Relais bistables : fonctionnement, commande et sélection

Les relais bistables sont des composants électromécaniques qui conservent leur position après la disparition du signal de commande. Cette propriété est utile lorsqu’il faut limiter la consommation et mémoriser un état. Ce guide présente leurs types, leur fonctionnement, leurs applications et les critères de choix.

Qu’est-ce qu’un relais bistable ?#

Un relais bistable, également appelé relais à verrouillage ou à maintien, est un interrupteur commandé électriquement qui conserve sa position sans alimentation permanente de la bobine1. Contrairement au relais monostable, qui doit rester excité pour maintenir sa position de travail, il change d’état sous l’effet d’une brève impulsion et conserve cet état jusqu’à la commande de commutation suivante.

Types de relais bistables#

Il est utile de distinguer le mécanisme de maintien et la façon dont le relais répond à la commande.

1. Maintien magnétique : Un aimant permanent maintient les contacts après la commutation. Les configurations courantes sont à un ou deux enroulements ; elles ne doivent pas être confondues avec le nombre de phases commutées1.

2. Maintien mécanique : Un dispositif de verrouillage conserve les contacts dans leur dernière position jusqu’à réception de la commande opposée.

3. Relais à impulsions ou pas à pas : Ils changent l’état des contacts à chaque impulsion successive. Il s’agit d’un comportement de commande, pas d’un troisième mécanisme de maintien universel. Les limites de chocs et de vibrations se vérifient dans la fiche technique du modèle.

Fonctionnement d’un relais bistable#

Le fonctionnement dépend de la construction. L’exemple suivant décrit un relais à maintien magnétique et deux bobines.

1. Enclenchement, ou set : Une impulsion sur la bobine d’enclenchement crée un champ magnétique qui déplace l’armature et commute les contacts.

2. Maintien : Après la commutation, l’aimant permanent maintient l’armature. La nouvelle position reste mémorisée après la fin de l’impulsion.

3. Réinitialisation, ou reset : Une impulsion sur la bobine de remise à zéro crée un champ opposé, libère l’état maintenu et ramène l’armature à sa position initiale.

Une bobine ou deux bobines#

Les relais bistables existent en versions à une ou deux bobines.

• Une bobine : Le même enroulement assure l’enclenchement et la remise à zéro. Le sens du courant détermine l’opération.

• Deux bobines : Une bobine assure l’enclenchement et l’autre la remise à zéro.

Avantages des relais bistables#

Plusieurs avantages sont possibles, sous réserve de respecter les conditions du composant choisi.

1. Économie d’énergie : La bobine consomme lors de la commutation, sans puissance de maintien continue. Cela convient aux appareils sur batterie, même si les circuits de commande et de surveillance peuvent continuer à consommer.

2. Mémorisation de l’état : Les contacts conservent leur dernière position lorsque l’alimentation de la bobine est coupée. Le système doit définir un état initial sûr et tenir compte d’éventuels changements liés à la manipulation ou à des chocs excessifs.

3. Moindre échauffement de la bobine : L’absence de courant de maintien réduit la dissipation par rapport à un relais monostable comparable. Les pertes dans les contacts subsistent lorsque le courant de charge circule.

4. Intégration sur PCB : Des modèles pour montage sur carte sont disponibles, mais leurs dimensions dépendent des caractéristiques des contacts, de l’isolation et du boîtier, pas seulement du fonctionnement bistable.

5. Commutation de charges : Certains modèles acceptent des charges importantes. Les limites de tension, courant, courant d’appel et type de charge doivent être tirées de la fiche technique du relais retenu.

6. Fiabilité : La durée de vie des contacts et la réussite de la commutation dépendent de la charge, de l’impulsion de commande et de l’environnement. Une construction bistable ne constitue pas une garantie générale de sécurité.

Applications des relais bistables#

Ces relais sont utilisés dans de nombreux systèmes pour commuter des charges ou conserver un état.

1. Automobile : Verrouillage des portes et autres fonctions nécessitant le maintien d’une position3.

2. Gestion de l’énergie : Commande et surveillance des charges dans les réseaux intelligents et les compteurs d’énergie.

3. Commande industrielle : Circuits de convoyeurs et machines d’emballage1.

4. Commande d’éclairage : Installations résidentielles et tertiaires1.

5. Télécommunications : Commutation de lignes et aiguillage des signaux dans les équipements de communication.

6. Sécurité : Systèmes d’alarme et dispositifs de contrôle d’accès.

7. Domotique : Commande d’appareils domestiques et de fonctions du bâtiment.

Choisir le bon relais bistable#

Examinez les points suivants lors de la sélection.

1. Bobines : Choisissez une ou deux bobines selon la conception du circuit de commande.

2. Contacts : Déterminez leur nombre et leur type : normalement ouverts, normalement fermés ou inverseurs.

3. Tension et courant : Vérifiez que le relais accepte les niveaux électriques nécessaires.

4. Vitesse : Si la commutation doit être rapide, examinez les temps d’actionnement et de remise à zéro.

5. Environnement : Tenez compte de la température, de l’humidité et de la tenue aux vibrations dans les conditions prévues.

6. Dimensions et montage : Le modèle doit respecter l’espace disponible et le mode de fixation.

Installation et câblage#

Un montage et un câblage adaptés sont indispensables au bon fonctionnement.

1. Alimentation : Respectez la tension de bobine, la polarité et la durée minimale des impulsions d’enclenchement et de remise à zéro. Appliquez également les limites éventuelles de durée maximale ou de rapport cyclique de la fiche technique.

2. Polarité : Sur un modèle à une bobine, vérifiez la polarité du signal pour obtenir l’enclenchement ou la remise à zéro souhaités3.

3. Protection de la bobine : Employez une limitation des surtensions compatible avec le relais et son circuit de commande. Une diode de roue libre ordinaire placée seule en parallèle sur une bobine commandée dans les deux polarités conduirait pendant l’une des commandes. Suivez la protection recommandée par le fabricant pour la commande bidirectionnelle.

4. Protection des contacts : Prévoyez les circuits de protection adaptés, surtout pour les charges inductives.

5. Masse et terre : Une conception appropriée des retours et de la mise à la terre aide à limiter les perturbations électromagnétiques.

Entretien et diagnostic#

Avec le temps, des défauts peuvent apparaître dans les contacts, la bobine ou le mécanisme.

1. Usure des contacts : Évaluez la commutation et la résistance de contact selon la procédure du fabricant. N’ouvrez pas un relais PCB étanche pour une inspection visuelle courante ; remplacez le composant défaillant conformément aux indications.

2. Défauts de bobine : Une mesure de résistance, circuit mis hors tension en sécurité, peut aider à détecter un enroulement coupé ou en court-circuit. La température et les chemins parallèles du circuit influencent la mesure ; celle-ci ne prédit pas, à elle seule, la durée de vie restante.

3. Problèmes mécaniques : Des bruits inhabituels à l’actionnement peuvent signaler une anomalie du mécanisme.

4. Environnement : Vérifiez que le relais fonctionne dans les plages spécifiées de température et d’humidité.

5. Essais électriques : Testez périodiquement l’enclenchement et la remise à zéro afin de confirmer leur bon fonctionnement.

Évolutions technologiques#

Les développements à venir peuvent porter sur plusieurs axes.

1. Miniaturisation : Réduire l’encombrement en conservant ou en améliorant les performances.

2. Efficacité énergétique : Réduire l’énergie nécessaire aux impulsions de commande.

3. Intégration à l’IoT : Ajouter des fonctions de surveillance et de commande à distance.

4. Durabilité : Employer de nouveaux matériaux et de nouvelles constructions pour prolonger la durée de vie.

5. Solutions hybrides : Associer technologies électromécaniques et à semi-conducteurs.

Conclusion#

Les relais bistables sont des composants polyvalents et économes pour les systèmes électriques et électroniques. Leur capacité à conserver une position sans alimentation permanente de la bobine est utile dans des applications allant de l’automobile aux réseaux électriques intelligents.

 

La connaissance des types, du fonctionnement et des critères de sélection permet d’adapter le relais et sa commande aux besoins de la conception.