Comment fonctionne un relais : le déclic qui a bâti l'informatique moderne

À l’instant même où vous lisez ces lignes, les transistors de votre appareil commutent des signaux électriques sans aucune pièce mobile macroscopique. Certaines des premières machines numériques importantes réalisaient des commutations logiques comparables à l’aide de relais électromécaniques — et chacun de ces relais produisait un déclic sec et audible.

Un relais est un interrupteur commandé par l’électricité. Ce ne fut pas le seul précurseur de l’informatique électronique, mais il offre un chemin particulièrement visible qui mène des contacts physiques aux portes logiques, à l’arithmétique et à la mémoire.

Voici la première étape d’une série pratique intitulée Construire un ordinateur avec des relais. Elle s’inspire profondément du chef-d’œuvre de Charles Petzold, CODE: The Hidden Language of Computer Hardware and Software. Mais au lieu de simplement lire la description de ces circuits, vous pourrez les actionner directement dans votre navigateur au fil des articles. Imaginez CODE devenu jouable.

Commençons tout en bas : avec un seul relais.

Le problème qui a donné naissance au relais

Notre histoire débute dans les années 1830, plusieurs décennies avant que quiconque ne rêve d’un ordinateur, avec une difficulté très concrète : comment envoyer un signal sur un fil vraiment très long ?

Un télégraphe électrique envoyait un courant dans une ligne afin d’actionner un électroaimant à l’autre extrémité. La résistance du fil, les courants de fuite et la sensibilité de l’appareil récepteur limitaient la distance et la fiabilité d’un circuit direct. Un courant reçu devenu trop faible ne pouvait plus actionner le mécanisme de manière sûre.

Une solution était d’une élégante simplicité : laisser le signal reçu actionner un contact qui reliait une nouvelle source locale. Les travaux de Joseph Henry sur les électroaimants puissants et les circuits électromagnétiques successifs ont contribué à ce développement, aux côtés de ceux d’autres inventeurs du télégraphe et fabricants d’instruments.

Cet interrupteur était le relais. Son nom décrit exactement sa fonction : il relaie le message, comme un coureur transmet un témoin. Un courant affaibli arrive, déclenche un interrupteur, puis un courant tout neuf et à pleine puissance prend la relève. Les opérateurs télégraphiques pouvaient ainsi chaîner des relais le long d’une ligne et traverser un continent.

En 1840, personne ne songeait à la logique ou aux ordinateurs. Il fallait simplement que les points et les traits atteignent la ville suivante. Mais ce petit dispositif pratique renfermait une idée qui finirait par transformer le monde : un interrupteur commandé par l’électricité plutôt que par un doigt humain. Retenez-la, car tout repose sur cette astuce.

Comment fonctionne réellement un relais, pièce par pièce

Voir un relais s’animer brusquement pour la première fois paraît magique, mais son fonctionnement repose sur une physique élémentaire. Il suffit de comprendre trois éléments mobiles.

1. L’électroaimant (la bobine). Enroulez un fil autour d’un noyau de fer et faites-y circuler un courant : vous obtenez un aimant temporaire. Courant présent → magnétique. Courant absent → non magnétique. C’est le « muscle » du relais, entièrement commandé par l’électricité.

2. L’armature (le levier). Juste au-dessus de l’électroaimant se trouve un petit levier en fer, retenu en arrière par un ressort. Quand la bobine est alimentée, son attraction magnétique l’emporte sur le ressort et tire brusquement l’armature vers le bas. Coupez le courant et le ressort la ramène aussitôt. C’est ce mouvement sec qui produit le déclic audible.

3. Les contacts (l’interrupteur). L’armature porte un contact métallique. En se déplaçant, celui-ci établit ou coupe une connexion dans un second circuit totalement distinct. Le courant d’un fil détermine si le courant peut circuler dans un autre.

Mis bout à bout, ces éléments forment une minuscule machine dont le fonctionnement se lit ainsi :

Le courant traverse la bobine → l’électroaimant attire l’armature → l’armature déplace le contact → un circuit séparé s’ouvre ou se ferme.

Alimentez la bobine : clic, le circuit de sortie se ferme et une lampe s’allume. Relâchez-la : clic, la lampe s’éteint. C’est un interrupteur que vous ne touchez jamais et que seule l’électricité actionne.

Normalement ouvert, normalement fermé : les deux personnalités du relais

Voici le détail qui transforme le relais, simple curiosité, en composant logique — et que les ingénieurs attendaient sans doute.

Un relais inverseur fournit généralement à la fois des contacts normalement ouverts et normalement fermés :

• Normalement ouvert (NO) : au repos, le contact est ouvert. Alimenter la bobine le ferme.
• Normalement fermé (NC) : au repos, le contact est fermé. Alimenter la bobine l’ouvre.

Si l’on code une bobine alimentée comme une entrée à 1 et une lampe allumée comme une sortie à 1, le chemin NO se comporte comme un buffer et le chemin NC comme une porte NOT. Cette interprétation dépend du câblage, de l’alimentation et de la convention logique choisis ; les contacts eux-mêmes ne sont que des interrupteurs passifs.

Deux colonnes et deux comportements opposés à partir d’un dispositif des plus modestes. La capacité du relais à inverser un signal — transformer ON en OFF — n’est pas un détail. C’est l’étincelle qui rend possible une véritable logique, puis la prise de décision.

Actionnez-en un vous-même

Lire la description d’un déclic ne remplace pas l’actionnement du modèle. Le circuit interactif ci-dessous représente une bobine de relais, une armature, un contact et une lampe. Comme tout simulateur, il s’agit d’un modèle : servez-vous de l’état visuel et du timing pour comprendre la topologie, puis consultez la fiche technique d’un relais réel pour connaître sa tension, son courant, ses délais, le rebond et les caractéristiques nominales de ses contacts.

Basculez l’interrupteur à couteau pour faire circuler le courant dans la bobine modélisée. Regardez l’armature s’attirer, le contact se fermer et la lampe s’allumer. Un son facultatif marque chaque transition.

Faites ces essais pendant que vous explorez le modèle :

1. Basculez-le lentement. Observez le délai entre l’alimentation de la bobine et l’allumage de la lampe. Un relais réel possède un temps de fonctionnement électrique et mécanique ; le rebond des contacts peut ajouter d’autres transitions. Des articles ultérieurs montreront pourquoi toutes les technologies logiques — pas seulement les relais — doivent tenir compte des délais finis.
2. Écoutez. Un clic à l’attraction, un autre au relâchement. Chaque clic correspond à un bit du monde qui change d’état.
3. Imaginez-en toute une baie. Les calculateurs électromécaniques et les ordinateurs à relais produisaient un bruit de commutation caractéristique lorsque leurs contacts s’actionnaient.

Pourquoi le relais est un bon atome de la logique de commutation

Prenez du recul et observez ce qui vient de se produire. Le courant de la bobine a commandé celui du contact. Un circuit a actionné un interrupteur dans un autre circuit.

C’est cette propriété qui change tout, car elle signifie que les relais peuvent être reliés entre eux. La sortie d’un relais peut devenir l’entrée — la bobine — du suivant. Un interrupteur en commande un autre, qui en commande encore un autre. Dès que des dispositifs peuvent se contrôler mutuellement, on peut les organiser pour prendre des décisions : n’allumer cette lampe que si ces deux interrupteurs sont actifs ; ou si l’un ou l’autre l’est ; ou si celui-ci ne l’est pas.

Si ces mots — AND, OR, NOT — évoquent la logique, c’est précisément le pont que cette série va construire. Dans son mémoire de maîtrise de 1937 au MIT, A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits, Claude Shannon appliqua l’algèbre booléenne à l’analyse et à la synthèse des réseaux de commutation. Les contacts en série correspondent à la conjonction, les chemins parallèles à la disjonction et les conditions de contact complémentaires à la négation. Les réseaux complexes de relais devenaient ainsi accessibles à une conception mathématique systématique. Vous pouvez consulter le mémoire numérisé.

Les processeurs modernes utilisent des composants à semi-conducteurs plutôt que des relais, et leur comportement au niveau des transistors n’est pas identique à celui d’un contact mécanique. Le lien durable tient à l’abstraction : les deux technologies peuvent représenter deux états logiques et composer des éléments de commutation en fonctions booléennes.

C’est aussi pourquoi le relais constitue un si bon point de départ pour apprendre. Nul besoin d’un diplôme en électronique ou d’un fer à souder : vous venez d’en voir un fonctionner. À partir de cette seule idée, visible et audible, toute l’informatique peut être reconstruite, une étape compréhensible après l’autre. C’est un premier échelon idéal pour un enfant curieux, un étudiant qui regarde sous le capot ou un ingénieur désireux de retrouver les fondements.

Ce que vous venez d’apprendre — et la suite du parcours

En un seul article, vous êtes passé de « un relais est une sorte de composant électrique » à une compréhension fondée sur les premiers principes :

• Un relais est un interrupteur commandé par l’électricité : une bobine attire une armature qui déplace un contact.
• Câblé normalement ouvert, il joue le rôle d’un buffer ; câblé normalement fermé, celui d’un inverseur — une porte NOT.
• Puisqu’un relais peut en commander un autre, on peut les chaîner — et des interrupteurs chaînés peuvent calculer.

Dans le prochain épisode de Construire un ordinateur avec des relais, nous réunirons deux interrupteurs pour découvrir la première véritable logique cachée à la vue de tous : des interrupteurs en série se comportent comme AND et des interrupteurs en parallèle comme OR. Vous actionnerez les deux et verrez les règles logiques apparaître avant même de les nommer, préparant ainsi le terrain pour la grande idée de Shannon.

Vous voulez passer directement à l’expérimentation ? Tous les circuits de cette série se trouvent dans le laboratoire de relais DigiSim : faites glisser des relais sur le canevas, câblez-les et écoutez un ordinateur réfléchir. Commencez gratuitement ; le prochain déclic vous attend.