Guide Expert des Circuits de Commutation à Relais Électroniques : Conceptions NPN, PNP et Canaux N/P

Schéma et Fonctionnement d'un Circuit de Commutation à Relais Électronique

Il existe une variété de dispositifs électriques et électroniques classés comme sorties ; ces dispositifs servent à contrôler ou actionner un processus physique externe d'une machine ou d'un appareil. On les appelle communément actionneurs.

Ces actionneurs convertissent l'énergie électrique en grandeur physique : force, vitesse, etc. Un relais est fondamentalement un actionneur binaire à deux états stables. Dans cet article, nous détaillerons les circuits de commutation à relais, leurs conceptions et leurs caractéristiques.

Qu'est-ce qu'un Relais Électrique ?

Ce sont des interrupteurs commandés électriquement, disponibles sous diverses formes, tailles et puissances. Les relais électriques conviennent à presque tous les types d'applications. Un relais peut comporter un ou plusieurs contacts dans un même boîtier. Les relais de forte puissance, appelés contacteurs, sont principalement utilisés pour la commutation de tension secteur ou de forts courants. Voyons les classifications des relais.

• Article connexe : Disjoncteur Électronique – Schéma et Fonctionnement

Les relais électriques se divisent essentiellement en deux sous-catégories :

Relais Électromécaniques :

Comme leur nom l'indique, les relais électromécaniques sont des dispositifs électromagnétiques. Ils convertissent le flux magnétique généré par un signal de commande électrique en une force mécanique d'attraction qui actionne les contacts électriques à l'intérieur du commutateur. La forme la plus simple et la plus courante est constituée d'une bobine d'excitation enroulée autour d'un noyau de fer perméable. Cette bobine est aussi appelée circuit primaire.

Les relais électromécaniques sont utilisés dans les circuits de commande et de commutation électriques et électroniques généraux. Ils sont soit montés directement sur circuits imprimés (PCB), soit installés en version autonome. En configuration autonome, les courants de charge sont généralement de l'ordre de l'ampère.

• Article connexe : Différence entre Relais et Disjoncteur

Construction d'un Relais Électromécanique

Les relais sont configurés en deux modes : « Normalement Ouvert » (NO) ou « Normalement Fermé » (NF). Une paire de contacts est dite NO (contacts de travail) et l'autre NF (contacts de repos).

En position « normalement ouvert », les contacts se ferment uniquement quand le courant d'excitation est « ON ». En position « normalement fermé », les contacts sont attirés vers la bobine d'induction. L'un des éléments les plus importants d'un relais électrique est la bobine. Elle convertit le courant électrique en flux électromagnétique, utilisé pour actionner mécaniquement les contacts du relais. Le principal problème des bobines de relais est qu'elles constituent des charges hautement inductives. La bobine est généralement constituée de fils enroulés.

Lors du passage du courant, un champ magnétique auto-induit se génère autour de la bobine. Quand le courant est coupé (« OFF »), une forte tension de contre-électromotrice (fem) apparaît, due à l'effondrement du flux magnétique. Cette tension inverse induite est bien supérieure à la tension de commutation et peut endommager tout dispositif semi-conducteur (transistor, FET, microcontrôleur) utilisé pour commander le relais.

Note : Les termes « Normalement Ouvert » et « Normalement Fermé » (ou « Travail » et « Repos ») font référence à l'état des contacts électriques lorsque la bobine du relais est « désexcitée », c'est-à-dire sans tension d'alimentation.

Point important : « Il est déconseillé de connecter des contacts de relais en parallèle pour supporter des courants de charge plus élevés ». Exemple : n'alimentez jamais une charge de 10 A avec deux contacts de relais en parallèle ayant chacun une capacité de 5 A.

Les contacts de relais sont construits avec des pièces conductrices laissant passer le courant quand ils sont en contact. Ils fonctionnent comme un interrupteur. Dès l'ouverture des contacts, la résistance entre eux devient très élevée, créant une condition de circuit ouvert et aucun courant ne traverse le relais.

Au fil du temps, les pièces mobiles d'un relais électromécanique s'usent et finissent par tomber en panne, ou l'arc électrique constant et l'érosion rendent le relais inutilisable. De plus, ils sont bruyants électriquement et souffrent de rebonds de contacts qui peuvent affecter le circuit auquel ils sont connectés. Pour surmonter ces inconvénients, un autre type de relais a été développé : le relais à état solide.

Relais à État Solide (SSR) :

Le relais à état solide ne possède aucune pièce mobile. C'est un dispositif purement électronique : les contacts mécaniques sont remplacés par des transistors de puissance, des thyristors ou des triacs.

L'absence de pièces mobiles rend le relais hautement fiable, durable et réduit les interférences électromagnétiques. Cela rend le relais à état solide bien plus rapide et précis que le relais électromécanique conventionnel. Les besoins en puissance de commande d'un SSR sont généralement assez faibles pour être compatibles avec la plupart des familles de circuits intégrés.

Comme le dispositif de commutation de sortie d'un SSR est un composant semi-conducteur, la chute de tension aux bornes de sortie lorsqu'il est « ON » est bien plus élevée que celle d'un relais électromécanique : typiquement entre 1,5 et 2,0 volts. Un radiateur supplémentaire sera nécessaire pour commuter de forts courants pendant de longues périodes.

On peut les utiliser sans avoir besoin d'ajouter des drivers ou amplificateurs. Cependant, ils doivent être montés sur des radiateurs adaptés pour éviter la surchauffe du dispositif de commutation semi-conducteur. La conception et le type de circuit de commutation de relais sont très variés. Un relais permet de commuter un ou plusieurs pôles, comme un simple circuit d'interrupteur. Chaque pôle d'un relais a des contacts qui peuvent être basculés de trois manières différentes :

• Article connexe : Comment Tester un Relais ? Vérification SSR et Relais à Bobine

Différentes façons de basculer un relais :

• Contact Normalement Ouvert (NO) : aussi appelé contact de travail. Ce contact ferme le circuit quand le relais est activé. Il ouvre le circuit quand le relais est inactif.
• Contact Normalement Fermé (NF) : connu comme contact de repos. Son fonctionnement est opposé au contact NO. Quand le relais est activé, le circuit s'ouvre. Quand le relais est désactivé, le circuit se ferme.
• Contacts Inverseurs (CO) / Double Éclatement (DT) : ils permettent de commander un contact NO et un contact NF avec une borne commune. Ils contrôlent ainsi deux types de circuits. Selon leur type, on les appelle contacts « rupture avant travail » et « travail avant rupture ».

Important :

Les relais sont conçus pour deux opérations de base : applications basse tension et haute tension. Pour les basses tensions, le relais est conçu pour réduire le bruit du circuit. Pour les hautes tensions, il est principalement conçu pour réduire le phénomène d'arc électrique.

Quelques façons courantes de commander des relais :

Module d'interface entrée/sortie relais (modules I/O) : autre type de relais à état solide, conçu spécifiquement pour interfacer des dispositifs comme ordinateurs, microcontrôleurs ou PICs avec des charges et interrupteurs. Il existe essentiellement quatre types de modules I/O sur le marché : tension d'entrée AC ou DC vers sortie niveau logique TTL ou CMOS, et entrée logique TTL ou CMOS vers sortie tension AC ou DC. Chaque module contient tout le circuit nécessaire pour fournir une interface et une isolation complètes dans un seul dispositif. Disponibles en modules à état solide individuels ou intégrés en dispositifs 4, 8 ou 16 canaux.

• Article connexe : Symboles de Relais – Symboles Électriques et Électroniques

Circuit de Commutation à Relais NPN :

Un circuit typique de commutation à relais NPN utilise un transistor NPN pour commander la bobine. Lorsque la tension de base du transistor est nulle, le transistor est en zone de coupure et agit comme un interrupteur ouvert. Dans cette situation, aucun courant de collecteur ne circule et la bobine du relais est désexcitée.

S'il n'y a pas de courant entrant dans la base, aucun courant ne traversera la bobine du relais. Si un courant positif important est injecté dans la base pour saturer le transistor NPN, le courant commence à circuler de la base vers l'émetteur.

Circuit de Commutation à Relais PNP :

Le circuit de commutation à relais PNP nécessite une polarité de tension d'alimentation différente. Il est similaire au circuit NPN quant à sa capacité à commander la bobine du relais. Par exemple, la tension collecteur-émetteur doit être négative pour le type PNP afin de faire circuler le courant de l'émetteur vers le collecteur.

• Article connexe : Comment Vérifier un Transistor NPN et PNP au Multimètre (DMM+AVO)

Circuit de Commutation à Relais Canal N :

Le fonctionnement de commutation à relais par MOSFET est assez similaire à celui d'un transistor bipolaire (BJT). La différence principale est que les MOSFET sont des dispositifs commandés en tension. Cependant, la grille est électriquement isolée du canal drain-source. Les MOSFET d'enrichissement canal N sont le type le plus couramment utilisé. Une tension positive sur la grille commute le MOSFET « ON » et une tension négative le rend « OFF ». Cela le rend idéal pour la commutation de relais par MOSFET.

Circuit de Commutation à Relais Canal P :

Contrairement au MOSFET d'enrichissement canal N, il fonctionne uniquement avec des tensions de grille négatives. Dans cette configuration, la source du canal P est connectée à +Vdd et le drain à la masse, tous deux via la bobine du relais. Lorsqu'un niveau de tension HAUT est appliqué à la grille, le MOSFET canal P se retrouve par conséquent « OFF ».

Points à garder à l'esprit lors du choix d'un relais adapté :

• Assurez-vous qu'ils disposent d'une bonne protection de bobine et de contacts
• Privilégiez les relais standards avec homologations réglementaires
• Optez pour des relais à commutation haute vitesse
• Choisissez judicieusement le type de contacts
• Vérifiez qu'il y a une isolation entre le circuit de bobine et les contacts dans votre relais

Comprenons le fonctionnement d'un circuit de relais avec un exemple :

Supposons que vous ayez besoin d'allumer une ampoule fluocompacte (CFL) à l'aide d'un interrupteur à relais. Dans ce circuit, nous utilisons un bouton-poussoir pour déclencher un relais 5V, qui à son tour ferme le second circuit et allume la lampe.

Rassemblez les composants suivants pour concevoir le circuit :

• Relais 5V
• Douille d'ampoule
• CFL
• Bouton-poussoir ON/OFF
• Plaque d'essai (Perf-Board)
• Pile 9V
• Alimentation secteur

Un interrupteur ON/OFF typique est ajouté pour la commutation du relais. Dans le circuit ci-dessus, le relais 5V est alimenté par une pile 9V. Initialement, quand l'interrupteur est ouvert, aucun courant ne traverse la bobine. Par conséquent, le contact commun du relais est connecté au contact « NO » (Normalement Ouvert). La lampe reste donc « OFF ».

Quand l'interrupteur est fermé, le courant commence à circuler dans la bobine. Un champ magnétique se génère dans la bobine, attirant l'armature mobile par induction électromagnétique, et le contact commun se connecte au contact NF (Normalement Fermé). Résultat : la CFL s'allume (« ON »).

Les principaux inconvénients des relais à état solide par rapport aux relais électromécaniques de puissance équivalente sont leur coût plus élevé. Seuls les types unipolaires unidirectionnels (SPST) sont disponibles, des courants de fuite à l'état « OFF » traversent le dispositif de commutation, et une forte chute de tension et dissipation de puissance à l'état « ON » entraînent des besoins supplémentaires en radiateurs. De plus, les relais à état solide classiques ne peuvent pas commuter de très faibles courants de charge ou des signaux haute fréquence comme l'audio ou la vidéo. Cependant, des commutateurs à état solide spéciaux existent pour ce type d'applications.

Les relais électromécaniques et à état solide ont tous deux une grande importance dans la vie quotidienne. Vous pouvez choisir l'un ou l'autre selon vos besoins. Les relais à état solide ont un prix initial plus élevé et peut-être intimidant comparé aux relais électromécaniques.

Cependant, le mouvement du contact du relais à état solide est généré par des forces électromagnétiques issues du signal d'entrée de faible puissance. Cela permet de compléter le circuit contenant le signal de forte puissance. Donc, les relais à état solide sont supérieurs aux électromécaniques. Les relais électromécaniques sont une technologie relativement ancienne utilisant une approche de conception mécanique simple.

• Article connexe : Système de Contrôle Automatique d'Éclairage Public avec LDR et Transistor BC547

Applications :

Il existe une large gamme d'applications pour les relais. Les plus courantes sont :

• Les circuits de relais peuvent réaliser des fonctions logiques
• Ils assurent aussi des fonctions logiques critiques pour la sécurité
• Les relais peuvent fournir des fonctions de temporisation
• Ils permettent de commander des circuits de fort courant à l'aide de signaux de faible courant

Dans cet article, nous avons discuté des différents types de relais, leur fonctionnement et leurs applications. Vous avez maintenant une bonne connaissance des relais et de leurs fonctions. Après sa lecture, vous serez capable de concevoir un relais vous-même sans difficulté.

Circuits de Projets Électroniques Connexes :

• Transistor PNP
• Transistor NPN
• Commutateur Automatique d'Éclairage de Salle de Bain – Schéma et Fonctionnement
• Circuit Détecteur de Vitesse de Voiture – Fonctionnement et Code Source
• Système Domestique Intelligent – Circuit et Code Source
• Commutateur Tactile Simple avec Timer 555 et Transistor BC547
• Circuit Roulette LED avec Timer 555 et Compteur 4017