L'électricité
L'électricité est une forme d'énergie liée au déplacement ou à la présence de charges électriques. Elle est aujourd'hui indispensable dans notre vie quotidienne : elle permet d'éclairer nos maisons, de faire fonctionner les appareils électroniques, de chauffer, de communiquer et d'alimenter de nombreux systèmes industriels.
Tout ce qui nous entoure est constitué d'atomes. Ces derniers sont formés d'un noyau contenant des protons et des neutrons, entouré d'électrons. Les électrons portent une charge électrique négative. Lorsqu'ils se déplacent dans certains matériaux, ils créent un courant électrique.
Certains matériaux laissent facilement circuler les électrons : ce sont les conducteurs électriques. Les métaux comme le cuivre, l'aluminium ou l'argent sont de très bons conducteurs. À l'inverse, les matériaux qui empêchent le déplacement des charges sont appelés isolants, comme le plastique, le verre ou le caoutchouc.
Pour qu'un courant électrique circule, il faut généralement un circuit fermé. Un circuit électrique simple est composé de plusieurs éléments :
- Un générateur, comme une pile ou une batterie, qui fournit l'énergie électrique.
- Des fils conducteurs, qui permettent aux charges électriques de se déplacer.
- Un récepteur, comme une lampe ou un moteur, qui transforme l'énergie électrique en une autre forme d'énergie.
- Un interrupteur, qui permet d'ouvrir ou de fermer le circuit.
La circulation du courant électrique est décrite grâce à plusieurs grandeurs physiques.
- L'intensité électrique, mesurée en ampères (A), correspond à la quantité de charges électriques qui traversent un circuit pendant un temps donné.
- La tension électrique, mesurée en volts (V), représente la différence d'énergie qui pousse les charges à circuler.
- La résistance électrique, mesurée en ohms (Ω), s'oppose au passage du courant.
La relation entre ces trois grandeurs est décrite par la loi d'Ohm : la tension (U) est égale à la résistance (R) multipliée par l'intensité (I). Cette loi permet de calculer le comportement d'un circuit électrique.
Il existe deux grands types de courant électrique.
- Le courant continu (CC), dans lequel les charges circulent toujours dans le même sens, comme dans une pile ou une batterie.
- Le courant alternatif (CA), dans lequel le sens du courant change régulièrement. C'est celui utilisé dans les prises électriques des habitations.
L'électricité peut être produite grâce à différentes sources d'énergie. Les centrales électriques utilisent notamment le nucléaire, le gaz, le charbon, l'eau des barrages, le vent ou le Soleil pour transformer une énergie initiale en énergie électrique.
L'électricité doit être utilisée avec précaution. Une tension trop élevée ou un mauvais usage peuvent provoquer des électrocutions, des incendies ou des dommages aux appareils. C'est pourquoi les installations électriques possèdent des dispositifs de sécurité comme les fusibles et les disjoncteurs.
L'étude de l'électricité a profondément transformé le monde moderne. De la simple ampoule aux ordinateurs, aux smartphones et aux véhicules électriques, elle est devenue l'une des formes d'énergie les plus importantes de notre civilisation.
- L'électricité statique
- Le courant électrique
- Les circuits électriques
- Le magnétisme et l'électromagnétisme
- Les relais
- La production et le transport de l'électricité
- Les piles, batteries et accumulateurs
- Les transformateurs
- Le redresseur
- L'onduleur
- Le courant monophasé et triphasé
- Les variateurs de fréquence
- La sécurité électrique
Les relais
Le relais est un composant électromécanique qui permet de commander un circuit électrique à l'aide d'un autre circuit. Il agit comme un interrupteur commandé automatiquement par un courant électrique. Grâce à lui, un faible courant peut mettre en marche ou arrêter un appareil consommant un courant beaucoup plus important.
Un thermostat peut utiliser un relais pour commander la mise en marche d'un radiateur électrique sans que le courant du radiateur traverse directement le thermostat.
Constitution d'un relais électromécanique
Un relais est constitué de deux parties indépendantes :
- une bobine ;
- un noyau ferromagnétique qui concentre le champ magnétique ;
- une armature mobile attirée par le champ magnétique ;
- un ressort qui ramène l'armature à sa position initiale ;
- un ou plusieurs contacts électriques.
Fonctionnement d'un relais
Lorsque la bobine est alimentée, elle crée un champ magnétique. Celui-ci attire une pièce métallique mobile appelée armature, qui déplace les contacts du relais.
Lorsque le courant est coupé, le champ magnétique disparaît. Un ressort ramène alors les contacts dans leur position de repos.
Les contacts d'un relais
Les contacts permettent d'établir ou d'interrompre le passage du courant dans le circuit commandé. Ils sont complètement isolés électriquement de la bobine.
On distingue principalement trois types de contacts.
-
Le contact normalement ouvert (NO)
Un contact normalement ouvert reste ouvert lorsque la bobine n'est pas alimentée.
Lorsque le relais est excité, le contact se ferme et le courant peut circuler. Ce type de contact est utilisé, par exemple, pour allumer une lampe uniquement lorsque la bobine reçoit une tension.
-
Le contact normalement fermé (NF)
Un contact normalement fermé est fermé lorsque la bobine est au repos.
Lorsque la bobine est alimentée, le contact s'ouvre et coupe le courant. Ce fonctionnement est souvent utilisé dans les dispositifs de sécurité.
-
Le contact inverseur
Un contact inverseur possède une borne commune reliée alternativement à un contact normalement fermé ou à un contact normalement ouvert.
Il permet de basculer automatiquement un circuit d'une sortie vers une autre. Ce principe est utilisé dans de nombreux systèmes de commande et d'automatisation.
La bobine du relais
La bobine est le dispositif de commande du relais. Lorsqu'elle est parcourue par un courant, elle se comporte comme un électroaimant.
Les relais existent pour différentes tensions de commande, par exemple 5 V, 12 V, 24 V, 48 V ou encore 230 V.
Le courant traversant la bobine est généralement faible par rapport au courant pouvant être commuté par les contacts.
L'isolation électrique
L'un des principaux avantages d'un relais est l'isolation galvanique entre le circuit de commande et le circuit commandé.
Les deux circuits ne sont reliés que par le mouvement mécanique des contacts. Aucun courant ne passe directement de l'un vers l'autre.
Par exemple, un microcontrôleur alimenté sous 5 V peut commander un relais qui met sous tension un appareil fonctionnant en 230 V, sans que cette tension dangereuse soit présente sur le circuit électronique.
Le temps de commutation
Comme le relais comporte des pièces mécaniques mobiles, son fonctionnement n'est pas instantané.
Le temps nécessaire pour attirer puis relâcher l'armature est généralement compris entre quelques millisecondes et quelques dizaines de millisecondes.
Cette durée est suffisante pour la plupart des applications industrielles, mais elle est beaucoup trop lente pour les circuits électroniques fonctionnant à haute fréquence.
Les différents types de relais
-
Les relais électromécaniques
Ce sont les relais les plus courants. Ils utilisent une bobine, une armature mobile et des contacts métalliques.
Ils peuvent commuter des tensions continues ou alternatives et supporter des courants relativement importants.
-
Les relais bistables
Un relais bistable conserve sa position après la disparition du courant de commande.
Une nouvelle impulsion électrique est nécessaire pour modifier de nouveau la position des contacts.
Ces relais sont utilisés lorsqu'il est souhaitable de conserver un état sans alimenter continuellement la bobine.
-
Les relais statiques
Les relais statiques ne possèdent aucune pièce mobile. Ils utilisent des composants électroniques comme des triacs, des thyristors ou des transistors pour assurer la commutation.
Ils sont silencieux, très rapides et supportent un très grand nombre de manœuvres.
La diode de roue libre
Lorsqu'un relais est alimenté en courant continu, la bobine emmagasine de l'énergie sous forme de champ magnétique.
À la coupure du courant, ce champ disparaît brutalement et la bobine produit une surtension pouvant endommager le transistor ou le circuit qui la commande.
Pour éviter ce phénomène, une diode de roue libre est souvent montée en parallèle de la bobine. Elle absorbe cette surtension et protège les composants électroniques.
Les caractéristiques d'un relais
Le choix d'un relais dépend de plusieurs caractéristiques importantes :
- la tension nominale de la bobine ;
- le courant consommé par la bobine ;
- le nombre de contacts ;
- le type de contacts (NO, NF ou inverseur) ;
- la tension maximale pouvant être commutée ;
- le courant maximal supporté par les contacts ;
- la durée de vie mécanique et électrique.
Les principales applications
Les relais sont utilisés dans les systèmes d'alarme, les automatismes industriels, les ascenseurs, les véhicules, les systèmes domotiques, les cartes électroniques, les appareils électroménagers, les systèmes de chauffage et les équipements de sécurité.
Ils permettent notamment de commander des moteurs, des pompes, des électrovannes, des éclairages ou des résistances chauffantes à partir de circuits de faible puissance.