Relais électromagnétique : dispositif, marquage, types + subtilités de raccordement et de réglage

La conversion des signaux électriques en une grandeur physique correspondante — mouvement, force, son, etc., est effectuée à l'aide d'actionneurs. L'actionneur doit être classé comme un convertisseur, car ce dispositif transforme un type de grandeur physique en un autre.

L'actionneur est généralement activé ou commandé par un signal de commande basse tension. Il est classé en outre comme un dispositif binaire ou continu en fonction du nombre d'états stables. Ainsi, le relais électromagnétique est un actionneur binaire, compte tenu de ses deux états stables : activé — désactivé.

Dans cet article, les principes de fonctionnement du relais électromagnétique et le domaine d'utilisation des appareils sont détaillés.

Fondamentaux de la réalisation de l'actionneur

Le terme « relais » est caractéristique des dispositifs qui assurent une connexion électrique entre deux ou plusieurs points via un signal de commande.

Le type de relais électromagnétique (REM) le plus courant et le plus largement utilisé est la construction électromécanique.

Voici à quoi ressemble une construction parmi la multitude de produits appelés relais électromagnétiques. On montre ici la version fermée du mécanisme à l'aide d'un couvercle en plexiglas transparent.

Le schéma de contrôle fondamental de tout équipement prévoit toujours la possibilité de mise en marche et d'arrêt. La manière la plus simple d'effectuer ces actions est d'utiliser des interrupteurs de verrouillage de l'alimentation.

Les interrupteurs manuels peuvent être utilisés pour la commande, mais présentent des inconvénients. Leur inconvénient évident est le réglage des états « activé » ou « désactivé » par voie physique, c'est-à-dire manuellement.

Les dispositifs de commutation manuels sont généralement volumineux, à action lente, capables de commuter de faibles courants.

Le mécanisme de commutation manuel – un « parent éloigné » des relais électromagnétiques. Il offre les mêmes fonctionnalités – la commutation des lignes de travail – mais est contrôlé exclusivement à la main.

Cependant, les relais électromagnétiques se présentent principalement sous forme de commutateurs à commande électrique. Les appareils ont différentes formes, tailles et sont classés selon le niveau de puissance nominale. Leurs possibilités d'utilisation sont vastes.

Ces appareils, équipés d'une ou plusieurs paires de contacts, peuvent faire partie d'une structure unique de mécanismes de puissance plus grands – les contacteurs, qui sont utilisés pour commuter la tension du réseau ou des dispositifs haute tension.

Principes fondamentaux de fonctionnement du relais électromagnétique

Traditionnellement, les relais de type électromagnétique sont utilisés dans les circuits de commande de commutation électriques (électroniques). Ils sont installés soit directement sur des circuits imprimés, soit en position libre.

Structure générale de l'appareil

Les courants de charge des dispositifs utilisés sont généralement mesurés entre des fractions d'ampère et 20 A ou plus. Les circuits de relais sont largement répandus dans la pratique électronique.

Des appareils de configurations très variées, conçus pour être installés sur des cartes électroniques de montage ou directement en tant que dispositif installé séparément

La structure du relais électromagnétique convertit le flux magnétique créé par la tension appliquée en courant alternatif/continu en une force mécanique. Grâce à la force mécanique obtenue, le groupe de contacts est commandé.

La structure la plus courante est la forme de l'appareil qui comprend les composants suivants :

• la bobine d'excitation ;
• le noyau en acier ;
• le châssis de support ;
• le groupe de contacts.

Le noyau en acier comporte une partie fixe appelée la bascule et une partie mobile à ressort appelée l'armature.

En substance, l'armature complète le circuit du champ magnétique en fermant l'entrefer entre la bobine électrique fixe et l'armature mobile.

Disposition détaillée de la structure : 1 – ressort de rappel ; 2 – noyau métallique ; 3 – armature ; 4 – contact normalement fermé ; 5 – contact normalement ouvert ; 6 – contact commun ; 7 – bobine en fil de cuivre ; 8 – bascule

L'armature se déplace sur des charnières ou pivote librement sous l'action du champ magnétique généré. Ce faisant, les contacts électriques attachés à l'armature se ferment.

En règle générale, le(s) ressort(s) de rappel situé(s) entre la bascule et l'armature ramène(nt) les contacts à leur position initiale lorsque la bobine du relais est hors tension.

Action du système électromagnétique de relais

Une structure classique simple du relais électromagnétique comporte deux ensembles de contacts conducteurs.

Sur cette base, deux états du groupe de contacts sont réalisés :

1. Contact normalement ouvert.
2. Contact normalement fermé.

En conséquence, la paire de contacts est classée comme normalement ouverte (NO) ou, dans l'autre état, normalement fermée (NC).

Pour un relais avec des contacts normalement ouverts, l'état « fermé » n'est atteint que lorsque le courant d'excitation traverse la bobine inductive.

L'un des deux modes de montage possibles par défaut du groupe de contacts. Ici, à l'état hors tension de la bobine, la position par défaut est normalement fermée.

Dans l'autre variante, la position normalement fermée des contacts reste constante lorsque le courant d'excitation est absent du circuit de la bobine. Autrement dit, les contacts du commutateur reviennent à leur position normalement fermée.

Par conséquent, les termes « normalment ouvert » et « normalment fermé » doivent se référer à l'état des contacts électriques lorsque la bobine du relais est hors tension, c'est-à-dire que la tension d'alimentation du relais est coupee.

Groupes de contacts électriques du relais

Les contacts du relais sont généralement constitués d'éléments métalliques conducteurs qui entrent en contact les uns avec les aures, fermant le circut, agissant comme un simple interupteur.

Lorsque les contacts sont ouverts, la résistance entre les contacts normalement ouverts est mesurée à une valeur élevée, de l'ordre du mégaom. Une condition de circut ouvert est ainsi créée, empêchant le passage du courant dans le circut de la bobine.

Le groupe de contacts de ton commutateur électromécanique en mode ouvert a une résistance de plusieurs centaines de mégaoms. La valeur de cette résistance peut légèrement varier selon les modèles.

Si les contacts sont fermés, la résistance de contact devrait théoriquement être nulle — résultat d'un court-circuit.

Cependant, un tel état n'est pas toujours observé. Le groupe de contacts de chaque relais individuel possède une certaine résistance de contact à l'état « fermé ». Cette résistance est dite stable.

Caractéristiques du passage des courants de charge

Pour la pratique du montage d'un nouveau relais électromagnétique, la résistance de contact à la fermeture est notée comme étant faible, générlement inférieure à 0,2 Ω.

Cela s'explique simplement : les nouvelles pointes restent encore propres, mais avec le temps, la résistance de la pointe augmentera inévitablement.

Par exemple, pour des contacts sous un courant de 10 A, la chute de tension sera de 0,2 × 10 = 2 volts (loi d'Ohm). Il en résulte que si la tension d'alimentation appliquée au groupe de contacts est de 12 volts, alors la tension pour la charge sera de 10 volts (12-2).

Lorsque les pointes métalliques de contact s'usent, n'étant pas correctement protégées contre les charges inductives ou capacities élevées, l'apparition de domages dûs à l'effet d'arc électrique devient inévitable.

Arc électrique sur l'un des contacts d'un appareil de commutation électromécanique. C'est l'une des causes de dommages au groupe de contacts en l'absence de mesures appropriées.

L'arc électrique — les étincelles sur les contacts — entraîne une augmentation de la résistance de contact des pointes et, par conséquent, des dommages physiques.

Si l'on continue à utiliser le relais dans cet état, les pointes de contact peuvent perdre complètement leur propriété physique de contact.

Mais il existe un facteur plus grave : lorsque, suite aux dommages causés par l'arc, les contacts finissent par se souder, créant ainsi des conditions de court-circuit.

Dans de telles situations, le risque d'endomagement du circuit contrôlé par l'EMR n'est pas exclu.

Ainsi, si la résistance de contact a augmenté de 1 Ω sous l'effet de l'arc électrique, la chute de tension aux contacts pour le même courant de charge atteint 1×10=10 volts en courant continu.

Ici, la valeur de la chute de tension aux contacts peut être inacceptable pour le circuit de charge, en particulier lorsqu'il fonctionne avec des tensions d'alimentation de 12-24 V.

Type de matériau des contacts du relais

Afin de réduire l'effet de l'arc électrique et des résistances élevées, les pointes de contact des relais électromécaniques modernes sont fabriquées ou recouvertes de différents alliages à base d'argent.

De cette manière, on parvient à prolonger considérablement la durée de vie du groupe de contacts.

Pointes des lames de contact des appareils de commutation électromécaniques. Ici sont présentées des variantes de pointes recouvertes d'argent. Ce type de revêtement réduit le facteur de dommages.

Dans la pratique, on constate l'utilisation des matériaux suivants pour traiter les pointes des groupes de contacts des relais électromagnétiques (électromécaniques) :

• Ag — argent;
• AgCu — argent-cuivre;
• AgCdO — argent-oxyde de cadmium;
• AgW — argent-tungstène;
• AgNi — argent-nickel;
• AgPd — argent-palladium.

L'augmentation de la durée de vie des pointes des groupes de contacts des relais en réduisant le nombre de formations d'arc électrique est obtenue en connectant des filtres résistifs-condensateurs, également appelés amortisseurs RC.

Ces circuits électroniques sont connectés en parallèle avec les groupes de contacts des relais électromécaniques. La pointe de tension qui se produit au moment de l'ouverture des contacts, avec cette solution, apparâit comme étant inoffensivement courte.

L'utilisation d'amortisseurs RC permet de supprimer l'arc électrique qui se forme sur les pointes de contact.

Exécution typique des contacts du relais électromagnétique

Outre les contacts classiques normalement ouverts (NO) et normalement fermés (NC), la mécanique de commutation par relais suppose également une classification en fonction de l'action.

Particularités de réalisation des éléments de connexion

Les conceptions de relais de type électromagnétique dans cette version autorisent la présence d'un ou plusieurs contacts de commutateur séparés.

Voici à quoi ressemble l'appareil, techniquement configuré pour la version SPST – unipolaire et unidirectionnel. Il existe également d'autres versions.

La version des contacts est caractérisée par l'ensemble d'abréviations suivant :

• SPST (Single Pole Single Throw) – unipolaire unidirectionnel ;
• SPDT (Single Pole Double Throw) – unipolaire bidirectionnel ;
• DPST (Double Pole Single Throw) – bipolaire unidirectionnel ;
• DPDT (Double Pole Double Throw) – bipolaire bidirectionnel.

Chacun de ces éléments de connexion est désigné comme un « pôle ». Chacun d'eux peut être connecté ou déconnecté, tout en activant la bobine du relais.

Subtilités de l'utilisation des appareils

Malgré toute la simplicité de la conception des commutateurs à action électromagnétique, il existe quelques subtilités dans la pratique d'utilisation de ces appareils.

Ainsi, les spécialistes déconseillent catégoriquement de connecter en parallèle tous les contacts d'un relais pour commuter un circuit de charge à courant élevé.

Par exemple, connecter une charge de 10 A en connectant en parallèle deux contacts, chacun conçu pour un courant de 5 A.

Ces subtilités de montage sont dues au fait que les contacts des relais mécaniques ne se ferment et ne s'ouvrent jamais en un seul instant.

En conséquence, l'un des contacts sera de toute façon surchargé. Et même en tenant compte d'une surcharge temporaire, une défaillance prématurée de l'appareil dans une telle connexion est inévitable.

Une utilisation incorrecte, ainsi qu'un branchement du relais en dehors des règles de montage établies, aboutit généralement à ce résultat. À l'intérieur, presque tout le contenu a brûlé.

Les produits électromagnétiques peuvent être utilisés dans des circuits électriques ou électroniques à faible consommation d'énergie comme commutateurs de courants et tensions relativement élevés.

Cependant, il est catégoriquement déconseillé de faire passer différentes tensions de charge à travers des contacts adjacents d'un même appareil.

Par exemple, commuter une tension alternative de 220 V et une tension continue de 24 V. Il faut toujours utiliser des appareils séparés pour chaque variante afin d'assurer la sécurité.

Techniques de protection contre la tension inverse

Un élément important de tout relais électromécanique est la bobine. Cette pièce appartient à la catégorie des charges à haute inductance, car elle possède un enroulement filaire.

Toute bobine enroulée de fil possède une certaine impédance, composée de l'inductance L et de la résistance R, formant ainsi un circuit LR série.

Lorsque le courant traverse la bobine, un champ magnétique externe est créé. Lorsque le courant dans la bobine cesse en mode « arrêt », le flux magnétique augmente (théorie de la transformation) et une haute tension inverse de force électromotrice (FEM) apparaît.

Cette valeur induite de tension inverse peut être plusieurs fois supérieure à la tension de commutation.

En conséquence, il existe un risque d'endommagement de tous les composants semi-conducteurs placés à proximité du relais. Par exemple, un transistor bipolaire ou à effet de champ utilisé pour alimenter la bobine du relais.

Variantes de circuits qui assurent la protection des éléments semi-conducteurs de commande – transistors bipolaires et à effet de champ, circuits intégrés, microcontrôleurs.

L'un des moyens d'éviter d'endommager un transistor ou tout dispositif semi-conducteur de commutation, y compris les microcontrôleurs, consiste à connecter une diode polarisée en inverse dans le circuit de la bobine du relais.

Lorsque le courant traversant la bobine immédiatement après la coupure génère une FEM inverse induite, cette tension inverse rend la diode polarisée en inverse conductrice.

L'énergie accumulée est dissipée à travers le semi-conducteur, évitant ainsi d'endommager le semi-conducteur de commande – transistor, thyristor, microcontrôleur.

Le semi-conducteur souvent inclus dans le circuit de la bobine est également appelé :

• diode de roue libre ;
• diode de shunt ;
• diode inversée.

Cependant, il n'y a pas de grande différence entre ces éléments. Ils remplissent tous la même fonction. Outre l'utilisation de diodes à polarisation inverse, d'autres dispositifs sont également utilisés pour protéger les composants semi-conducteurs.

Par exemple, les circuits RC d'amortissement, les varistances à oxyde métallique (MOV), les diodes Zener.

Marquage des appareils relais électromagnétiques

Les désignations techniques, qui portent une information partielle sur les appareils, sont généralement indiquées directement sur le châssis du dispositif de commutation électromagnétique.

Cette désignation se présente sous la forme d'une abréviation et d'un ensemble de chiffres.

Chaque dispositif de commutation électromécanique est traditionnellement marqué. Sur le boîtier ou sur le châssis, on trouve approximativement un ensemble de symboles et de chiffres indiquant certains paramètres.

Exemple de marquage sur le boîtier des relais électromécaniques :

RES32 RF4.500.335-01

Cette inscription se déchiffre ainsi : relais électromagnétique à faible courant, série 32, conforme à la version selon le passeport RF4.500.335-01.

Cependant, de telles désignations sont rares. On rencontre plus souvent des versions abrégées sans indication explicite du GOST :

RES32 335-01

La date de fabrication et le numéro de lot sont également indiqués sur le châssis (sur le boîtier) de l'appareil. Les informations détaillées figurent dans la fiche technique du produit. Chaque appareil ou lot est livré avec une fiche technique.

Conclusions et vidéo utile sur le sujet

Cette vidéo explique de manière populaire le fonctionnement de l'électronique électromécanique de commutation. Les subtilités des conceptions, les particularités des connexions et d'autres détails sont clairement mis en évidence :

Les relais électromécaniques sont utilisés comme composants électroniques depuis assez longtemps. Cependant, ce type d'appareils de commutation peut être considéré comme moralement obsolète. Les dispositifs mécaniques sont de plus en plus remplacés par des appareils plus modernes – purement électroniques. Un exemple de ceci est les relais statiques.

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