Tout le monde sait que, pour exciter un relais, il suffit d’appliquer, aux bornes de sa bobine, une tension continue et que, pour le remettre au repos, il suffit de la supprimer.
Il s’agit d’une opération si simple, qu'elle est à la portée du débutant même le plus inexpérimenté !
Si, à présent, nous vous demandions d’exciter un relais qui consomme 60 à 80 mA avec une porte logique qui ne peut fournir, sur sa sortie, un courant supérieur à 15 mA ou bien quel schéma adopter pour l’exciter en appuyant sur un bouton poussoir et le mettre au repos en appuyant sur un second bouton poussoir, nombre d’entre vous, pourraient déjà se trouver en difficulté.
Dans cet article, en plus des explications pour résoudre ce problème (et bien d’autres !), nous vous présentons aussi diverses applications intéressantes.
Commençons donc immédiatement par vous dire qu’avec les contacts d’un relais, nous pouvons allumer ou éteindre des appareils fonctionnant avec n’importe quelles valeurs de tension et de courant.
Le seul inconvénient que présente un relais concerne ses dimensions importantes et le léger retard existant entre la réception de la commande et la mise en contact de ses plots pouvant varier d’un minimum de 4 millisecondes à un maximum de 10 millisecondes.
Tension et courant d’excitation
En possession d’un relais, tout le monde se demande quelle est la tension minimale qu’il est possible d’appliquer à ses bornes pour l’activer.
Pour satisfaire cette curiosité, vous trouverez dans le tableau 1, les tensions minimale et maximale que nous pouvons appliquer à sa bobine, tout en garantissant un fonctionnement normal.
Il s’agit d’une opération si simple, qu'elle est à la portée du débutant même le plus inexpérimenté !
Si, à présent, nous vous demandions d’exciter un relais qui consomme 60 à 80 mA avec une porte logique qui ne peut fournir, sur sa sortie, un courant supérieur à 15 mA ou bien quel schéma adopter pour l’exciter en appuyant sur un bouton poussoir et le mettre au repos en appuyant sur un second bouton poussoir, nombre d’entre vous, pourraient déjà se trouver en difficulté.
Dans cet article, en plus des explications pour résoudre ce problème (et bien d’autres !), nous vous présentons aussi diverses applications intéressantes.
Commençons donc immédiatement par vous dire qu’avec les contacts d’un relais, nous pouvons allumer ou éteindre des appareils fonctionnant avec n’importe quelles valeurs de tension et de courant.
Le seul inconvénient que présente un relais concerne ses dimensions importantes et le léger retard existant entre la réception de la commande et la mise en contact de ses plots pouvant varier d’un minimum de 4 millisecondes à un maximum de 10 millisecondes.
Tension et courant d’excitation
En possession d’un relais, tout le monde se demande quelle est la tension minimale qu’il est possible d’appliquer à ses bornes pour l’activer.
Pour satisfaire cette curiosité, vous trouverez dans le tableau 1, les tensions minimale et maximale que nous pouvons appliquer à sa bobine, tout en garantissant un fonctionnement normal.
Si vous appliquez, à un relais, une tension inférieure à celle conseillée, vous pourrez l’entendre coller mais ses contacts ne se fermeront jamais avec la pression requise et, ainsi, ils pourront facilement vibrer.
Sur un relais récupéré il n'est pas rare de ne pas trouver, sur son boîtier, d'indication concernant la tension d’utilisation. Pour déterminer la valeur de la tension d’excitation d’un relais, il suffit de mesurer la valeur ohmique de sa bobine.
Dans le tableau 2, vous trouverez les valeurs ohmiques minimale et maximale des relais les plus communément utilisés dans le domaine électronique.
Connaissant les volts d’excitation et la valeur ohmique de la bobine, nous pouvons calculer le courant consommé par le relais lorsqu’il est excité en utilisant la formule :
Ainsi, un relais de 6 volts, dont la bobine présente une résistance de 95 ohms, consommera un courant de :
Un relais de 12 volts, dont la bobine présente une résistance de 160 ohms, consommera un courant de :
Comme la majeure partie des relais consomme des courants supérieurs à 60 milliampères, nous ne pourrons pas les exciter directement avec une porte digitale, car le courant maximal que celle-ci peut fournir en sortie est d’environ 10 à 15 milliampères.
Si, par contre, à la sortie de la porte logique, nous connectons un transistor, le problème sera résolu pour autant que sur la base du transistor soit appliqué un courant en mesure de le faire passer en état de saturation.
Le courant de saturation
Le courant minimal, à appliquer sur la base d’un transistor pour le porter à saturation, se calcule avec la formule :
IC = courant collecteur
hfe = gain du transistor
Sachant que le courant maximal nécessaire pour exciter normalement un relais dépasse rarement les 80 mA, nous pouvons nous baser sur cette valeur pour calculer le courant à appliquer sur la base du transistor.
Si nous avons un transistor qui à un hfe de 70, nous devons faire parvenir sur la base, un courant de :
En utilisant un courant supérieur à celui requis, nous pourrons même porter à saturation les transistors ayant un faible gain, sans les endommager.
Ainsi, nous conseillons de toujours considérer, dans les calculs, un courant de base de 1,5 mA.
Pour envoyer sur la base du transistor, le courant adéquat, nous devons placer une résistance en série (voir R1 sur la figure 2), dont la valeur peut être calculée en utilisant la formule :
Vin = est la valeur de la tension que nous appliquons sur la base du transistor,
0,6 = est la chute de tension baseémetteur, qui est normalement d’environ 0,6 volt,
ib = est le courant qu’il faut appliquer sur la base du transistor, courant qui, comme nous venons de le dire, est fixé à 1,5 mA.
Si, sur la base du transistor, nous appliquons une tension de 12 volts, pour la résistance R1, nous devons choisir une valeur de :
Comme cette valeur n’est pas standard, nous pouvons utiliser une résistance de 8 200 ohms.
Si, sur la base du transistor, nous appliquons une tension de 5 volts prélevée de la sortie d’un circuit intégré TTL, pour R1, nous devons choisir une valeur de :
Comme cette valeur n’est pas standard, nous pouvons tranquillement utiliser une résistance de 2700 ohms ou de 3 300 ohms.
La résistance R2, connectée entre la base du transistor et la masse, sert seulement pour forcer la base au niveau logique 0.
Comme cette valeur n’est pas critique, nous pouvons utiliser une résistance comprise entre 27000 et 68000 ohms.
Exciter un relais avec une tension supérieure à celle prévue
Si nous disposons d'un relais en 6 volts et que nous voulons l’utiliser dans un circuit alimenté avec une tension supérieure, par exemple 18 volts, cela n'est possible que si nous plaçons une diode zener ou une résistance chutrice en série dans sa bobine.
Si nous utilisons une diode zener (voir figure 3), sa tension de travail sera calculée en soustrayant la valeur de la tension du relais à la tension présente dans le circuit.
Ainsi, si nous avons un relais de 6 volts à alimenter avec une tension de 18 volts, nous devons utiliser une diode zener de :
Pour calculer la puissance que doit avoir cette diode zener, nous pouvons utiliser la formule suivante :
Ainsi, si nous avons un relais de 6 volts avec une bobine de 100 ohms, nous devons utiliser une diode zener de 12 volts pouvant dissiper une puissance de :
Nous choisirons donc une diode zener de 1 watt.
Si, à la place de la diode zener, nous voulons insérer une résistance en série (voir figure 4), pour calculer sa valeur ohmique, nous devons procéder à deux opérations simples.
Avec la première, nous soustrayons de la tension d’alimentation la tension de travail du relais, puis, connaissant la tension à faire chuter et la résistance ohmique du relais, nous pouvons calculer la valeur de la résistance à placer en série dans la bobine du relais.
Ainsi, si nous avons un relais de 6 volts à alimenter avec une tension de 18 volts, nous devons créer une chute de tension de :
Connaissant la valeur de la tension à faire chuter, nous mesurons la résistance ohmique du relais et en admettant avoir trouvé 100 ohms, nous pouvons calculer la valeur de la résistance à connecter en série dans la bobine, en utilisant la formule :
En insérant les données déjà connues nous obtenons :
Cette valeur n’étant pas standard, nous pouvons adopter la valeur de 220 ohms.
Pour calculer la puissance que doit dissiper cette résistance, nous vous conseillons d’utiliser cette formule :
Sachant que la chute de tension est de 12 volts et que la résistance reliée en série avec le relais doit avoir une valeur de 220 ohms, nous devons la choisir d’une puissance qui ne soit pas inférieure à :
Nous utiliserons donc une résistance de 1 watt.
R1 = 8 200 Ω
R2 = 47000 Ω
DS1 = Diode 1N4007
TR1 = Transistor NPN
R1 = 8 200 Ω
R2 = 47000 Ω
DS1 = Diode 1N4007
DZ1 = Diode zener (voir texte)
TR1 = Transistor NPN
R1 = 8 200 Ω
R2 = 47000 Ω
R3 = Voir texte
DS1 = Diode 1N4007
TR1 = Transistor NPN
La diode en parallèle sur la bobine
Dans tous les circuits qui utilisent des relais, nous trouvons une diode au silicium reliée en parallèle sur la bobine (voir figure 5). Vous vous êtes certainement demandés quelle était sa raison d'être.
Tout le monde ne sait pas que lorsqu’on coupe la tension d’excitation qui a été appliquée à une quelconque charge inductive, aux bornes de la bobine, se manifeste une surtension, dont les pics peuvent dépasser de 50 fois la valeur de la tension d’alimentation (voir figure 6).
Ainsi, si nous avons un relais excité avec une tension de 12 volts, dès que nous coupons l’alimentation aux bornes de sa bobine nous trouvons un pic de surtension qui peut atteindre plus de 600 volts.
Si, pour exciter un relais, nous utilisons un transistor, ces pics de surtension successifs peuvent facilement le mettre hors d’usage.
Ces très rapides impulsions de surtension, peuvent êtres vues sur l’écran d’un oscilloscope mais ne sont pas mesurables avec un multimètre.
En connectant, en parallèle sur la bobine du relais, une diode au silicium ayant une tension de travail supérieure à 600 volts, par exemple une 1N4004 ou une 1N4007, nous éliminons ces pics de surtension en évitant ainsi la destruction du transistor.
Parfois, dans certains schémas électriques, nous trouvons également, reliée en parallèle à la diode au silicium, une diode LED alimentée par l’intermédiaire d’une résistance (voir figure 7).
Cette diode LED est placée dans les circuits où il est utile de visualiser l'excitation du relais, car elle ne s'allumera que dans cette condition seulement.
La valeur ohmique de la résistance à connecter en série à la diode LED est calculée grâce à la formule suivante :
Vcc = tension d’alimentation,
1,5 = chute de tension dans la LED,
0,015 = courant moyen consommé par la LED.
Ainsi, si nous avons un circuit alimenté avec une tension de 12 volts, nous devons utiliser une résistance de :
Cette valeur n’étant pas standard, nous utilisons une résistance de 680 ohms.
Si nous voulons une luminosité supérieure, nous pouvons utiliser une résistance de 560 ohms, par contre si nous souhaitons une luminosité inférieure, nous pouvons utiliser une résistance de 820 ohms.
Si nous avons un circuit alimenté avec une tension de 5 volts, nous devons utiliser une résistance de :
On utilisera une valeur standard de 220 ohms.
Si nous souhaitons une luminosité plus forte, la résistance sera de 180 ohms, pour une luminosité plus faible, elle sera de 270 ohms.
La diode LED, sera connectée avec sa patte la plus longue (l'anode) vers le positif de l’alimentation, sinon, elle ne peut pas s’allumer (voir figure 7).
R1 = 8 200 Ω
R2 = 47000 Ω
DS1 = Diode 1N4007
TR1 = Transistor NPN
R1 = 8 200 Ω
R2 = 47000 Ω
R3 = 680 Ω
DS1 = Diode 1N4007
DL1 = Diode LED
TR1 = Transistor NPN
Les contacts du relais
Dans tous les relais classiques, nous trouvons 3 bornes de sortie, qui font office d’inverseur (voir figure 8).
La lamelle centrale, (C, le commun) est toujours en contact avec une des deux bornes de sortie (NF, contact normalement fermé ou fermé au repos). Elle bascule sur le contact opposé (NO, contact normalement ouvert ou ouvert au repos) lorsque le relais est excité.
Si, dans votre relais, vous avez 6 bornes de sortie, plus les deux de la bobine, à l’intérieur, vous avez deux inverseurs (voir figure 10).
Sur le corps du relais, il devrait toujours y avoir indiqué la valeur en ampères que les contacts peuvent supporter : 0,5, 1, 2, 3, 5, 10, etc. ampères.
Si, au collage du relais, les contacts sont parcourus par des courants ou des tensions élevés, on peut facilement avoir des rebonds (voir figure 11) en mesure de provoquer des étincelles qui, au fil du temps, pourraient les endommager.
Pour éviter cet inconvénient, il est conseillé de placer, en parallèle sur les contacts de sortie, un condensateur au polyester d’une capacité de 10000pF (10 nF) (voir figure 12).
Si les contacts sont utilisés pour commander des appareils alimentés en 220 volts le condensateur devra avoir une tension de service de 600 volts.
Si les contacts sont utilisés pour commander des appareils alimentés avec une tension ne dépassant pas 40 volts, le condensateur pourra avoir une tension de service de 100 volts.
Comment alimenter un relais avec une tension alternative ?
Si nous alimentons directement un relais avec une tension alternative prélevée au secondaire en 8, 9 ou 10 volts d’un transformateur alimenté à partir du secteur 220 volts, celui-ci se mettra à vibrer à une fréquence de 50 hertz.
Pour palier cet inconvénient, nous pouvons connecter en série avec la tension alternative, une diode au silicium de 0,5 ampère, puis lisser la tension redressée avec un condensateur électrolytique de 470 à 1 000 microfarads (voir figure 13).
R1 = 8 200 Ω
R2 = 47000 Ω
C1 = 1 000 μF
DS1 = Diode 1N4007
DS2 = Diode 1N4007
TR1 = Transistor NPN
De la théorie à la pratique
Après cette brève description théorique, nous vous présentons différents schémas pratiques que vous trouverez sans doute très intéressants.
Dans la liste des composants de chaque schéma, nous n’avons pas précisé la tension de travail du relais, car, l'alimentation étant de 12 volts, cela sous-entend que le relais doit être un modèle 12 volts !
Une porte NAND et un transistor
Si nous réalisons le schéma visible à la figure 14, utilisant une porte NAND et un transistor NPN, le relais demeure toujours excité. Il ne revient au repos que lorsqu’on appuie sur le poussoir P1.
En fonction des niveaux logiques appliqués sur les entrées d’une porte NAND, nous retrouvons les niveaux logiques suivants sur sa sortie :
L'une des deux entrées étant forcée au niveau logique 0 par la résistance R1 de 10000 ohms et l’autre entrée étant au niveau logique 1, sur la sortie, nous retrouvons un niveau logique 1, donc une tension positive. Cette tension positive porte la base du transistor NPN à saturation, excitant ainsi le relais.
Lorsque nous appuyons le poussoir P1, nous appliquons un niveau logique haut sur l’entrée qui était au niveau logique 0 et comme nous pouvons le voir sur la table de vérité, lorsque les deux entrées sont au niveau logique 1, nous retrouvons un niveau logique 0 sur la broche de sortie. Ce niveau ne permet plus de maintenir le transistor en saturation, le relais retourne au repos.
Si la porte NAND est un modèle TTL, nous devons obligatoirement l’alimenter avec une tension de 5 volts et, dans ce cas, la résistance R2, connectée en série dans la base, devra avoir une valeur ohmique comprise entre 2700 et 3300 ohms, même si nous alimentons le transistor avec une tension de 12 volts.
Si la porte NAND est un modèle CMOS, nous devons obligatoirement l’alimenter avec une tension de 12 volts et, dans ce cas, la résistance R2, connec tée en série dans la base, devra avoir une valeur ohmique comprise entre 8200 et 10 000 ohms.
Si nous voulons que le relais demeure toujours au repos et ne soit excité que lorsqu’on appuie sur le poussoir P1, nous devons utiliser une seconde porte NAND (voir IC1-B, figure 15), montée en inverseur.
Comme porte NAND TTL, nous pouvons utiliser des circuits intégrés SN7400.
Par contre, comme porte NAND CMOS il faudra utiliser des circuits intégrés CD4011 (voir figure 17 et 18).
Comme transistor, nous pouvons choisir un quelconque NPN de moyenne puissance en mesure de débiter un courant maximum de 100 mA.
R1 = 10000 Ω
R2 = Voir texte pour TTL ou CMOS
R3 = 47000 Ω
DS1 = Diode 1N4007
TR1 = Transistor NPN
IC1 = Porte NAND TTL ou CMOS
P1 = Poussoir
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