mardi 28 mars 2017

Les relais électromécaniques


Un relais électromécanique, c'est un interrupteur commandé par un électroaimant.  On l'utilise pour isoler l'un de l'autre le circuit de commande (qui actionne l'électroaimant) et le circuit de puissance (qui est contrôlé par l'interrupteur).  Il n'existe alors aucune liaison conductrice qui permettrait au courant circulant dans le circuit de puissance d'endommager le circuit de commande.


Par exemple:  supposons que je désire utiliser un carte Arduino pour allumer et éteindre automatiquement une ampoule incandescente de 100 W qui éclaire mon salon. Il est hors de question de tenter d'allumer l'ampoule en la branchant directement sur une sortie 5 V de l'Arduino, comme on le ferait avec une petite LED:   mon ampoule a été conçue pour être alimentée par une tension beaucoup plus grande.  De plus, lorsque cette ampoule est allumée, elle est traversée par un courant beaucoup plus élevé que ce que peut tolérer l'Arduino:  il faut à tout prix éviter que le courant qui circule dans l'ampoule puisse atteindre l'Arduino.

Un relais permet de résoudre ce problème:  l'Arduino contrôle le courant qui circule dans l'électroaimant, et l'interrupteur, situé entre l'ampoule et la prise de courant, permet d'allumer ou d'éteindre l'ampoule (le circuit complet comporte quelques composants supplémentaires visant à protéger la carte Arduino:  j'en reparle plus loin dans cet article).

Attention!


Mon exemple ci-dessus pourrait laisser croire qu'expérimenter avec les circuits électriques résidentiels est un geste banal:  ce n'est pas le cas.  Le courant issu d'une prise de courant murale peut vous tuer, et un bricolage mal conçu peut causer un incendie.  Pour vous familiariser avec le principe de fonctionnement d'un relais, je préconise l'utilisation de circuits fonctionnant sous faible tension (12 V et moins).  Pour une utilisation réelle sous une tension de 120 V ou 230 V, mieux vaut se procurer un produit homologué fabriqué par des professionnels, plutôt qu'un bricolage maison fait de composants de source douteuse.


Principaux types de relais

Relais SPST ("Single pole single throw")

C'est le type le plus simple.  Il est muni de 4 connecteurs:  2 connecteurs pour le contrôle de l'électroaimant, et deux connecteurs reliés à l'interrupteur.
Dans sa version "normally open" (la plus fréquente), l'interrupteur bloque le courant si aucun courant ne circule dans l'électroaimant, et laisse circuler le courant si un courant circule dans l'électroaimant (vous pouvez généralement entendre un petit "clic" lorsque l'interrupteur change d'état).

Il existe aussi des relais "normally closed", qui font le contraire:  l'interrupteur laisse circuler le courant quand aucun courant ne circule à travers l'électroaimant, et bloque le courant lorsqu'un courant circule dans l'électroaimant.

Relais SPDT ("Single pole double throw")

Dans ce type de relais, l'interrupteur est remplacé par un commutateur.  Le relais comporte maintenant 5 connecteurs:  en plus des deux connecteurs reliés à l'électroaimant, il y a un connecteur "COM" (commun), un connecteur "NC" (normally closed) et un connecteur "NO" (normally open).
Lorsqu'aucun courant ne circule dans l'électroaimant, le connecteur COM est en contact avec le connecteur NC, mais pas avec le connecteur NO.

Lorsqu'un courant circule dans l'électroaimant, le connecteur COM est en contact avec le connecteur NO, mais pas avec le connecteur NC.

Relais DPST ("Double pole single throw")

C'est la même chose qu'un relais SPST, sauf qu'un même électroaimant contrôle deux interrupteurs distincts.  Ils comportent donc 6 connecteurs.
Relais DPDT ("Double pole double throw")

C'est la même chose qu'un relais SPDT, sauf qu'un même électroaimant contrôle l'état de deux commutateurs distincts.  Ils comportent 8 connecteurs.

Autres types de relais

Pour compliquer les choses encore un peu plus, certains relais fonctionnent en mode bistable:  le commutateur change d'état chaque fois que l'électroaimant est brièvement alimenté, puis conserve cet état pendant que l'électroaimant n'est plus alimenté.  Il peut aussi y avoir deux électroaimants différents:  un premier qui met le commutateur dans une certaine position, et un deuxième qui place le commutateur dans l'autre position.

Il est également possible de trouver deux relais distincts à l'intérieur d'un même boîtier.

Certains relais sont polarisés:  le courant dans l'électroaimant doit circuler dans une direction bien précise pour que le relais fonctionne correctement.

Comment identifier les broches d'un relais


Vous avez récupéré un relais lors de l'autopsie d'un appareil électronique hors d'usage, et vous aimeriez l'utiliser?

La disposition des broches d'un relais n'est malheureusement pas la même d'un relais à l'autre.  Et bien entendu, afin d'utiliser le relais, il faut savoir quelles broches alimentent l'électroaimant, quelle paire de broche est connectée en absence de courant dans l'électroaimant, etc.

Heureusement, le numéro de modèle est généralement imprimé sur le boîtier.  Il s'agit d'entrer ce numéro dans un moteur de recherche pour accéder à la fiche technique du relais.

Par exemple, on peut voir que le relais photographié à gauche porte le numéro de modèle OMI-SS-112L. Une recherche de ce numéro sur le web nous indique qu'il s'agit d'un relais SPDT (comme nous pouvions nous en douter, puisque le relais comporte 5 broches).

Un schéma nous montre la fonction des broches, quand nous regardons le relais par en-dessous:
Nous pouvons en déduire que les deux broches qui se situent du côté gauche sont celles qui permettent d'alimenter l'électroaimant, La broche située en bas à droite est le pôle commun.  La broche située en haut et légèrement à gauche du pôle commun est le pôle NC, alors que celle qui est située en haut à droite est le pôle NO.

Que faire si le numéro de modèle n'est pas indiqué sur le relais, ou si vous ne trouvez pas sa fiche technique sur le web?  Un bon vieux multimètre pourra vous dépanner:
  • Trouvez une paire de broches pour laquelle la résistance se situe quelque part entre 50 Ω et 1000 Ω:  il s'agit des broches reliées à l'électro-aimant.
  • Si vous trouvez une paire de broches pour laquelle la résistance est nulle:  une de ces broches est le pôle commun, alors que l'autre est un pôle NC.  Pour tester votre hypothèse, soumettez les deux broches de l'électroaimant à une différence de potentiel suffisante pour actionner le relais (vous entendrez probablement un petit "clic").   Dans le cas de notre relais OMI-SS-112L, 9 à 12 V feront l'affaire.  La résistance de la même paire de broches devrait maintenant devenir infinie.
  • Si vous trouvez une paire de broches pour laquelle la résistance est infinie lorsque l'électroaimant n'est pas alimenté, une de ces broches est le pôle commun, alors que l'autre est un pôle NO.  Pour tester votre hypothèse, activez l'électroaimant et vérifiez que la résistance devient nulle.
Ne pas dépasser les tensions et courants indiqués

Pour éviter de détruire votre relais, il est important de ne pas dépasser la tension d'activation indiquée, pour l'alimentation de l'électroaimant.  Par exemple, la tension d'activation du relais OMI-SS-112L photographié un peu plus haut est de 12 V.  Notez toutefois qu'une tension un peu plus basse que celle indiquée est souvent suffisante pour activer le relais.

Il faut aussi s'assurer que, du côté commutateur, la tension et le courant ne dépassent pas les valeurs indiquées (pour le relais OMI-SS-112L, cette tension peut atteindre 240 V et 10 A en courant alternatif).  Le relais fonctionnera très bien si ces valeurs sont plus basses, toutefois.

Un exemple: relais contrôlé par une carte Arduino

Terminons par une petite application pratique:  le contrôle d'un relais par un Arduino.  À moins que vous n'utilisiez un shield spécialement conçu pour l'Arduino, quelques précautions s'imposent:
  • Une diode "de roue libre" doit être branchée en parallèle avec l'électroaimant, pour absorber les tension causées par les variations de courant dans la bobine (induction électromagnétique).  La diode doit être orientée de façon à laisser circuler le courant vers la tension plus élevée.
  • Le courant nécessaire pour activer l'électroaimant sera probablement supérieur aux 20 mA que peut fournir une sortie GPIO de l'Arduino.  La sortie devra donc commuter un transistor (un peu comme quand on branche un haut-parleur à l'Arduino):  le faible courant issu de la sortie GPIO de l'Arduino contrôlera un courant plus fort dans l'électroaimant du relais.
  • On doit choisir un relais qui peut s'activer avec une tension de 5 V environ.  J'ai fait mes tests avec un relais SPST dont la tension d'activation est officiellement de 6 V, mais une tension inférieure à 5 V était suffisante pour l'activer.

Voici le schéma du circuit complet.  J'ai utilisé un transistor 2N3904 (n'importe quel transistor NPN d'usage général fera l'affaire).  Le relais contrôle un moteur alimenté par sa propre alimentation (indépendante de l'Arduino).  Vous pouvez remplacer ce moteur par autre chose (une lampe, par exemple).
Côté logiciel, rien de bien sophistiqué ici:  la pin numéro 8 est placée à un niveau logique HAUT pendant 5 secondes (ce qui active le relais pendant 5 secondes), puis à un niveau logique BAS pendant 5 secondes (ce qui rend le relais inactif pendant 5 secondes).

Il s'agit du traditionnel exemple "Blink" avec un délai plus long.



Voici ce que ça donne:  le moteur tourne pendant 5 secondes, puis s'immobilise pendant 5 secondes. Bien sûr, j'aurais pu utiliser un plus gros moteur nécessitant une alimentation plus puissante.





Yves Pelletier   (TwitterFacebook)

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