Commutateur : définition et usages

Ce que recouvre le mot commutateur, et les trois sens qu'il faut séparer

Un commutateur est un élément qui aiguille un flux vers l'une de plusieurs voies. La fonction est la même partout, orienter plutôt qu'ouvrir ou fermer, mais le mot commutateur désigne trois objets sans rapport technique entre eux, et l'ambiguïté est la première cause de malentendu sur ce terme. Sa définition dépend donc du domaine, et les synonymes employés par les catalogues, sélecteur, inverseur ou switch, ne sont pas interchangeables d'un métier à l'autre.

Dans l'appareillage électrique du bâtiment, il s'agit d'un organe de commande manuelle à plusieurs positions, actionné par un bouton ou une manette, qui envoie le courant vers l'un ou l'autre des connectés aval. En électronique de puissance, il s'agit d'un convertisseur statique dont les interrupteurs à semi-conducteurs dirigent un courant continu vers des phases successives, sans aucune pièce mobile. En informatique, le commutateur réseau, ou switch, aiguille les trames Ethernet vers le seul port du destinataire. Ces types d'appareils ne fonctionnent pas de la même façon et ne relèvent pas des mêmes métiers.

Une différence de vocabulaire mérite d'être posée avant toute chose. Un interrupteur possède deux états, passant ou bloqué, et coupe un circuit électrique. Un commutateur en possède au moins trois, puisqu'il choisit entre plusieurs destinations. Le commutateur inverseur, dit va-et-vient, en est le cas le plus répandu, avec une entrée commune et deux sorties. Deux de ces appareils câblés ensemble commandent un même point lumineux depuis deux endroits, ce qu'un interrupteur seul ne permet pas. Le matériel électrique du bâtiment est passé en revue dans le matériel électrique.

Le commutateur d'appareillage électrique, formes et usages

C'est l'acception la plus familière, celle du matériel électrique posé sur un mur ou en façade d'armoire. Le principe reste mécanique, un contact mobile vient se poser sur l'un ou l'autre des contacts fixes, et le choisir revient à définir le nombre de voies et le nombre de circuits commandés simultanément.

• Le commutateur inverseur ou va-et-vient, une entrée et deux sorties, pour commander un éclairage depuis deux points. Au-delà de deux points de commande, on lui adjoint un télérupteur ou un permutateur.
• Le sélecteur rotatif, dont la manette parcourt plusieurs positions indexées. On le trouve en façade d'armoire pour sélectionner un mode de marche ou une grandeur à afficher. Le nombre de pôles fixe combien de circuits basculent ensemble à chaque cran.
• L'appareil à came, empilement de galettes de contacts entraînées par un même arbre, qui ouvre et ferme plusieurs circuits selon une séquence programmée par la forme des cames. C'est la solution des inverseurs de sens de rotation et des appareils de mesure triphasés. Un sélecteur à gradins à came pilote de la même manière l'enclenchement successif des étages d'une batterie de condensateurs, chaque gradin ajoutant une charge réactive à l'installation.
• L'appareil à clé, où l'extraction de la clé verrouille la position, employé en consignation et en sécurité machine quand deux opérateurs doivent valider une manœuvre.

Le choix se fait sur le calibre en courant, la tension d'emploi, l'endurance attendue et le mode de fixation, encastré, saillie, rail ou perçage de porte. Un appareillage modulaire courant supporte de l'ordre de 100 000 manœuvres mécaniques, ce qui suffit largement à un usage domestique mais devient limitant sur une machine qui commute plusieurs fois par minute. Dans ce cas, le contact mécanique cède la place à un organe statique, décrit dans contacteur électronique et gradateur.

Le commutateur de courant en électronique de puissance

Le sens change complètement dès qu'on quitte le bouton pour le convertisseur. Ce montage reçoit une source de courant continu et la dirige tour à tour vers les enroulements d'une machine ou vers les phases d'un réseau, en commandant l'ouverture et la fermeture d'interrupteurs à semi-conducteurs. Aucune pièce ne bouge, la commutation est électronique, et sa cadence dépasse de plusieurs ordres de grandeur ce qu'un contact mécanique tolère.

La difficulté du montage ne tient pas à faire passer le courant mais à l'éteindre. Un thyristor amorcé reste conducteur tant que le courant ne s'annule pas de lui-même, ce qui oblige à organiser son extinction. La commutation naturelle, ou assistée, laisse la tension du réseau alternatif annuler le courant au moment voulu. La commutation forcée exige un circuit auxiliaire à condensateur qui impose l'annulation, au prix de composants supplémentaires et de pertes. Les structures correspondantes sont exposées dans commutateurs de courant, structures élémentaires et fonctionnement en commutation forcée. Le cas particulier des montages à thyristors est traité dans commutateurs de courant à thyristors et, sous sources non idéales, dans fonctionnement avec sources réelles des commutateurs à thyristors.

Chaque commutation coûte de l'énergie, puisque le courant et la tension coexistent brièvement dans le composant pendant la transition. Ces pertes croissent proportionnellement à la fréquence de découpage et fixent la limite thermique du convertisseur. La commutation douce contourne l'obstacle en organisant le basculement à courant nul ou à tension nulle, ce qui réduit les pertes de plus de moitié sur certaines topologies. Le principe est illustré dans la commutation douce, le cas du convertisseur Flyback, la brique de base commune à tous ces montages dans association de cellules de commutation, et l'ensemble des conversions dans convertisseurs continu-alternatif et alternatif-continu.

L'application la plus visible est la machine à commutation électronique, où l'électronique remplace le collecteur et les balais d'une machine à courant continu classique. La suppression des contacts glissants supprime du même coup l'usure, les étincelles et l'entretien. Les machines à réluctance variable en sont un cas d'école, présenté dans machines à réluctance variable, machines à commutation, et la boucle de contrôle qui pilote l'ensemble dans principes de régulation en boucle fermée.

Le switch réseau, troisième acception

En informatique, cet équipement actif relie les machines d'un réseau local. Il apprend l'adresse physique de chaque matériel connecté sur chacun de ses ports, construit une table de correspondance, et n'envoie ensuite chaque trame que vers le port du destinataire.

Ce fonctionnement le sépare du concentrateur, qui recopiait aveuglément tout ce qu'il recevait sur l'ensemble de ses ports. La bande passante y était partagée entre tous, et deux communications simultanées se gênaient. Avec l'aiguillage par adresse, chaque liaison dispose de sa pleine capacité et les échanges se déroulent en parallèle, ce qui a fait disparaître le concentrateur du marché. Le rapprochement avec les deux autres sens du terme s'arrête à la fonction, un flux entrant et plusieurs destinations possibles.