Types de relais et principe de fonctionnement

Un relais est un interrupteur électrique utilisé pour isoler des circuits, passer d'un circuit à l'autre et commander un circuit de forte puissance à l'aide d'un signal de faible puissance. Les relais sont classés en fonction de leur conception et de leur fonctionnalité, par exemple les relais électromécaniques, les relais à semi-conducteurs et les relais à lames. Cet article présente les différents types de relais, leurs principes de fonctionnement et leurs diverses applications industrielles.

Table des matières

• Terminologie générale
• Basé sur les poteaux et le lancer
• Sur la base des principes de fonctionnement
• En fonction de l'application
• Sur la base de formulaires
• Applications
• FAQ

Terminologie générale

Il existe quatre types de bornes dans un relais :

• Entrée de contrôle (bornes de la bobine) : Deux bornes d'entrée qui contrôlent son mécanisme de commutation.
• Commun (COM) : Cette borne sert de sortie au relais et c'est là qu'un côté du circuit de charge est connecté. En interne, cette borne est reliée à l'une des deux autres bornes, qui varie en fonction de l'état du relais.
• Normalement ouvert : La borne normalement ouverte (NO) est une autre borne de charge d'un relais qui reste déconnectée lorsque le relais est inactif. La borne NO est connectée à la borne commune (COM) lorsque le relais est activé.
• Normalement fermé : La borne normalement fermée (NC) est une borne de charge supplémentaire sur un relais. Dans des circonstances normales, sans aucune entrée de contrôle, cette borne maintient une connexion avec la borne commune (COM). Cependant, lorsque le relais est activé, la borne NC rompt sa connexion avec la borne COM et reste ouverte jusqu'à ce que le relais soit désactivé.

Lisez notre article sur les applications des relais pour plus d'informations sur le fonctionnement et le câblage des relais industriels.

Poteaux et lanceurs

• Pôle : Le terme "pôles" désigne le nombre de circuits distincts que le relais peut commuter ou contrôler. Chaque pôle représente un interrupteur individuel dans le relais ; par exemple, un relais unipolaire a un interrupteur et peut contrôler un circuit, tandis qu'un relais bipolaire a deux interrupteurs et peut contrôler deux circuits indépendamment.
• Lancer : Le terme "portée" indique le nombre de positions auxquelles chaque pôle peut se connecter. Ceci décrit le nombre de sorties auxquelles chaque commutateur peut être connecté. Par exemple, un relais à simple effet a une position par pôle, ce qui signifie que chaque interrupteur ne peut se connecter qu'à une seule sortie. En revanche, un relais à double flux a deux positions par pôle, ce qui permet à chaque interrupteur de se connecter à l'une des deux sorties.

Basé sur les poteaux et le lancer

Tableau 1 : Classification des relais en fonction du nombre de pôles et de lancers à l'intérieur d'un relais.

Type de relais	Description	Schéma
SPST (Single pole single throw)	Un relais SPST ne contrôle qu'un seul circuit (unipolaire). Il a deux positions : marche et arrêt (simple effet). Il connecte ou déconnecte le circuit lorsqu'il est basculé.
SPDT (Single pole double throw)	Un relais SPDT ne contrôle qu'un seul circuit (unipolaire). Il a deux états ; dans chaque état, l'un de ses circuits reste fermé tandis que l'autre reste ouvert, et cette condition est inversée dans l'état alternatif.
DPST (Double pole single throw)	Le terme "bipolaire" indique qu'il a la capacité de gérer indépendamment deux circuits entièrement séparés. L'expression "à jet unique" signifie que chaque pôle a une seule position de conduite.
DPDT (Double pole double throw)	Le terme "bipolaire" signifie qu'il peut contrôler deux circuits distincts, et le terme "à double effet" implique que chaque pôle peut conduire dans deux positions différentes.

Sur la base des principes de fonctionnement

Les relais sont classés en plusieurs catégories en fonction de leurs principes de fonctionnement.

Relais électromécanique

Un relais électromécanique possède une bobine et un contact mécanique. La mise sous tension de la bobine génère un champ magnétique. Ce champ attire l'armature (le contact mobile) vers lui. Inversement, lorsque la bobine est hors tension, elle perd son champ magnétique et un ressort ramène l'armature dans sa position initiale. Lisez notre article sur les disjoncteurs pour plus de détails sur la construction et le fonctionnement des relais électromécaniques.

Le relais électromagnétique (EMR) peut être utilisé avec une source d'alimentation en courant alternatif ou continu, selon l'application. La construction des relais EMR pour le courant alternatif et le courant continu varie légèrement, notamment en ce qui concerne la conception de leurs bobines.

Le principal inconvénient d'un relais électromagnétique (EMR) est que ses contacts ont tendance à créer un arc électrique lorsqu'ils se séparent, ce qui peut entraîner une augmentation de la résistance des contacts au fil du temps. Cette augmentation progressive de la résistance entraîne une réduction de la durée de vie globale du relais.

Relais à semi-conducteurs

Un relais électronique ou à semi-conducteurs (SSR) est constitué de composants semi-conducteurs plutôt que d'éléments mécaniques. Lorsqu'un signal de commande est appliqué à un relais statique (SSR), une diode électroluminescente (LED) interne s'allume et émet une lumière infrarouge. Cette lumière est détectée par un composant semi-conducteur photosensible, qui transforme ensuite le signal lumineux en signal électrique, activant ainsi l'interrupteur du circuit.

Les relais à semi-conducteurs fonctionnent à une vitesse relativement élevée et consomment beaucoup moins d'énergie que les relais électromagnétiques (EMR). Ils ont également une durée de vie plus longue, en raison de l'absence de contacts physiques susceptibles de s'user. Cependant, un inconvénient notable des relais SSR est la chute de tension inhérente au semi-conducteur, qui entraîne une perte de puissance par dissipation thermique. Il existe également des relais hybrides composés de relais SSR et EMR.

Relais Reed

Un relais Reed se compose d'un interrupteur Reed et d'une bobine électromagnétique, souvent accompagnée d'une diode pour la protection contre la force électromotrice de retour (back EMF). Le commutateur à lames comprend deux fines lames métalliques fabriquées à partir d'un matériau ferromagnétique, scellées dans un tube de verre (figure 4 étiquetée C). Ce tube de verre supporte également les anches métalliques et est rempli d'un gaz inerte pour éviter l'oxydation et la contamination. Lorsque la bobine est mise sous tension (figure 4 étiquetée B), les lames métalliques ferromagnétiques du commutateur à lames sont magnétiquement attirées l'une vers l'autre, créant ainsi un circuit fermé. Comme il n'y a pas d'armature mobile, le problème de l'usure des contacts est pratiquement inexistant. En outre, la présence de gaz inerte dans le tube de verre scellé prolonge la durée de vie de l'interrupteur en empêchant la corrosion et d'autres formes de dégradation.

Relais thermique

Un relais électrothermique est constitué d'une bande bimétallique (composée de deux métaux ayant des coefficients de dilatation thermique différents). Lorsque le courant traverse le conducteur, il produit de la chaleur, ce qui entraîne une augmentation de la température du bilame et sa dilatation. Le métal ayant un coefficient de dilatation thermique élevé se dilate plus que l'autre. De ce fait, la bande se plie et ferme les contacts pour activer le circuit de déclenchement. Les relais thermiques sont généralement utilisés pour la protection des moteurs électriques.

En fonction de l'application

Relais du séquenceur

La fonction principale d'un relais séquenceur est de contrôler la séquence des opérations entre divers dispositifs électriques ou composants du système. Il reçoit un signal qui déclenche des événements prédéterminés dans un ordre précis. Ces relais sont souvent conçus avec plusieurs contacts qui se ferment ou s'ouvrent dans une séquence spécifique lorsque le relais est alimenté. Ce fonctionnement échelonné permet au relais de contrôler plusieurs circuits étape par étape. Les relais séquenceurs sont généralement utilisés lorsque la précision de la temporisation et de l'ordre des opérations est essentielle. Par exemple :

Dans un système CVC, un relais séquenceur peut gérer l'ordre dans lequel les éléments chauffants sont activés afin d'éviter une forte surtension initiale et de s'assurer que l'air circule correctement avant que le chauffage ne soit activé.

Le séquenceur peut activer le moteur du ventilateur d'un four électrique pour s'assurer que l'air circule dans le système. Après un court délai, il active la première série d'éléments chauffants et, après un autre délai, il active des éléments supplémentaires si nécessaire. Cette séquence contrôlée permet de protéger le système électrique et ses composants contre les surcharges et d'assurer un fonctionnement efficace.

Relais différentiel

Un relais différentiel est un dispositif de protection utilisé dans les systèmes d'alimentation électrique pour détecter les défauts dans les équipements tels que les transformateurs, les générateurs, les moteurs et les barres omnibus. Il compare deux grandeurs électriques, généralement des courants, en différents points de l'équipement. Si la différence entre ces quantités dépasse une valeur prédéterminée, le relais se déclenche, ouvrant un disjoncteur et isolant l'équipement défectueux du reste du système. Cela permet d'éviter d'endommager l'équipement et de protéger le personnel contre les risques électriques.

Relais de distance

Un relais de distance est un relais de protection utilisé dans les réseaux électriques, principalement pour protéger les lignes de transmission. Il mesure l'impédance (l'opposition combinée à la circulation du courant) entre l'emplacement du relais et le défaut sur la ligne. En comparant l'impédance mesurée à des valeurs prédéfinies, le relais peut déterminer l'emplacement approximatif du défaut et isoler la section défectueuse de la ligne en déclenchant le disjoncteur associé.

Relais à verrouillage

Un relais à verrouillage ou bistable est un interrupteur électromécanique qui diffère d'un relais standard par un aspect essentiel : il maintient son état de commutation sans qu'une alimentation continue soit appliquée à sa bobine. Ce comportement de "verrouillage" est idéal pour les applications à alimentation intermittente ou lorsque l'on souhaite que l'interrupteur reste activé même après avoir supprimé le signal de déclenchement initial.

Relais temporisé

Un relais temporisé, également connu sous le nom de relais temporisateur, introduit une pause contrôlée entre l'application d'un signal et l'activation de sa sortie. Cela permet au relais de contrôler la synchronisation des circuits électriques, ce qui est essentiel dans de nombreux processus automatisés et systèmes de contrôle.

Relais de fréquence

Les relais de fréquence détectent les écarts de fréquence du système électrique et y répondent. Ils sont essentiels dans les systèmes de production et de distribution d'électricité. Le relais de sécurité déclenche des disjoncteurs pour déconnecter les charges ou les générateurs lorsque la fréquence sort d'une plage prédéfinie, indiquant une surcharge potentielle ou une perte de production. Cela permet de rétablir l'équilibre et d'éviter des coupures de courant généralisées ou des dommages aux équipements.

Sur la base de formulaires

Tableau 2 : Classification des relais en fonction des formes

Type de formulaire	Description	Schéma
Formulaire A	SPST avec état par défaut NO
Formulaire B	SPST avec état par défaut NC
Formulaire C	SPDT avec bornes à double contact (NO et NC)
Formulaire D	Semblable à la forme C, mais elle ferme le circuit suivant avant de couper (ouvrir) le premier circuit.

Applications

• Les relais assurent l'isolation entre les circuits basse tension et haute tension.
• Ils sont utilisés pour contrôler simultanément plusieurs circuits.
• Les relais peuvent fonctionner comme des commutateurs automatiques pour transférer des charges d'un circuit à l'autre.
• Les microprocesseurs utilisent des relais pour contrôler les charges électriques lourdes.
• Les relais de surcharge sont mis en œuvre pour protéger les moteurs contre les surcharges et les défauts électriques.

FAQ

À quoi servent les relais ?

Les relais activent/désactivent des circuits en utilisant un signal de faible puissance pour contrôler un circuit de plus grande puissance, ce qui permet d'isoler les deux circuits.

Quelle est la différence entre un relais à verrouillage et un relais sans verrouillage ?

Un relais à verrouillage maintient sa position de contact après avoir supprimé l'énergie d'actionnement, tandis qu'un relais sans verrouillage nécessite une énergie d'actionnement constante pour rester dans son état d'excitation.

Quelle est la différence entre un relais à lames et un relais électromagnétique ?

Les relais à lames utilisent des lames magnétiques pour la commutation ; ils sont plus petits et plus rapides, tandis que les relais électromagnétiques utilisent des bobines et des armatures et peuvent supporter une plus grande puissance.

Qu'est-ce qu'un petit relais de signalisation ?

Un relais à petit signal est conçu pour commuter des signaux électroniques de faible puissance avec une grande précision et des temps de réponse rapides.