Comprendre la construction des relais : des solénoïdes aux applications industrielles

Électricité et magnétisme

Quand un courant électrique traverse un conducteur, il génère un champ magnétique qui entoure le conducteur. Si le conducteur est enroulé en bobine, le champ magnétique s'aligne le long de l'axe de la bobine. Plus le courant est fort, plus le champ magnétique est fort, toutes choses égales par ailleurs.

Inductances et champs magnétiques

Les inductances résistent aux changements de courant en stockant de l'énergie dans leur champ magnétique. Dans un transformateur, deux bobines inductives partagent un noyau de fer commun pour que le champ d'une bobine puisse transférer de l'énergie à l'autre. Au-delà des transformateurs, les champs électromagnétiques peuvent être exploités pour le mouvement mécanique.

Solénoïdes

Quand un champ magnétique d'une bobine parcourue par un courant tire sur un objet magnétique proche — appelé l'armature — un solénoïde est formé. L'armature peut être entraînée par du CC ou du CA, et la polarité du champ est sans importance pour attirer le matériau ferreux. Les solénoïdes alimentent des verrous de porte, vannes, articulations robotiques et mécanismes d'interrupteurs. Quand un solénoïde actionne des contacts, le dispositif est appelé un relais.

Relais

Les relais sont indispensables pour contrôler de forts courants ou tensions avec un signal électrique modeste. La bobine peut ne tirer que quelques milliampères, tandis que les contacts peuvent porter des centaines d'ampères. En effet, un relais amplifie un signal de commande de faible puissance en une action de haute puissance. Cette propriété rend les relais essentiels dans les circuits logiques et l'automatisation industrielle.

Dans le schéma ci-dessus, une bobine 12 VCC énergise un contact unipolaire uniposition (SPST) qui interrompt un circuit 480 VCA. Les bobines de relais typiques tirent <1 A, tandis que les contacts industriels sont cotés pour 10 A ou plus.

Assemblage du relais

Un assemblage bobine/armature peut actionner plusieurs contacts — normalement ouverts, normalement fermés, ou un mélange. Les contacts sont dans leur état « normal » quand la bobine est dé-énergisée. Les types de contacts incluent plots métalliques à air libre, tubes au mercure, et lames magnétiques, choisis selon la capacité de courant, la résistance à la corrosion et la suppression d'étincelles.

Exemples de dispositifs relais physiques

Trois petits relais à base octale, chacun d'environ deux pouces de haut, sont montés sur un panneau de commande dans une station de traitement d'eau municipale. Les relais à base octale se branchent dans des socles fixés par huit broches métalliques, permettant un retrait et remplacement rapide.

Autres avantages des relais

Les relais fournissent une isolation électrique entre le circuit de bobine et le circuit de contact, permettant à un côté d'être en CC et l'autre en CA, ou de fonctionner à des niveaux de tension très différents. Cette isolation protège l'électronique de commande sensible des pics de haute tension.

Courant d'enclenchement et courant de décrochage

Les relais présentent de l'hystérésis. Pour actionner, la bobine doit fournir un courant minimum — connu comme le courant d'enclenchement (pull-in) — analogue au seuil d'entrée haut d'une porte logique. Une fois l'armature en position, un courant plus faible, le courant de décrochage (drop-out), suffit pour la maintenir là. La différence entre courants d'enclenchement et de décrochage crée un comportement de type déclencheur de Schmitt, assurant une opération marche/arrêt nette.

Révision

• Un solénoïde produit un mouvement mécanique à partir d'une bobine électromagnétique ; sa partie mobile est l'armature.
• Un relais est un solénoïde configuré pour actionner des contacts d'interrupteur quand énergisé.
• Le courant d'enclenchement est le courant minimal de bobine nécessaire pour déplacer l'armature de son état normal.
• Le courant de décrochage est le courant maximal de bobine en dessous duquel l'armature retourne à son état normal.

Fiches d'exercices associées

• Fiche d'exercices sur les relais électromagnétiques de base