée sur la plaque signalétique de votre appareil avant de le mettre sous tension), et la grande majorité d'entre eux sont livrés en version normalement ouverte (NO). La sortie commute lorsqu'une cible entre dans la zone de détection. Il existe également des versions normalement fermées (NC), couramment utilisées dans les circuits de sécurité et anti-arrimage, dont il est question dans la section « Commande » ci-dessous.

Modèles à 2 fils et modèles à courant alternatif

Un capteur de proximité à deux fils ne dispose pas de fil de sortie distinct. Le contact du capteur est raccordé en série avec la charge, exactement comme un interrupteur de fin de course ou un interrupteur à flotteur. Le courant circule à travers le capteur, traverse la charge, puis revient. L'alimentation et le signal partagent les deux mêmes fils. Cette topologie en série présente deux caractéristiques qui peuvent prêter à confusion :

• Courant de fuite hors état. Un capteur à deux fils ne peut pas être un interrupteur parfaitement ouvert ; il a besoin d'un faible courant pour alimenter son propre circuit électronique lorsqu'il est “ désactivé ”. Ce courant de fuite est généralement de l'ordre de 1 à 2 mA (certaines références indiquent une valeur inférieure, d'autres supérieure : consultez la fiche technique) courant hors état). Si l’entrée de l’automate programmable ou le relais à l’autre extrémité nécessite un courant inférieur à cette valeur pour se désactiver, l’entrée ne passe jamais à l’état “ désactivé ”, et le capteur semble rester activé en permanence. Il s’agit là de la plainte classique concernant les “ capteurs à deux fils qui ne se désactivent jamais ”. La solution standard sur site consiste à installer un résistor de décharge : une résistance de 10 kΩ en parallèle sur l’entrée (dimensionnée en fonction de la tension, d’au moins 0,5 W à 24 V) afin que le courant de fuite puisse s’écouler quelque part.
• Chute de tension en conduction. Lorsqu'il est “ activé ”, un dispositif en série provoque une chute de tension au niveau de celui-ci. La charge reçoit la tension d'alimentation moins la tension résiduelle du capteur ; ainsi, une charge de 24 V à la limite de ses capacités risque de ne pas fonctionner correctement. Vérifiez toujours que la charge peut supporter cette chute de tension.

Les capteurs à 2 fils en courant continu sont sensibles à la polarité (l'inversion des fils marron et bleu endommage de nombreux appareils ; vérifiez la présence d'une protection intégrée contre l'inversion de polarité). Les capteurs à 2 fils CA (généralement de 110 à 240 V CA) sont indifférents à la polarité. Vous pouvez les câbler dans les deux sens, ce qui explique pourquoi les anciens détecteurs de proximité à courant alternatif sont si courants dans les travaux de modernisation. Les modèles à courant alternatif fonctionnent selon le même principe de courant de fuite, mais avec une sortie de type triac ; ils sont généralement remplacés par des modèles à courant continu dans les nouveaux tableaux électriques.

Sortie à 4 fils et sortie relais

• Capteurs à 4 fils comporter deux fils d'alimentation et deux fils de sortie: généralement une sortie normalement ouverte et une sortie normalement fermée (ou, dans certaines conceptions, des sorties PNP et NPN complémentaires) qui commutent simultanément. Raccordez la paire dont vous avez besoin ; la sortie inutilisée reste simplement non raccordée. Utilisez un modèle à 4 fils lorsque votre circuit a réellement besoin des deux états : un signal “ pièce présente ” vers l'automate programmable et un signal “ pièce absente ” vers un voyant, par exemple.
• Capteurs à sortie relais Placez un véritable contact sec à l'intérieur du boîtier. La sortie est un contact isolé qui commute le courant alternatif ou continu, indépendamment de l'alimentation propre du capteur. Cette isolation fait des appareils à sortie relais les plus faciles à adapter à n'importe quelle entrée, au prix d'une réponse plus lente et d'une durée de vie mécanique limitée. Ils conviennent mieux à la détection à basse fréquence (portes, positions, niveau) qu'au comptage à grande vitesse.

Avant de procéder au câblage : identifiez le type de sortie et choisissez une carte d'entrée adaptée

La plupart des pannes de câblage ne sont pas en réalité des pannes de câblage. Ce sont incohérence dysfonctionnements. Le capteur fonctionnait correctement, le schéma était exact, mais les deux éléments ne s'accordaient tout simplement pas sur le rail vers lequel la sortie devait basculer. Cette section vous aide à régler ce problème avant toute mise sous tension : identifiez le type de votre capteur, déterminez les besoins de votre entrée, puis, et seulement à ce moment-là, reliez les deux éléments entre eux.

Étape 1 — Identifiez le capteur : pas d'étiquette ? Utilisez un multimètre

Si le capteur est muni d'une plaque signalétique, relevez-y le type de sortie : PNP, NPN, 2 fils CC, ou le code de modèle du fabricant correspondant à l'un de ces types. Si l'étiquette est effacée ou si le capteur provient d'une ligne de production mise hors service, effectuez le test à deux fils :

1. Alimentez le capteur : le fil marron à +24 V, le fil bleu à 0 V, à partir d'une petite alimentation en courant continu.
2. Réglez le multimètre sur la mesure de tension continue. Placez la sonde rouge sur le +24 V et la sonde noire sur le fil noir (de sortie).
3. Placez une cible (un boulon en acier convient pour les modèles inductifs) devant la surface de détection, puis relevez la tension lorsqu'elle est détectée, puis à nouveau lorsqu'elle ne l'est plus.

Si la valeur mesurée est proche de 24 V lorsqu’un signal est détecté et proche de 0 V lorsqu’il n’y a pas de signal, la sortie passe au niveau négatif lorsqu’elle est active. Il s’agit d’un NPN unité. Si c'est l'inverse (près de 0 V lorsqu'il est détecté, près de 24 V lorsqu'il n'est pas détecté), la sortie passe en positif. C'est un PNP unité. Une valeur qui ne change jamais indique soit que l'unité est normalement fermée (branchez et débranchez la cible pour comparer), soit que le capteur est hors service. Notez que, sur certaines conceptions, une sortie sans charge peut présenter une tension flottante imprévisible. Si les valeurs semblent instables, effectuez un test en connectant une petite charge (une bobine de relais ou une entrée d'automate programmable).

Les testeurs de capteurs spécialisés le font automatiquement : il suffit de brancher les fils marron, bleu et noir pour qu'un voyant PNP/NPN s'allume. Si vous remplacez régulièrement des capteurs, le testeur est rentabilisé en dix minutes, le temps que vous gagnez en évitant de tâtonner.

Étape 2 — Identifier la donnée d'entrée : source ou puits, et pourquoi tout le monde s'y oppose

Voici la phrase qui déclenche toutes les polémiques sur les PNP et les NPN sur tous les forums : Le fabricant du capteur désigne la sortie en fonction de son transistor (PNP ou NPN), tandis que le fabricant de l'automate programmable désigne l'entrée en fonction du sens du courant qu'elle accepte (source ou puits). Ces deux terminologies décrivent le même appariement à partir de points de vue opposés.

• A Capteur PNP sources un courant sort de son fil noir, ce qui alimente un en train de couler entrée (le courant circule vers l'entrée).
• Un Capteur NPN éviers courant à partir de son entrée, ce qui lui permet d’alimenter un approvisionnement saisie.

“Les termes ” source “ et ” puits “ sont toujours définis par rapport au dispositif que l'on examine. C'est pourquoi ce qu'un ingénieur appelle ” un capteur de type source nécessitant une entrée de type puits “ correspond à ce qu'un autre appelle ” un module d'entrée de type puits », et c'est pourquoi les catalogues et les messages sur les forums semblent se contredire. Lorsqu'une fiche technique vous laisse perplexe, schématisez la boucle de courant. Le courant de la sortie PNP doit circuler dans la borne d'entrée de la carte et la borne commune de la carte. Peu importe le nom que la carte donne à cette configuration, si la boucle se ferme de cette manière, elles correspondent.

Dans la pratique, les conventions régionales se répartissent clairement en deux catégories :

• L'Europe et l'Amérique du Nord Optez pour des capteurs PNP à entrées « sinking ». La plupart des entrées numériques des automates Siemens S7-1200/S7-1500 et Rockwell ControlLogix/CompactLogix sont des entrées « sinking » de type 1 conçues pour les capteurs PNP à 3 fils (prise en charge par Siemens SiePortal des entrées de type 1 sur le S7-1200 : référence du forum; Le module d'entrée 1756-IB16 de Rockwell est un module à masse, câblé pour fonctionner avec des capteurs PNP en mode source, conformément à la fiche technique 1756-TD002 : Documentation Rockwell).
• Le Japon et une grande partie de l'Asie La norme a été établie très tôt pour les capteurs NPN à entrées de type « sourcing ». Les automates Mitsubishi et Omron sont généralement livrés avec des cartes d'entrées conçues pour que le pôle négatif soit commuté. Il s'agit là d'un héritage de l'époque où l'étage de sortie nécessitait un transistor de moins, et non d'une différence de performances.

La seule précaution technique à prendre avec les circuits NPN : une sortie NPN est “ activée ” lorsque son transistor est court-circuité à la masse ; un court-circuit à la masse sur le fil de signal Cela ressemble à un signal valide.. Dans les circuits où un faux “ marche ” peut être dangereux (verrouillages de sécurité, surveillance des arrêts d’urgence), les sorties PNP ou à relais sont préférables. En effet, un fil cassé ou court-circuité provoque alors un “ arrêt ”, ou est au moins détectable.

Étape 3 — Vous avez déjà acheté le mauvais modèle. Solutions sur le terrain, par ordre de permanence

Tout le monde peut se retrouver confronté à des incompatibilités : un lot entier commandé en PNP pour une carte à polarité négative, un capteur NPN prélevé en stock pour une entrée de source. Il existe trois solutions, qui diffèrent par leur caractère permanent.

1. Relais d'interface (solution durable). La sortie du capteur actionne la bobine d’un petit relais ; le contact du relais commande l’entrée. Qu’il s’agisse d’une sortie PNP vers une entrée de type « source » ou d’une sortie NPN vers une entrée de type « puits », la conversion s’effectue proprement de cette manière. Le coût se limite à un relais et à un peu d’espace sur le panneau, mais la conversion est isolée électriquement, ne pose aucun problème lié aux niveaux logiques et reste facile à comprendre par le personnel de maintenance par la suite.
2. Résistance de pull-up / pull-down (la solution rapide, mais avec de réelles limites). Un capteur NPN connecté à une entrée de type « sourcing » peut être adapté à l’aide d’une résistance de pull-up reliant la borne d’entrée à +24 V ; un capteur PNP connecté à une entrée de type « sinking » peut être adapté à l’aide d’une résistance de pull-down reliant la borne d’entrée à 0 V. Les valeurs de départ courantes sont de 10 kΩ (0,5 W à 24 V). Mais cela a un coût : la résistance ajoute une charge de courant permanente à la sortie du capteur ; ainsi, une valeur insuffisante provoque une surchauffe et détruit le transistor de sortie à terme. Si vous recourez à cette solution, mesurez le courant réel, choisissez une résistance dont la puissance nominale est au moins le double de la dissipation calculée, et considérez cette solution comme temporaire jusqu’à l’arrivée du composant approprié.
3. Remplacez le module d'entrée. Cela vaut le coup lorsque plusieurs capteurs partagent une même carte.

Pourquoi un décalage direct entraîne-t-il généralement pas Peut-il causer des dégâts ? L'impédance interne d'une entrée d'automate limite le courant à quelques milliampères, ce qui est sans danger. En cas de mauvaise correspondance, le capteur peut présenter deux types de dysfonctionnement : “ l'entrée ne s'active jamais ” ou “ l'entrée s'active en permanence ”, mais il n'y a pas de dégagement de fumée. C'est également la raison pour laquelle un capteur mal raccordé peut sembler hors service alors qu'il fonctionne parfaitement. Le mauvais raccordement ne brûle pas le capteur ; il empêche simplement la formation d'un circuit détectable par l'entrée.

Vous devez remplacer un capteur ? Sept caractéristiques à noter avant de passer commande

Une fois que vous avez déterminé le type de l'ancien capteur et les caractéristiques requises par votre carte d'entrée, c'est au moment de commander la pièce de rechange que les problèmes de compatibilité apparaissent réellement acheté. Un capteur compatible sur sept points s'installe en quelques minutes. Un capteur compatible sur six points est livré, ne fonctionne pas et doit être renvoyé. Avant de passer commande, notez bien les points suivants :

Passez en revue cette liste ligne par ligne en la comparant au code de type de la carte d’entrée avant de cliquer sur « Commander ». Deux remarques. Premièrement, « NC » n’est pas une préférence ; c’est un choix de circuit. Dans un circuit de détection d’arrêt ou de sécurité, un capteur qui se met en circuit ouvert en cas de fil rompu constitue la solution la plus sûre ; c’est donc « NC » qui s’impose ici, tandis que « NO » est indiqué pour les applications de comptage et de détection de présence. Deuxièmement, si l’ancien appareil était à 2 fils et que le nouveau est à 3 fils (ou inversement), le câblage d’entrée change complètement. Le passage d’un système à 2 fils à un système à 3 fils nécessite de réexaminer le câblage commun de l’entrée, et non pas simplement de recâbler en conservant les mêmes positions.

Lorsque la pièce de rechange arrive, trois minutes de vérification permettent d'éviter un deuxième déplacement. Commencez par vérifier l'ordre des fils par rapport au schéma, hors tension. Mettez ensuite l'appareil sous tension et actionnez la sortie sur une charge connue : la commutation s'effectue-t-elle ? Enfin, connectez-le à l'entrée réelle et vérifiez que l'entrée détecte bien la transition, y compris le contrôle de fuite à deux fils effectué précédemment, au cas où l'ancien capteur serait resté “ bloqué en position ouverte ”.”

Le marché du remplacement : un approvisionnement par type de produit, et non par marque

Chacune des étapes d'identification et de classement décrites ci-dessus s'explique par une réalité structurelle propre au secteur de la maintenance. Un capteur de proximité usé est remplacé en fonction de son modèle, et non de sa marque. La machine installée dans l'usine ne se soucie pas de savoir quel logo figurait sur la pièce défectueuse. Ce qui compte pour elle, c'est que le type de sortie, l'état, la tension, le câblage et la distance de détection de la pièce de rechange correspondent à ce qui est prévu dans le schéma de câblage d'origine. Lorsqu'une étiquette a disparu et que le fournisseur d'origine a cessé son activité, le “ type ” est la seule spécification qui puisse être récupérée.

La question relative au remplacement porte sur le type de produit, et non sur la marque

Pour les distributeurs et les sociétés commerciales opérant sur les marchés de la réparation et de la maintenance, ce constat bouleverse la logique de gestion des stocks. La demande qui revient le plus souvent n’est pas “ vendez-vous la marque X ? ”, mais “ le capteur de notre machine d’emballage est tombé en panne, aidez-nous à trouver un modèle compatible ”. Le devis qui remporte cette demande précise le type de sortie, l’état, l’alimentation, le câblage et la distance de détection, et indique à laquelle des deux cartes d’entrée possibles du client il correspond. Un devis qui ne mentionne qu’une marque et un prix pousse le client à s’adresser au fournisseur suivant pour reposer la même question. La liste en sept points ci-dessus résume la différence entre ces deux types de devis. C’est pourquoi “ noter le type ” est la compétence qui permet d’éviter que les commandes de pièces de rechange ne se transforment en retours de marchandise.

La gestion des stocks suit la même logique, et la répartition régionale évoquée dans la section précédente se traduit par un choix en matière de gestion des stocks. Si les panneaux de vos clients ont été fabriqués en Europe ou en Amérique du Nord, le parc installé est majoritairement de type PNP avec des entrées à niveau bas. Stockez des composants PNP à 3 fils comme gamme standard, ainsi que des unités à 2 fils en courant continu et à sortie relais pour les machines plus anciennes. Si vos clients utilisent des équipements de fabrication japonaise ou asiatique (Mitsubishi, Omron et leurs nombreux compatibles), le parc installé est majoritairement de type NPN avec des entrées de type ’ sourcing », et une gamme NPN constitue la gamme standard, et non une commande spéciale. La plupart des clientèles mixtes ont besoin d’avoir les deux types de rails en stock, ainsi qu’un petit rayon dédié aux modules CA à 2 fils pour les véritables machines anciennes.

Gestion des stocks par région — et valorisation de la compétence en matière d’interconnexion

Il convient de préciser clairement une limite. Cette logique de gestion des stocks convient au petit distributeur “ tout-en-un ” qui dessert les marchés de la réparation et des petites séries : une clientèle qui commande une douzaine d’unités de différents types et regroupe ses commandes dans un seul conteneur. Elle ne convient pas à l’approvisionnement de projets portant sur une gamme complète, où un intégrateur achète des capteurs en gros sur la base d’une seule nomenclature. Elle ne convient pas non plus au réapprovisionnement direct depuis l’usine. Ces acheteurs connaissent déjà le type de produit dont ils ont besoin. C’est sur le marché du remplacement que la connaissance des types de produits réside de votre côté du comptoir. Et cette connaissance, qui se résume ainsi : « Dites-moi ce dont votre machine a besoin, et je vous dirai quelle pièce s’y adapte », est un service, pas une simple page de catalogue. Le fournisseur qui répond en premier à la question du type de produit remporte la commande. Celui qui ne répond qu’à la question du prix se retrouve comparé aux autres.

Si vous êtes en train de fixer un capteur dont l'étiquette est usée ou un schéma de câblage à peine lisible, vous n'avez pas à vous débrouiller seul. OMCH trouve les capteurs de remplacement correspondant à une marque et à un numéro de modèle, à partir de schémas ou d'un échantillon physique : envoyez-nous vos spécifications ou l'ancien capteur, et nos ingénieurs en sélection vérifieront le type de sortie, l'état et le câblage requis par votre circuit avant que vous ne passiez commande. Commencez par la liste de contrôle en sept points (envoie-le ici).

Références

1. Pepperl+Fuchs. “ Capteurs inductifs — Raccordements électriques ”. Base de connaissances : couleurs des fils et affectation des broches selon la norme EN 60947-5-2. https://www.pepperl-fuchs.com/
2. Rockwell Automation. “ Spécifications des modules d'E/S ControlLogix 1756 — Données techniques (1756-TD002) ”. PDF : modules d'entrée à courant absorbé et câblage des capteurs PNP. https://literature.rockwellautomation.com/
3. Siemens. “ Connexion des E/S numériques au S7-1214C ”. Fil de discussion du forum d'assistance SiePortal : entrées de type 1 et connexion des capteurs à 3 fils. https://sieportal.siemens.com/