Utiliser des relais électromécaniques pour résoudre les problèmes d'interface modernes

L'un des défis liés à l'intégration des systèmes consiste à connecter un sous-système existant avec un sous-système nouveau ou différent. Parfois, lorsque les caractéristiques d'entrée/sortie des deux côtés sont standard et connues, un circuit intégré de dispositif de décalage/translateur de niveau, tel que le SN74AUP1T57DCKR de Texas Instruments, peut s'adapter à différents niveaux de signaux numériques sur ses entrées et ses sorties et résoudre facilement le problème (Figure 1).

Figure 1 : Lorsque deux interfaces sont standard et bien définies, un circuit intégré standard, tel que le SN74AUP1T57DCKR, peut rapidement et facilement résoudre le problème. (Source de l'image : Texas Instruments)

Le problème est qu'il existe de nombreux scénarios dans lesquels l'interconnexion entre les anciens et les nouveaux systèmes n'est pas facile à implémenter. Souvent, les caractéristiques de l'un ou des deux côtés de l'interface ne sont pas connues ou sont mal définies, de sorte qu'il n'est pas possible d'utiliser un composant standard.

C'est le problème auquel j'ai été confronté dans deux situations distinctes. Dans chaque cas, j'ai pu résoudre facilement et soigneusement le problème en utilisant une version moderne du relais électromécanique (EMR), vieux de près de 200 ans. Inventé vers 1835, l'EMR est généralement attribué au scientifique américain Joseph Henry.

Si les relais peuvent sembler archaïques par rapport à l'utilisation d'un photocoupleur ou d'un relais statique (SSR), il existe de nombreux cas où leurs vertus « anciennes » présentent de nombreux avantages. Des centaines de millions de relais de ce type sont vendus chaque année. Si beaucoup sont destinés à être remplacés, une part conséquente est utilisée pour de nouvelles conceptions.

Les types de relais se répartissent en trois grandes catégories : les dispositifs à petits signaux pour les courants de contact inférieurs à 2 A, les relais de puissance pour les courants plus élevés et les relais radiofréquences (RF). Les relais RF traitent généralement les petits signaux dans les plages des mégahertz et des gigahertz. Il existe également d'autres membres de la famille, tels que les relais audio et les relais à lames pour les équipements de test automatique (ATE). De plus, les relais présentent de nombreuses configurations de contact, depuis la version de base unipolaire unidirectionnelle (SPST) jusqu'aux unités à contacts multiples.

Je vais être honnête, j'aime beaucoup les EMR pour de nombreuses raisons :

• Ils sont robustes et fiables.
• Ils offrent une isolation galvanique (ohmique) presque parfaite.
• Les valeurs nominales de courant/tension d'entrée et de sortie sont largement indépendantes.
• Ils sont disponibles dans une vaste gamme de valeurs nominales pour la bobine et les contacts.
• Ils disposent généralement d'une version compatible à broches femelles, ce qui simplifie le câblage et le débogage.
• Ils sont souvent dotés de plusieurs contacts normalement ouverts (NO)/normalement fermés (NC), ce qui s'avère utile.
• Ils fournissent une indication visuelle via la position de l'armature, montrant s'ils sont sous tension.
• Ils émettent un « clic » sonore très satisfaisant lorsqu'ils s'ouvrent ou se ferment.

En bref, ce sont des solutions simples, flexibles et élégantes. Concernant la fiabilité, un relais de qualité utilisé conformément à ses spécifications durera des millions de cycles et des dizaines d'années.

Ma situation était relativement simple puisque les « signaux » auxquels j'avais affaire étaient des fermetures de contact, parfois appelées « contacts secs », dans lesquels le système commandé souhaite voir une connexion de continuité de base entre ses deux fils. Examinons mes problèmes et la manière dont un simple relais les a résolus.

Défi n°1 : modernisation d'un système de contrôle du chauffage

Je me suis porté « volontaire » pour aider un ami à moderniser le contrôle d'un système de chauffage seul, en passant d'un thermostat basique, fonctionnel et démodé, doté d'une simple fonction marche/arrêt commandée par la température, à une unité plus sophistiquée, intelligente et équipée du Wi-Fi. L'ancien thermostat était similaire au modèle classique T87F de Honeywell (Figure 2). Le T87F a été introduit au début des années 1960 et, bien qu'il ne soit plus commercialisé, des millions de thermostats ont été installés et beaucoup sont encore utilisés en raison de sa bande thermique bimétallique extrêmement fiable et de son interrupteur à mercure hermétiquement fermé.

Figure 2 : Introduits dans les années 1960, la plupart des millions de thermostats T87F de Honeywell installés sont encore utilisés en raison de leur bande thermique bimétallique extrêmement fiable et de leur interrupteur à mercure hermétiquement fermé. (Source de l'image : New York Historical Society)

J'ai jeté un coup d'œil rapide au thermostat existant et j'ai vu qu'il n'avait que deux fils, alors je me suis dit que ce ne devait pas être bien compliqué. D'autant plus que son action de sortie n'était une simple fermeture de contact. Il s'est avéré que ce n'était pas du tout le cas. La documentation sur les thermostats intelligents présentait de nombreuses configurations et options de câblage possibles pour passer d'une unité à deux fils à une nouvelle unité à trois fils, beaucoup plus intelligente.

Tout d'abord, le nouveau thermostat devait être alimenté par un transformateur de 24 VCA, ce qui nécessitait un fil supplémentaire entre le contrôleur de chauffage, ventilation et climatisation (CVC) et le thermostat. Heureusement, un troisième fil inutilisé était déjà en place (merci à la personne qui l'a fait !). Cette partie du problème n'en était donc pas un.

Il y avait plusieurs façons de connecter le nouveau système à trois fils à la fermeture de contact à deux fils existante, selon le fournisseur du contrôleur du système (qui, dans ce cas, était assez récent), selon qu'il s'agissait de chauffage uniquement ou de chauffage plus climatisation, et selon la façon dont vous vouliez traiter l'isolation galvanique du nouveau thermostat par rapport au contrôleur existant.

L'une des options était un photocoupleur ou un SSR, mais je n'étais pas sûr des niveaux de tension et de courant ou si une sortie SSR « activée » ressemble suffisamment à une véritable fermeture de contact, étant donné qu'il y a une petite chute de tension à la sortie SSR. L'option la plus simple et la moins inquiétante consistait à utiliser un relais d'isolation similaire au RY2S-UAC24V d'IDEC. Ce relais bipolaire bidirectionnel (DPDT) à usage général possède une bobine de 24 VCA et des contacts de 3 A dans un circuit de translation/isolation de base (Figure 3). De toute évidence, la vitesse de commutation n'était pas une préoccupation dans cette situation.

Figure 3 : Ma difficulté à connecter un thermostat intelligent moderne à un nouveau contrôleur de système de chauffage simple à deux fils a été résolue grâce à un relais doté d'une bobine de 24 VCA. (Source de l'image : Bill Schweber)

La bonne nouvelle, c'est que tout a bien fonctionné du premier coup ! On ne peut pas faire mieux.

Défi n°2 : mise à jour du composeur d'un système de sécurité d'une ligne terrestre à une ligne cellulaire

Un autre ami m'a demandé de l'aider à remplacer le composeur téléphonique terrestre d'un système de sécurité domestique, désormais obsolète, par une unité cellulaire sans fil moderne. Comme une simple fermeture à deux fils déclenchait l'ancienne et la nouvelle unité, j'espérais qu'il s'agirait d'un remplacement direct, mais ce ne fut pas le cas.

L'ancien composeur nécessitait une transition d'une paire de contacts « ouverts » à une paire de contacts « fermés » pour se déclencher, tandis que le manuel du nouveau composeur indiquait qu'il nécessitait une transition de la terre au « circuit ouvert » pour se déclencher. Malheureusement, « circuit ouvert » est l'un de ces termes parfois ambigus : cela signifie-t-il « flottant » (vraiment ouvert), ou la déconnexion de la ligne via une sortie à collecteur ouvert suffirait-elle ?

Pour compliquer encore les choses, la documentation relative à la broche de sortie de l'unité de contrôle des alarmes pilotant le composeur n'était pas claire quant à sa nature électrique : il pouvait s'agir d'une structure à collecteur ouvert ou non. Je ne pouvais donc pas dire avec certitude si la sortie de l'unité de contrôle était au moins potentiellement compatible électriquement avec les besoins d'entrée du composeur.

J'y ai réfléchi pendant un instant et j'ai résumé le problème à ceci : j'avais une sortie qui allait de haut à bas avec une structure peu claire, et ce que je voulais, c'était qu'elle ressemble à un signal CC allant de la terre à l'ouverture.

Là encore, un EMR est venu à la rescousse. Dans ce cas, un relais similaire au relais DPDT à usage général UA2-5NU de KEMET avec une bobine de 5 VCC et des contacts de 1 A semblait être un moyen flexible et sans risque de résoudre ces problèmes. J'ai connecté la bobine entre le rail d'alimentation et la sortie active de l'unité de contrôle, puis j'ai utilisé les contacts non alimentés du relais en mode NC pour connecter l'entrée du composeur à la terre réelle (Figure 4). Lorsque la sortie de l'unité de contrôle passe à l'état bas, elle alimente la bobine, qui ouvre les contacts du relais NC et fournit un véritable circuit ouvert à l'entrée du composeur.

Figure 4 : Un relais CC basse tension a réalisé la conversion et l'inversion du signal entre la sortie mal définie du déclencheur du système d'alarme et le nouveau composeur sans fil. (Source de l'image : Bill Schweber)

Problème résolu ! Le relais a fonctionné à la fois comme dispositif de décalage de niveau et onduleur de signaux et m'a offert en prime une isolation galvanique.

Conclusion

Ces deux solutions EMR sont simples, élégantes et efficaces. Que demander de plus ? La leçon à retenir est qu'il ne faut pas hésiter à envisager des composants ayant fait leurs preuves, car ils peuvent offrir simplicité, fonctionnalité et flexibilité. Quant à moi, je continuerai à me porter volontaire pour aider. C'est imprévisible et parfois frustrant, mais finalement gratifiant.