Comment fonctionnent et à quoi servent les relais électromagnétiques

Relais électromagnétiques : principe de fonctionnement, construction et applications

Relais électromagnétiques (parfois appelés simplement relais électriques) – ce sont des composants clés dans les systèmes électroniques et électrotechniques, utilisés pour contrôler et commuter des circuits électriques. Malgré l’apparition de relais à état solide (semi-conducteurs), les relais électromagnétiques sont encore largement utilisés en raison de leur fiabilité, de leur simplicité et de leur capacité à fonctionner avec de forts courants et tensions. Dans cet article, nous examinerons :

1. La construction et le principe de fonctionnement d’un relais électromagnétique.
2. À quoi servent les relais électromagnétiques dans différents domaines.
3. Leurs avantages et inconvénients, ainsi que les domaines d’application typiques.

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Construction de l’électroaimant dans le relais

Pour comprendre le principe de fonctionnement du relais, il est d’abord nécessaire d’examiner les bases de la construction de l’électroaimant. Un électroaimant est une bobine de fil enroulée autour d’un noyau ferromagnétique (par exemple, en acier). Lorsque le courant électrique passe à travers la bobine, un champ magnétique est créé, attirant ou repoussant la partie mobile du relais – l’armature ou un autre élément mécanique.

Éléments principaux d’un relais électromagnétique

1. Bobine (solénoïde)

   • C’est un fil enroulé autour d’un noyau. Lorsque le courant arrive dans la bobine, elle crée un champ magnétique.
   • Le fil d’enroulement a une certaine résistance, calculée pour une tension de fonctionnement (par exemple, 5 V, 12 V, 24 V, 220 V, etc.).

2. Armature (élément mobile)

   • Située à proximité de la bobine, elle joue le rôle de « verrou » qui change de position sous l’influence du champ magnétique.
   • L’armature peut être fixée à un levier pivotant ou placée de manière à fermer ou ouvrir les contacts.

3. Bloc de contacts

   • Composé de contacts fixes et mobiles (NO/NC — Normalement Ouvert/Normalement Fermé).
   • Lors de l’activation de l’armature, les contacts se ferment ou s’ouvrent, ce qui entraîne le commutement du circuit électrique.

4. Ressort de rappel

   • Assure le retour de l’armature à sa position initiale lorsque la bobine est déenergisée.
   • Dans un état détendu, les contacts peuvent être soit ouverts, soit fermés – selon la conception du relais.

Principe de fonctionnement d’un relais électromagnétique

1. Alimentation de la bobine
   Lorsque la bobine est alimentée (courant électrique), un champ magnétique est créé.

2. Attraction de la partie mobile
   Ce champ magnétique attire ou repousse l’armature (partie mobile). Cela entraîne un mouvement mécanique qui change l’état des contacts (ouverts/fermés).

3. Commutation des contacts
   Grâce au mouvement mécanique, les contacts dans le bloc de contacts se connectent ou se déconnectent.

   • Si le contact NO (Normalement Ouvert) — il est généralement ouvert, mais devient fermé lorsque le courant est appliqué à la bobine.
   • Si le contact NC (Normalement Fermé) — il est généralement fermé, mais s’ouvre lorsque le courant est appliqué.

4. Contrôle du circuit externe
   Grâce au changement d’état des contacts, il est possible de fermer ou ouvrir des circuits électriques externes. Ainsi, un petit courant dans la bobine peut contrôler un grand courant dans un autre circuit.

5. Interruption du champ magnétique
   Lorsque l’alimentation de la bobine est coupée, le champ magnétique disparaît. Le ressort ramène l’armature à sa position initiale, et les contacts retournent à leur état initial.

Ce schéma d’action démontre le principe de fonctionnement du relais électromagnétique, qui est à la base de la plupart des conceptions de relais. Il est relativement simple, fiable et polyvalent.

À quoi servent les relais électromagnétiques : principaux domaines d’application

1. Automatisation et contrôle

• Contrôle des moteurs et des mécanismes : Dans des conditions industrielles, les relais sont utilisés pour commuter des moteurs électriques, des pompes, des ventilateurs et d’autres gros consommateurs qui ne peuvent pas être contrôlés directement par des dispositifs électroniques à faible courant.
• Systèmes d’éclairage : Utilisés pour allumer/éteindre automatiquement de grands groupes de lampes ou de projecteurs.
• Systèmes de chauffage et de climatisation : Permettent de contrôler des chaudières, des convecteurs, des systèmes de ventilation, etc., en maintenant la température souhaitée.

2. Électronique et microcontrôleurs

• Extension des entrées/sorties : Dans les systèmes à microcontrôleurs ou PLC (contrôleurs logiques programmables), les relais servent à commuter de forts courants et tensions par rapport aux signaux faibles de l’électronique de contrôle.
• Isolation galvanique : Les relais électromagnétiques assurent une isolation électrique claire entre le circuit de contrôle et le circuit de charge, ce qui est important pour la sécurité et la protection contre les interférences.

3. Télécommunications et communication

• Commutation des lignes de communication : Dans les centrales téléphoniques, les systèmes de transmission de données, les relais sont utilisés pour commuter des lignes vocales et numériques.
• Protection et redondance : Lorsqu’il est nécessaire de commuter le signal d’une antenne à une autre ou d’une ligne à une autre, les relais peuvent servir de mécanisme de commutation fiable.

4. Énergie et réseaux électriques

• Protection contre les surcharges : Dans les tableaux de distribution, les relais peuvent s’activer en cas de surcharge ou de court-circuit, coupant le circuit.
• Commutation entre sources d’alimentation : Dans les systèmes d’alimentation sans interruption (par exemple, commutation entre le réseau municipal et le générateur), les relais électromagnétiques sont utilisés pour une commutation fiable.
• Redondance automatique : En cas de perte d’alimentation dans un circuit, une alimentation de secours peut s’activer automatiquement.

5. Appareils électroménagers

• Contrôle de modules individuels : Les réfrigérateurs, machines à laver, climatiseurs, chauffe-eau et autres appareils utilisent souvent des relais pour contrôler de forts courants des éléments chauffants, compresseurs et autres modules puissants.
• Fonctions de protection : De nombreux appareils sont équipés de relais pour prévenir les modes de fonctionnement d’urgence (protection contre la surchauffe, les surtensions, etc.).

Avantages et inconvénients des relais électromagnétiques

Avantages

1. Construction simple et fiabilité : Le principe de fonctionnement mécanique est bien étudié et perfectionné depuis des décennies.
2. Haute capacité de commutation : Peut commuter des courants et tensions relativement élevés.
3. Isolation électrique : Le relais sépare le circuit de contrôle et le circuit de charge, réduisant le risque d’endommagement des composants électroniques.
4. Polyvalence : Convient à de nombreuses applications différentes – de l’industrie aux appareils ménagers.

Inconvénients

1. Usure mécanique : Avec le temps, les contacts peuvent s’user ou s’oxyder, surtout avec de forts courants ou des charges inductives.
2. Vitesse de commutation limitée : La nature mécanique du relais ne permet pas des fréquences de déclenchement très élevées.
3. Consommation d’énergie de la bobine : Pour maintenir les contacts en état de fonctionnement, il est nécessaire d’alimenter en permanence la bobine.
4. Bruit fort : Lors de l’activation et de la désactivation, un clic caractéristique peut se produire.

Types et classification des relais électromagnétiques

1. Par type de contacts

   • SPST (Single Pole Single Throw) — un pôle, un contact.
   • SPDT (Single Pole Double Throw) — un pôle, deux directions (NO/NC).
   • DPDT (Double Pole Double Throw) — deux pôles, chacun avec deux directions, etc.

2. Par tension de fonctionnement de la bobine

   • Basse tension (3 V, 5 V, 9 V, 12 V, 24 V) – courantes dans l’électronique et l’automatisation.
   • Haute tension (110 V, 220 V, etc.) – utilisées dans les réseaux industriels et domestiques.

3. Par destination

   • Usage général (General Purpose).
   • Relais temporisé (avec minuteurs intégrés).
   • Protecteurs (pour la détection de surcharges, courts-circuits).
   • Contacteur (un type de relais électromagnétique puissant pour de forts courants).

4. Par nombre de cycles de fonctionnement (ressource)

   • Relais ordinaires de moyenne ressource (dizaines ou centaines de milliers de déclenchements).
   • Relais industriels spéciaux avec une ressource accrue (millions de déclenchements).

FAQ sur les relais électromagnétiques

1. Quel est le principe de fonctionnement d’un relais électromagnétique ?

Le principe de fonctionnement est basé sur la création d’un champ magnétique dans la bobine. Lorsque le courant passe à travers la bobine, elle attire ou repousse l’armature, qui ferme ou ouvre mécaniquement les contacts électriques, permettant ou interrompant le passage du courant dans le circuit externe.

2. En quoi un relais électromagnétique diffère-t-il d’un relais à état solide ?

Un relais électromagnétique a des contacts mécaniques, il émet donc un clic caractéristique lors de l’activation et est sujet à l’usure mécanique. Un relais à état solide (SSR) n’a pas de contacts mécaniques et commute le circuit à l’aide de composants semi-conducteurs. Les SSR sont plus rapides, plus silencieux, mais peuvent être plus coûteux et nécessiter parfois des radiateurs supplémentaires pour dissiper la chaleur.

3. À quoi servent les relais électromagnétiques ?

Ils sont utilisés pour contrôler de grandes charges électriques, automatiser des processus industriels, commuter des lignes de communication, assurer une protection contre les surcharges et dans de nombreux appareils ménagers (climatiseurs, machines à laver, chauffe-eau, etc.).

4. Quelle est la construction de l’électroaimant dans le relais ?

La construction comprend une bobine de fil enroulée autour d’un noyau magnétique, et une partie mobile (armature) qui est attirée vers le noyau sous l’effet du champ électromagnétique. Ce mouvement mécanique permet au contact de fermer ou d’ouvrir le circuit électrique.

5. Comment choisir un relais électromagnétique ?

Faites attention à :

• La tension d’alimentation de la bobine (5 V, 12 V, 24 V, 220 V, etc.).
• Le courant et la tension maximaux des contacts que le relais doit commuter.
• Le nombre et le type de contacts (NO/NC, SPDT, DPDT, etc.).
• L’environnement de travail (température, humidité, charges mécaniques possibles).
• La ressource de déclenchement et les exigences de vitesse de commutation.

6. Peut-on remplacer un relais électromagnétique par un relais électronique (à état solide) ?

Oui, dans de nombreux cas, mais il faut prendre en compte :

• Le coût et la compatibilité avec la tension et le courant de fonctionnement.
• La nécessité de radiateurs de refroidissement pour les SSR à forte puissance.
• Les avantages et inconvénients de chaque option (les relais électromagnétiques isolent mieux les circuits, les SSR peuvent chauffer et entraîner des coûts énergétiques supplémentaires).

Conclusion

Les relais électromagnétiques sont l’une des technologies de base qui permettent d’automatiser et de contrôler des circuits électriques complexes. Leur principe de fonctionnement repose sur la création d’un champ magnétique dans la bobine, qui déplace mécaniquement les contacts, fermant ou ouvrant le circuit externe. Grâce à leur simplicité, fiabilité et capacité à commuter de forts courants, ces relais sont largement utilisés dans les systèmes industriels, les télécommunications, les appareils ménagers et de nombreux autres domaines.

Comprendre la construction de l’électroaimant, le mécanisme de commutation des contacts et les particularités de la conception des relais permet de choisir correctement le type d’appareil nécessaire et d’assurer un fonctionnement durable et sûr des systèmes électriques. Prendre en compte les avantages et inconvénients aidera à prendre une décision éclairée sur le passage à d’autres technologies (par exemple, relais à état solide) ou à continuer d’utiliser des relais électromagnétiques traditionnels.