Les relais électriques expliqués : Un guide sur leur fonctionnement et leurs types

Le relais n'est peut-être pas le composant essentiel et indispensable que l'on peut imaginer dans le vaste domaine de l'ingénierie électrique et de l'électronique, mais on peut affirmer sans risque qu'il est l'un des plus élémentaires et des plus adaptables. C'est une chose qui permet silencieusement la puissance et le contrôle complexes d'une infinité de systèmes, à commencer par le véhicule que vous conduisez ou l'usine automatisée qui crée l'objet que vous achetez tous les jours. Mais qu'est-ce que cet élément de crise et comment remplit-il son rôle le plus important ?

Ce tutoriel aborde en profondeur la question des relais électriques. Nous allons le décortiquer jusqu'à ses principes essentiels, contraster ses différentes variantes, examiner comment il a été utilisé dans la pratique et fournir des conseils pratiques sur la façon de le choisir, de le câbler et de le dépanner. Que vous soyez étudiant, bricoleur ou ingénieur, cette description approfondie vous permettra d'acquérir une solide connaissance du relais électrique.

Qu'est-ce qu'un relais électrique ?

Qu'est-ce qu'un relais ? Un relais électrique est un interrupteur électrique au sens le plus élémentaire du terme. L'application fondamentale de la puissance électrique relativement faible d'un circuit est de réguler l'interrupteur (ouverture/fermeture) d'un autre circuit, souvent beaucoup plus grand, et qui peut inclure une puissance ou un courant élevé. Le relais permet à un grand nombre de signaux de commande à faible courant de contrôler une charge électrique à forte puissance. Cette capacité n'est pas seulement une commodité ; elle est à la base des systèmes électriques contemporains et fournit trois valeurs fondamentales :

• Contrôle: Les relais offrent un moyen sûr d'effectuer la tâche autrement dangereuse consistant à transmettre un signal basse tension et basse intensité, par exemple un signal envoyé par un microcontrôleur ou un capteur, ou un simple interrupteur de tableau de bord, pour contrôler les actions d'un dispositif haute tension et haute intensité tel qu'un moteur, un compresseur ou un ensemble d'éclairages puissants.
• Isolation (isolation galvanique): C'est l'un des éléments de sécurité les plus importants d'un relais. Le circuit de commande (l“”entrée“) et le circuit de charge (la ”sortie") sont électriquement et physiquement découplés. Cette isolation permet d'éviter le transfert des signaux électriques de forte puissance du côté de la charge vers l'électronique de commande sensible, ainsi que vers l'équipement connecté et l'opérateur.
• Amplification : Au sens propre, un relais servira de amplificateur de signal. Un milliampère environ de courant à travers la bobine d'un relais peut contrôler efficacement un circuit de dizaines, voire de centaines d'ampères, et le relais peut donc être utilisé pour gérer de manière satisfaisante des charges inductives ou même des charges à courant continu, y compris des applications avec des courants plus élevés.

Le fonctionnement des relais : Les principes de base

Pour bien comprendre les relais, nous devons d'abord examiner le type de relais le plus courant et le plus naturel : le relais électromécanique (REM). Son fonctionnement est une manifestation réelle de l'électromagnétisme à l'œuvre, et il est utilisé conceptuellement dans la formulation d'autres types de relais.

Le DME est un ensemble d'éléments multiples qui doivent fonctionner en collaboration :

• Bobine: Un objet en forme de cylindre avec un fil de cuivre entouré d'un noyau métallique. Lorsque le courant passe dans ce fil, le noyau agit temporairement comme un aimant, un électro-aimant.
• Armature: Une pièce mobile en fer qui est attirée par la charge que constitue l'électro-aimant. Il est fait pour pivoter.
• Attelage: Une structure rigide en fer qui offre un chemin à faible réluctance au flux magnétique, sur la base duquel le champ magnétique est concentré sur l'armature.
• Contacts: Il s'agit des composants physiques du commutateur qui entrent en contact les uns avec les autres pour former un circuit et qui, s'ils sont séparés, coupent le circuit. Les relais ont différents types de contacts, comme les contacts normalement ouverts (NO) et les contacts normalement fermés (NC). La quantité et la nature des contacts dépendent de l'application en question.
• Normalement ouvert (NO) : Lorsque le relais n'est pas alimenté le jeu de contacts n'est pas connecté. Le circuit est ouvert.
  • Normalement fermé (NC): C'est l'inverse du normalement ouvert, les contacts du relais étant en contact lorsque le relais n'est pas alimenté. Il est fermé.
  • Commun (COM): L'induit est connecté à la borne qui est déplacée vers les contacts NO ou NC.
• Printemps: Une partie qui permet à l'armature de revenir à sa position de repos lorsque la bobine n'est plus alimentée.

Relais mécaniques et relais statiques (SSR)

Le relais électromécanique, malgré toute son ingéniosité, est un dispositif à pièces mobiles. Avec l'amélioration technologique, il existe une variante entièrement électronique, connue sous le nom de relais à semi-conducteurs (SSR). Bien qu'ils partagent le même objectif général, leur composition interne et la nature de leurs performances sont pratiquement différentes. Cette distinction est très importante dans la conception des systèmes modernes.

Un relais statique ne contient pas de pièces mobiles. La commutation de la charge électrique qu'il effectue se fait à l'aide de semi-conducteurs, notamment des thyristors, des TRIAC ou des transistors de puissance. Le signal de commande est conventionnellement connecté au semi-conducteur de commutation par l'intermédiaire d'un optocoupleur (une LED et un photodétecteur), ce qui assure une isolation galvanique absolue comme dans un relais EMR. Cela permet un fonctionnement sûr dans des circonstances plus exigeantes telles qu'une forte exposition à l'arc électrique ou la nécessité de réguler des appareils électroniques.

Voici une comparaison détaillée entre les deux :

Comme vous pouvez le constater, les relais statiques constituent la meilleure option lorsqu'un environnement exigeant en termes de fiabilité, de rapidité de commutation et de durée de vie est requis. Ils peuvent également être utilisés dans les systèmes de contrôle et d'automatisation modernes où leur fonctionnement est silencieux et résistant aux chocs et aux vibrations.

Pourquoi les systèmes modernes préfèrent-ils les relais statiques ?

Chez OMCH, nous sommes spécialisés dans les produits de haute performance Relais à semi-conducteurs conçus pour l'automatisation industrielle. Les SSR OMCH, comme la série OMCH SSR-DA/AA, offrent un contrôle précis et une durabilité exceptionnelle, éliminant les problèmes tels que résistance de contact ou le arc électrique qui peuvent se produire dans les relais mécaniques traditionnels. Cela garantit un temps de fonctionnement et une efficacité maximum pour les applications critiques telles que systèmes de contrôle de l'éclairage ou les systèmes de sécurité.

Applications et cas d'utilisation courants

La flexibilité des relais explique pourquoi ils sont utilisés dans pratiquement tous les domaines de la technologie. Ils sont également nécessaires dans un grand nombre d'applications en raison de leur capacité à conduire en toute sécurité des courants élevés ou des courants continus :

• Dans les systèmes automobiles: Une automobile du 21e siècle est un univers de relais. La raison pour laquelle ils sont nécessaires est que l'électronique de contrôle de la voiture (ECU, module de contrôle de la carrosserie) fonctionne avec des courants très faibles alors que des courants très élevés sont nécessaires pour des éléments tels que les phares, les moteurs de démarrage et les ventilateurs de refroidissement. Les relais comblent cette lacune, ainsi que la sécurité et l'efficacité apparentes du contrôle de ces charges lourdes par un petit interrupteur sur le tableau de bord ou un signal de l'ECU.
• Dans les panneaux de contrôle industriels: L'automatisation industrielle dépend en grande partie des relais. Ils sont des intermédiaires dans le panneau de contrôle entre l'équipement de haute puissance sur le sol de l'usine et le contrôleur logique programmable (PLC). Par exemple, un signal de sortie de 24 V CC d'un automate programmable peut activer un relais qui, à son tour, peut activer ou désactiver un moteur triphasé de 480 V CA. Les relais SSR ont des applications spéciales car ils ont une longue durée de vie dans les utilisations à cycle élevé telles que le contrôle des chauffages et les entraînements de moteurs.
• Dans Maison intelligente et projets de bricolage: Dans les projets où l'amateur ou le créateur a besoin de faire communiquer ses projets avec le monde réel, les relais sont la solution. Une petite machine telle qu'une lampe, une cafetière ou un appareil ménager ne peut pas être alimentée directement par un petit microcontrôleur tel qu'un Arduino ou un Raspberry Pi. Avec un module relais, le microcontrôleur peut être utilisé pour commuter en toute sécurité le courant alternatif que l'on peut trouver dans une maison et cette disposition est la base de tout projet de maison intelligente ou d'automatisation imaginable.

Comment choisir le bon relais

Le choix du bon relais est essentiel pour la sécurité et la fiabilité de votre circuit. Il s'agit d'adapter les spécifications du relais aux exigences de votre application. Tenez compte des facteurs importants suivants :

• Tension et courant de charge: C'est la spécification la plus importante. Quelle est la tension (AC ou DC) de l'appareil à commuter ? Quelle est l'intensité du courant nécessaire au fonctionnement de l'appareil ? Ces valeurs doivent être inférieures à la valeur nominale du contact (ou de la sortie) du relais. N'oubliez jamais la marge de sécurité de 20 à 30 %.
• Tension du signal de commande: La tension nécessaire pour compléter l'excitation de la bobine du relais (un EMR) ou du circuit d'entrée (un SSR). Elle doit être égale ou supérieure à la sortie de votre dispositif de contrôle (par exemple, un Arduino donne 5V, une batterie de voiture donne 12V, un PLC donne 24V).
• Fréquence de commutation: Quel est le nombre de fois que le relais doit être activé et désactivé ? Dans la plupart des applications de commutation (plus d'une fois par seconde), seul un relais statique est viable, car même un relais EMR est susceptible de tomber en panne mécaniquement en raison du nombre élevé de commutations.
• Environnement Facteurs: L'environnement des opérations. Existe-t-il des vibrations ou des chocs importants ? Les opérations doivent-elles se dérouler dans le silence ? Des gaz explosifs sont-ils impliqués (où un relais scellé sera nécessaire) ? Le relais SSR est généralement une alternative meilleure et plus sûre dans les environnements à fortes vibrations tels que ceux où le silence et des mesures de haute fiabilité sont nécessaires.

Guide pratique du câblage des relais

Un schéma de numérotation standard est utilisé pour numéroter les bornes de la plupart des relais automobiles et industriels, ce qui simplifie le câblage de ces relais. Les numéros les plus fréquents sont les suivants :

• 85 & 86 : Ce sont les bornes de la bobine du relais. Le relais sera activé en appliquant la bonne tension sur ces bornes. La polarité n'a pas d'importance dans la majorité des relais à courant continu, bien qu'ils puissent avoir une diode de suppression interne, auquel cas ils seront marqués.
• 30 : La borne commune. Elle est généralement liée à l'alimentation du circuit de charge.
• 87 : Borne normalement ouverte ( NO ). C'est la borne 30 qui est alimentée lorsque le relais se ferme.
• 87a : Le contact normalement fermé (NC) (sur les relais à 5 broches). C'est la borne d'extrémité qui est connectée à la borne 30 lorsque le relais n'est pas en action.

Dépannage des problèmes courants liés aux relais

Le relais est généralement responsable de la défaillance d'un circuit, en particulier si la source d'alimentation ne fonctionne pas correctement. Vous trouverez ci-dessous quelques-uns des problèmes habituellement rencontrés et la manière dont ils sont diagnostiqués :

Problème 1: Le relais émet un “clic”, mais la charge ne fonctionne pas.

• Cause possible: Cela signifie que le circuit de commande (la bobine est alimentée) est correct ; il y a un défaut sur le circuit de charge. Les contacts internes du relais peuvent être très usés ou brûlés (piqués), de sorte qu'aucun bon contact électrique ne peut être établi. Cela peut également être dû à une charge mal connectée, à un fil déconnecté ou cassé ou à un fusible grillé du côté de la charge (broches 30 et 87).

Problème 2: Le relais devient très chaud.

• Cause possible: Dans le cas d'un relais EMR, une bobine ne peut être connectée que jusqu'à une certaine tension avant que la bobine ne devienne trop chaude et ne brûle. Dans les relais EMR et SSR, si le relais est trop petit pour gérer le courant de charge, il surchauffe progressivement et tombe en panne.

Problème 3: Le relais est toujours activé ou désactivé.

• Cause possible: Lors d'un EMR, un pic de courant important peut même souder les contacts internes, laissant le relais en mode “marche”. À son tour, le fil de la bobine brûlé ne lui permettra jamais de s'enclencher. Une surtension ou une surintensité importante dans un relais SSR peut endommager le semi-conducteur interne, le rendant définitivement ouvert (ou fermé définitivement par un anti-fusible).