Cet article n’est pas réservé aux seuls débutants mais fera également le bonheur des électroniciens avertis. En effet, outre vous révéler tous les petits secrets sur l’utilisation des relais, nous vous proposons aussi divers schémas qui trouveront leurs applications dans de nombreux montages.
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.
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.
Figure
1 : Les relais équipés d’un seul inverseur (voir figure 8) ont 3 bornes
en plus des deux de la bobine d’excitation. Ceux ayant un double
inverseur ont 6 bornes (voir figure 10) et ceux avec un triple inverseur
ont 9 bornes en plus des deux de la bobine.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.
Figure
2: Si, pour exciter un relais, nous utilisons un transistor, nous
devons appliquer sur sa base, un courant en mesure de le porter à
saturation (lire le texte).R1 = 8 200 Ω
R2 = 47000 Ω
DS1 = Diode 1N4007
TR1 = Transistor NPN
Figure
3 : Peu de gens savent que l’on peut exciter un relais avec une tension
supérieure à sa tension de service, uniquement en insérant une diode
zener en série dans sa bobine.R1 = 8 200 Ω
R2 = 47000 Ω
DS1 = Diode 1N4007
DZ1 = Diode zener (voir texte)
TR1 = Transistor NPN
Figure
4: Pour exciter un relais avec une tension supérieure à sa tension de
service, nous pouvons remplacer la diode zener par une résistance
ordinaire de 1 ou 2 watts.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).
Figure
5: En parallèle sur la bobine d’un relais, nous trouvons toujours une
diode au silicium dont la cathode est orientée vers la tension positive
de l’alimentation.R1 = 8 200 Ω
R2 = 47000 Ω
DS1 = Diode 1N4007
TR1 = Transistor NPN
Figure
6 : Chaque fois que le transistor coupe la tension d’alimentation de la
bobine du relais, un pic de tension est généré. Ce pic (surtension)
peut dépasser 600 volts.
Figure
7 : En connectant une diode dans le collecteur, en parallèle sur la
bobine du relais, nous ne courons pas le risque de mettre hors service
le transistor. La diode LED connectée, elle aussi, en parallèle sur la
diode DS1, s'allume lorsque le relais est excité. Remarquez que son
anode, via R3, est raccordée au positif de l'alimentation. Dans le cas
contraire, elle ne s'allumerait pas.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.
Figure
8 : Lorsqu’un relais est au repos, la borne centrale (C, le commun) de
l’inverseur est en contact avec la borne supérieure, ce qui donne le
contact NF (normalement fermé ou fermé au repos).
Figure
9 : Lorsque le relais est activé, la borne centrale (C, le commun) de
l’inverseur commute sur le contact de la borne inférieure, qui est le
contact NO (normalement ouvert ou ouvert au repos).
Figure
10 : Il existe des relais équipés de deux inverseurs (trois, quatre et
quelquefois plus), utiles pour commuter des circuits séparés.
Figure
11: A la fermeture des contacts, il se produit toujours des rebonds,
qui génèrent de petites étincelles (arcs). Si aucune précaution n'est
prise, les contacts seront rapidement détériorés.
Figure
12 : En plaçant des condensateurs au polyester (voir C1-C2), ayant une
capacité de 10 000 pF sur les contacts de sortie du relais, nous
éviterons ces étincelles.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).
Figure
13: Si nous voulons alimenter un relais avec une tension alternative,
nous devons tout d’abord redresser la tension avec une diode de 0,5
ampère, puis la filtrer avec un condensateur électrolytique de 1 000
microfarads.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.
Figure
14 : Pour exciter un relais avec une porte NAND, nous devrons connecter
un transistor NPN sur sa sortie. Si la porte NAND est en CMOS, pour la
résistance R2, nous utiliserons une valeur de 8 200 ohms, si elle est en
TTL, nous conseillons d’utiliser une valeur de 2 700 ou 3 300 ohms.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
Une porte NOR et un transistor
Si nous réalisons le schéma visible sur la figure 16, utilisant une porte NOR et un transistor NPN, le relais demeure toujours au repos et n'est excité que lorsqu’on appuie sur le poussoir P1.
En fonction des niveaux logiques appliqués sur les entrées d’une porte NOR, nous retrouvons les niveaux logiques suivant sur sa sortie :
Une des deux entrées étant forcée au niveau logique 1 par la résistance R1 de 10 000 ohms et l’autre entrée étant au niveau logique 0, sur la sortie, nous retrouvons un niveau logique 0. Aucune tension n'est donc présente sur la base du transistor NPN, celui-ci n’étant pas polarisé, il ne peut pas exciter le relais.
Lorsque nous appuyons le poussoir P1, nous appliquons un niveau logique 1 sur l’entrée qui était au niveau logique 0 et comme nous pouvons voir sur la table de vérité, lorsque les deux entrées sont au niveau logique 0, sur la broche de sortie, nous retrouvons un niveau logique 1. Ce niveau permet de maintenir le transistor en saturation, le relais est excité.
Si la porte NOR 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 avec la base, devra avoir une valeur ohmique comprise entre 2 700 et 3 300 ohms, même si nous alimentons le transistor avec une tension de 12 volts.
Si la porte NOR est un modèle CMOS, nous devons obligatoirement l’alimenter avec une tension de 12 volts et, dans ce cas, la résistance R2, connectée en série avec 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 porte NAND (voir IC1-B, figure 15) montée en inverseur pour suivre la porte NOR. Comme porte NOR TTL, nous pouvons utiliser des circuits intégrés SN7402. Par contre, comme porte NOR CMOS, il faudra utiliser des circuits intégrés CD4001 (voir figure 17 et 18).
Dans les schémas électriques nous n’avons pas reporté le numéro des broches d’entrée et de sortie, car on peut utiliser n’importe laquelle des 4 portes.
Figure 15: Si nous voulons exciter le relais en appuyant sur P1, nous devrons utiliser deux portes NAND (voir IC1-A et IC1-B).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
Figure
16: Pour exciter un relais avec une porte NOR, nous devrons connecter
un transistor NPN sur sa sortie. Une des deux entrées de la porte NOR
est connectée à la masse et l’autre au positif à travers la résistance
R1.R1 = 10000 Ω
R2 = Voir texte pour TTL ou CMOS
R3 = 47000 Ω
DS1 = Diode 1N4007
TR1 = Transistor NPN
IC1 = Porte NOR TTL ou CMOS
P1 = Poussoir
Figure
17 : Brochages, vus de dessus, des deux circuits intégrés CMOS 4011 et
4001. Le circuit intégré 4011 contient quatre portes NAND et le 4001,
quatre portes NOR. La broche Vcc est connectée au positif de
l’alimentation et la GND à la masse.
Figure
18 : Brochages, vus de dessus, des deux circuits intégrés TTL, 7400 et
7402. Le circuit intégré 7400 contient quatre portes NAND et le 7402
quatre NOR. La broche Vcc est connectée à une tension positive de 5
volts et la GND à la masse.FLIP-FLOP avec portes NAND
Sur le schéma donné en figure 14, où une seule porte NAND est utilisée, le relais demeure toujours excité et ne retombe qu'en appuyant sur P1.
Sur le schéma donné en figure 15, où deux portes NAND sont utilisées, le relais demeure toujours au repos jusqu’à ce qu’on appuie sur P1.
Si on veut réunir ces deux possibilités, il convient d’utiliser un circuit FLIP-FLOP du type SET-RESET, qui, comme cela est visible à la figure 19, utilise deux portes NAND.
Un appui sur le poussoir P2-SET, le relais est excité et demeure excité jusqu’à ce qu’on appuie sur le bouton poussoir P1-RESET.
Si nous connectons la résistance R3 de la base du transistor à la sortie de la porte NAND IC1-A, au lieu de la porte NAND IC1-B, le relais sera excité en appuyant le bouton poussoir P1-RESET et demeurera excité jusqu’à une pression sur le poussoir P2-SET.
La résistance R1 et le condensateur C1, connectés sur l’entrée de la porte NAND sur laquelle se trouve le bouton poussoir RESET, contraignent le FLIP-FLOP à commuter la broche de sortie de IC1-B sur le niveau logique 0, à chaque mise sous tension.
Sans ces deux composants, nous pouvons retrouver en sortie, indifféremment, un niveau logique 1 ou 0.
Si, pour réaliser ce schéma, nous utilisons des portes NAND TTL, la résistance R3 doit avoir une valeur de 2700 ou 3 300 ohms, par contre, si nous utilisons des portes NAND CMOS, la résistance R3 doit avoir une valeur de 8200 ou 10 000 ohms.
Figure
19 : Schéma électrique d’un FLIP-FLOP qui utilise deux portes NAND
CMOS. Le poussoir P2-SET, sert pour exciter le relais, par contre le
bouton poussoir P1-RESET, sert à le mettre au repos. Si vous utilisez
des portes NAND TTL, rappelez-vous qu’elles sont alimentées en 5 volts
maximum.R1 = 10 000 Ω
R2 = 10 000 Ω
R3 = 8 200 Ω
R4 = 47 000 Ω
C1 = 10 000 pF
C2 = 100 μF
DS1 = Diode 1N4150
DS2 = Diode 1N4007
TR1 = Transistor NPN
IC1 = Porte NAND CMOS
P1 = Poussoir RESET
P2 = Poussoir SET
FLIP-FLOP avec portes NOR
Dans le schéma donné en figure 16, le relais est normalement au repos et n'est excité que lors d’un appui sur le bouton poussoir P1. Dès que le poussoir est relâché, le relais revient au repos.
Si vous avez besoin d’un circuit avec lequel un appui sur un bouton poussoir permette d’exciter un relais qui demeure dans cette position jusqu’à ce qu’un autre bouton poussoir soit appuyé à son tour, vous pouvez utiliser un FLIP-FLOP du type SET-RESET mettant en oeuvre des portes NOR (voir figure 20).
En appuyant le poussoir P2-SET, le relais est excité et demeure excité jusqu’à ce que le poussoir P1-RESET soit appuyé à son tour.
En connectant la résistance R3 de la base du transistor à la sortie de la porte NOR IC1-A, au lieu de la porte NOR IC1-B, le relais sera excité en appuyant le poussoir P1-RESET et demeurera excité jusqu’à ce qu’intervienne un appui sur le poussoir P2-SET.
La résistance R1 et le condensateur C1 connectés sur l’entrée de la porte NOR où se trouve le poussoir RESET, obligent le FLIP-FLOP à commuter la broche de sortie d’IC1-B sur le niveau logique 0, à chaque fois que le circuit est mis sous tension.
Sans ces deux composants, nous pouvons retrouver en sortie, indifféremment, un niveau logique 1 ou 0.
Si dans ce schéma, nous utilisons des portes NOR TTL, la résistance R3 connectée sur la base doit avoir une valeur de 2 700 à 3 300 ohms ; par contre, si nous utilisons des portes NOR CMOS, cette résistance doit avoir une valeur de 8 200 à 10 000 ohms.
Figure 20: Schéma électrique d’un FLIP-FLOP qui utilise deux portes NOR CMOS.Le poussoir P2-SET, sert pour exciter le relais, par contre le bouton poussoir P1-RESET, sert à le mettre au repos. Si vous utilisez des portes NOR TTL, rappelez vous qu’elles sont alimentées en 5 volts maximum.
R1 = 10 000 Ω
R2 = 10 000 Ω
R3 = 8 200 Ω
R4 = 47 000 Ω
C1 = 10 000 pF
C2 = 100 μF
DS1 = Diode 1N4150
DS2 = Diode 1N4007
TR1 = Transistor NPN
IC1 = Porte NOR CMOS
P1 = Poussoir RESET
P2 = Poussoir SET
Exciter un relais lorsque la tension dépasse une valeur donnée
Dans de nombreuses applications, il peut être intéressant de disposer d’un circuit permettant d’exciter un relais, uniquement lorsque la tension Vin, appliquée sur la broche non-inverseuse (+), dépasse une certaine valeur et qui, automatiquement, le ramène au repos lorsque cette tension descend au-dessous d’un seuil que nous pouvons fixer nous-mêmes. Ce circuit, s’il se trouve connecté à la sortie d’une alimentation stabilisée, pourra couper son alimentation secteur dans l’éventualité où la tension de sortie dépasserait un seuil prédéfini.
En utilisant une résistance NTC, connectée comme cela est visible sur la figure 21, nous pouvons exciter le relais lorsque la température dépassera une certaine valeur. Lorsque cette température redescendra au-dessous du seuil que nous avons prédéfini, le relais reviendra au repos.
Ce circuit pourrait être utile pour commander un ventilateur destiné au refroidissement d'un dissipateur thermique ou bien pour actionner l'avertisseur acoustique d’une étuve ou d'un four lorsque sa température dépassera le seuil que nous avons prédéterminé.
La valeur de la résistance R1 n’a pas été reportée dans la liste des composants, car elle doit avoir la même valeur ohmique que la résistance NTC.
Si, à la place de la NTC, nous utilisons une photorésistance en la connectant comme cela est visible sur la figure 22, nous pouvons réaliser un interrupteur crépusculaire simple, qui commandera le relais lorsque la lumière ambiante descendra en dessous d’une certaine valeur.
Sur les contacts du relais, sera connectée la lampe que nous voulons allumer, à la tombée de la nuit, par exemple.
Pour réaliser ce circuit, il faut utiliser un amplificateur opérationnel du type LM358 et un transistor NPN.
Le circuit LM358, renferme deux amplificateurs opérationnels (voir figure 25), un de ceux-ci n’est pas utilisé.
Dans ce circuit, nous ne pouvons pas utiliser des amplificateurs opérationnels du type TL081, LF351, UA141, UA741 ou d’autres équivalents, car ils doivent êtres alimentés avec une tension symétrique.
Les deux résistances R2 et R3, connectées sur l’entrée inverseuse (–) (voir figure 21 et 22), nous servent pour obtenir une tension que nous appellerons tension de référence ou de seuil.
Tant qu'il n’arrive aucune tension dépassant la valeur de la tension de référence sur l’entrée non-inverseuse (+), nous retrouvons un niveau logique 0 sur la broche de sortie. Dans ces conditions, le transistor TR1 n’étant pas polarisé, il ne pourra pas exciter le relais connecté sur son collecteur.
Lorsque, sur l’entrée non-inverseuse, arrive une valeur de tension supérieure à celle présente sur l’entrée inverseuse, nous retrouvons un niveau logique 1 sur la broche de sortie et, dans ces conditions, le transistor TR1 passe en saturation, excitant le relais connecté dans son collecteur.
La valeur de la tension de référence ou de seuil, se calcule avec la formule :
Vcc = tension d’alimentation d’IC1,
R2, R3 = valeur en kilohms des deux résistances.
Figure
21 : Schéma électrique d’un thermostat qui utilise un amplificateur
opérationnel LM358. La valeur de la résistance R1, doit être identique à
la valeur de la NTC mesurée à une température de 25° Celsius. Le
brochage du LM358 est visible à la figure 25.R1 = Voir texte
R2 = 5600 Ω
R3 = 10000 Ω trimmer
R4 = 1 MΩ
R5 = 8 200 Ω
R6 = 47000 Ω
C1 = 100 000 pF
C2 = 100 μF
DS1 = Diode 1N4007
TR1 = Transistor NPN
NTC = Résistance NTC
IC1 = Intégré LM358
Figure 22 : Schéma électrique d’un interrupteur crépusculaire qui utilise unephotorésistance. Le trimmer R3 sert à déterminer le niveau d’obscurité pour
lequel le relais sera excité. La photorésistance FR1 et la résistance R1 peuvent
être interverties.
R1 = 22000 Ω
R2 = 5600 Ω
R3 = 10000 Ω trimmer
R4 = 1 MΩ
R5 = 8 200 Ω
R6 = 47000 Ω
C1 = 100 000 pF
C2 = 100 μF
DS1 = Diode 1N4007
TR1 = Transistor NPN
FR1 = Photorésistance
IC1 = Intégré LM358
En admettant alimenter l’amplificateur opérationnel avec une tension de 12 volts et utiliser deux résistances R2 et R3 d’une valeur de 10 kilohms, le relais sera excité lorsque nous appliquerons, sur l’entrée non-inverseuse, une tension dépassant les :
Si, pour la résistance R2, nous utilisons une valeur de 22 kilohms et pour la résistance R3 une valeur de 1,8 kilohm, le relais ne sera excité que lorsque nous appliquerons, sur l’entrée non-inverseuse, une tension de :
Comme nous savons que toutes les résistances ont une tolérance, si nous avons besoin d’une tension de référence très précise, il convient d’apporter une petite modification au circuit.
Pour R2, nous pouvons utiliser une résistance fixe de 22000 ohms; par contre, pour la résistance R3, nous connecterons un petit trimmer de 47 000 ohms, que nous réglerons de manière à obtenir, sur l’entrée inverseuse, une tension de référence précise.
Mettre au repos un relais lorsque la tension dépasse une valeur donnée
Dans quelques applications, il peut être intéressant de disposer d’un circuit dont le relais soit excité immédiatement et ne revienne au repos que lorsque la tension Vin, appliquée sur l’entrée, dépasse une certaine valeur.
Bien entendu, le relais sera de nouveau excité lorsque cette tension redescendra en dessous du seuil que nous avons prédéfini.
Pour obtenir cette condition, il suffit d’appliquer les deux résistances R2 et R3 sur l’entrée non-inverseuse de l’amplificateur opérationnel IC1 et la tension Vin sur l’entrée inverseuse (voir figure 24).
Tant que, sur l’entrée inverseuse (–), la tension ne dépasse pas la valeur de la tension de référence, nous trouvons un niveau logique 1 sur la broche de sortie. Dans ces conditions, le transistor TR1 passe en saturation, ce qui permet d’exciter le relais connecté dans son collecteur.
Lorsqu'une tension de valeur supérieure à celle présente sur l’entrée noninverseuse parvient sur l’entrée inverseuse, nous trouvons un niveau logique 0 sur la broche de sortie. Dans ces conditions, le transistor TR1 n'étant plus conducteur, le relais n'est plus excité.
La valeur de la tension de référence se calcule avec la formule suivante :
Vcc = tension d’alimentation d’IC1,
R2, R3 = valeur en kilohms des deux résistances.
En admettant alimenter l’amplificateur opérationnel avec une tension de 12 volts et utiliser deux résistances R2 et R3 d’une valeur de 10 kilohms, le relais reviendra au repos lorsque nous appliquerons, sur l’entrée inverseuse, une tension dépassant les :
Si, pour la résistance R2, nous utilisons une valeur de 22 kilohms et pour la résistance R3 une valeur de 1,8 kilohm, le relais ne reviendra au repos que lorsque nous appliquerons, sur l’entrée non-inverseuse, une tension de :
Dans ce circuit aussi, il est possible d’utiliser pour R2, une résistance de 22 000 ohms et pour R3, un trimmer de 47 000 ohms.
Figure
23 : Avec ce schéma, le relais ne sera excité que lorsque la tension
Vin sur la broche non-inverseuse (+) dépassera la valeur de seuil
présent sur la broche inverseuse (–). En substituant un trimmer à la
résistance R3, il est possible de faire varier la valeur du seuil.R1 = 47 000 Ω
R2 = Voir texte
R3 = Voir texte
R4 = 8 200 Ω
R5 = 47 000 Ω
C1 = 100000 pF
C2 = 100 μF
DS1 = Diode 1N4007
TR1 = Transistor NPN
IC1 = Intégré LM358
Figure 24 : Avec ce schéma le relais demeure toujours excité et ne reviendraau repos que lorsque la tension Vin sur la broche inverseuse (–) dépassera la
valeur du seuil présent sur la broche non-inverseuse (+). Lire le texte pour
déterminer la valeur du seuil.
R1 = 47 000 Ω
R2 = Voir texte
R3 = Voir texte
R4 = 8 200 Ω
R5 = 47 000 Ω
C1 = 100000 pF
C2 = 100 μF
DS1 = Diode 1N4007
TR1 = Transistor NPN
IC1 = Intégré LM358
Figure
25 : Brochages, vus de dessus, des deux circuits intégrés LM358 et
NE555 utilisés dans les schémas de cet article. La broche +V est
connectée à la tension positive d’alimentation et la broche GND à la
masse. Précisons qu'un seul des deux amplificateurs inclus dans le LM358
est utilisé.Un temporisateur simple
Le circuit utilisant un NE555, visible à la figure 26, est un temporisateur simple qui ne requiert pas l’utilisation d’un transistor, car sa broche de sortie 3 est en mesure de débiter un courant de 200 mA.
En appuyant le poussoir P1, le relais est excité et demeure excité pour une durée que nous pouvons déterminer en modifiant la valeur de la résistance R2 et du condensateur C1.
Ce circuit sera plus spécialement utilisé comme minuterie pour garder allumée, durant un temps donné, la lumière d’une pièce ou la lampe d’exposition d’un agrandisseur ou d’une insoleuse.
Pour calculer le temps durant lequel le relais demeure excité, on peut utiliser la formule suivante :
R2 = valeur en kilohms de la résistance,
C1 = valeur en microfarads du condensateur.
Si, dans le circuit, nous avons utilisé une résistance de 47 kilohms et un condensateur électrolytique de 100 microfarads, le relais reviendra au repos après une durée de :
Pour augmenter la durée, il suffit d’augmenter la valeur de la résistance R2 ou bien celle du condensateur C1.
Si nous voulons atteindre une durée d’environ 42 secondes, il suffit d’utiliser une résistance de 82 kilohms et un condensateur de 470 microfarads.
Connaissant la durée que nous voulons obtenir, nous pouvons calculer la valeur de la résistance R2 si nous connaissons la valeur du condensateur C1 ou bien calculer la valeur du condensateur C1, si nous connaissons la valeur de la résistance R2, en utilisant ces deux formules simples :
Ainsi, si nous voulons obtenir une durée de 3 secondes, en utilisant un condensateur de 100 microfarads, devrons choisir une résistance de :
Si nous voulons obtenir une durée de 8 secondes, en utilisant une résistance de 33 kilohms, nous devrons choisir un condensateur électrolytique de :
Note importante : comme les condensateurs électrolytiques ont des tolérances qui peuvent atteindre 40 %, nous parviendrons difficilement à atteindre les durées exactes calculées avec les formules.
Pour obtenir des durées très précises, il est conseillé d’utiliser, pour R2, une valeur réduite de moitié, par rapport à la valeur requise, puis de mettre en série avec cette résistance, un trimmer que nous pourrons régler afin d’obtenir la durée souhaitée.
Le décomptage du temps commence à l’instant ou le bouton poussoir P1 est relâché. Ne gardez donc pas le poussoir appuyé trop longtemps, mais effectuez une brève pression.
Figure
26: Schéma électrique d’un temporisateur qui utilise le circuit intégré
NE555. Pour faire varier la durée de la temporisation, il faut
connecter un trimmer en série avec la résistance R2.R1 = 10000 Ω
R2 = Voir texte
C1 = Voir texte
C2 = 10000 pF
C3 = 100 μF
DS1 = Diode 1N4007
DS2 = Diode 1N4007
IC1 = Intégré NE555
P1 = Poussoir
Relais à excitation retardée
Dans certaines applications, il peut être utile que le relais soit excité avec un certain retard. Une de ces applications est la connexion d'enceintes acoustiques à un amplificateur, quelques secondes après sa mise sous tension, afin d'éviter le “toc” dans les haut-parleurs.
Pour réaliser un circuit qui excite un relais avec un retard, nous pouvons à nouveau utiliser le circuit intégré NE555, en le connectant comme sur la figure 27.
Pour calculer le temps de retard, nous pouvons utiliser la formule :
R1 = valeur en kilohms de la résistance,
C1 = valeur en microfarads du condensateur.
Si, dans le circuit, nous avons utilisé une résistance de 47 kilohms et un condensateur électrolytique de 100 microfarads, le relais sera excité après une durée de :
Pour augmenter la durée, il suffit d’augmenter la valeur de la résistance R1 ou du condensateur C1.
Si nous voulons exciter le relais après une durée d’environ 3 secondes, il suffit d’utiliser une résistance de 68 kilohms et un condensateur de 47 microfarads :
Nous savons que tous les condensateurs électrolytiques ont des tolérances qui peuvent atteindre 40 %. Pour obtenir des temps précis, il est conseillé d’utiliser pour R1, une valeur de 56000 ohms et de lui relier, en série, un trimmer de 22000 ou 47 000 ohms.
En réglant ce trimmer, nous pouvons obtenir le temps de retard souhaité.
Connaissant le temps que nous voulons obtenir, nous pourrons calculer la valeur de la résistance R1, en connaissant la valeur du condensateur C1 ou bien calculer la valeur du condensateur C1 en connaissant la valeur de la résistance R1 en utilisant les formules suivantes :
Le circuit à excitation retardée, peut également être réalisé à l’aide de deux portes NAND CMOS, que nous pouvons alimenter avec une tension continue qui ne soit pas inférieure à 5 volts ni supérieure à 15 volts.
Comme nous pouvons le voir sur la figure 28, une des deux entrées de la porte NAND IC1-A est reliée au positif de l’alimentation, donc elle se trouve au niveau logique 1. Par contre, l’entrée opposée est reliée au positif à travers la résistance R1 et le condensateur électrolytique C1.
A la mise sous tension, sur l’entrée à laquelle est connecté le condensateur électrolytique C1, nous avons un niveau logique 0. Ainsi, si nous contrôlons la table de vérité de la porte NAND, nous verrons qu’avec les niveaux logiques 1-0 sur deux entrées, nous retrouvons un niveau logique 1 sur la broche de sortie. Ce niveau 1 arrivant sur les entrées de la seconde porte NAND IC1-B, connectée en inverseur, donne, sur la broche de sortie, un niveau logique 0 qui ne pourra pas polariser la base de TR1. Après quelques secondes (cela dépend de la valeur de la résistance R1 et de la capacité de C1), lorsque le condensateur C1 se sera complètement chargé, nous trouverons un niveau logique 1 sur cette entrée. Ainsi, avec deux niveaux logiques 1 sur les entrées de IC1-A, nous retrouverons un niveau logique 0 sa broche de sortie. Ce niveau 0 arrivant sur les entrées de la seconde porte NAND IC1-B, connectée en inverseur, donne, sur la broche de sortie, un niveau logique 1, donc une tension positive, qui, en atteignant la base du transistor TR1, pourra le por ter à saturation, excitant ainsi le relais.
Plus la valeur de la capacité du condensateur électrolytique C1 ou la valeur de la résistance R1 seront élevées, plus il faudra de temps pour exciter le relais.
La diode connectée en parallèle à la résistance R1, sert à décharger très rapidement le condensateur électrolytique lorsqu’on coupe la tension d’alimentation du circuit.
Figure 27: Ce circuit permet de commander l’excitation du relais quelques secondes après la mise sous tension.Pour faire varier ce délai, il faut modifier la valeur du condensateur électrolytique C1 ou de la résistance R1 (voir texte).
R1 = Voir texte
C1 = Voir texte
C2 = 10 000 pF
C3 = 100 μF
DS1 = Diode 1N4150
DS2 = Diode 1N4007
DS3 = Diode 1N4007
IC1 = Intégré NE555
Figure 28 : Un relais temporisé peut être également obtenu en utilisant deux portes NAND CMOS.R1 = Voir texte
R2 = 8 200 Ω
R3 = 47000 Ω
C1 = Voir texte
DS1 = Diode 1N4007
DS2 = Diode 1N4007
IC1 = Porte NAND CMOS
TR1 = Transistor NPN
Va-et-vient
Si on désire un circuit permettant d’exciter ou de mettre au repos un relais en appuyant sur un seul bouton poussoir, nous devons réaliser le circuit de la figure 29 qui utilise un seul circuit intégré contenant deux FLIP-FLOP du type “D”. En connectant le premier FLIP-FLOP IC1-A comme oscillateur monostable, chaque fois que nous appuyons le bouton poussoir P1, il sortira une impulsion de la broche de sortie Q, qui entrera sur la broche CK (clock) du second FLIP-FLOP IC1-B utilisé comme oscillateur bistable.
A la première impulsion qui entre sur la broche CK de IC1-B, sa broche de sortie Q passe au niveau logique 1 et dans ces conditions, le transistor TR1 passe en saturation, excitant ainsi le relais placé dans son collecteur.
A l’impulsion suivante arrivant sur la broche CK de IC1-B, sa broche de sortie Q passe au niveau logique 0. Ainsi, la tension de polarisation disparaît de la base du transistor qui met le relais au repos.
Certains pourront se demander à quoi peut servir un tel circuit.
Par exemple, sur chaque palier d’un immeuble, vous voulez des boutons poussoirs pour allumer ou éteindre la lumière des escaliers, un circuit ON/OFF (va-et-vient) vous sera très utile.
En fait, pour celui qui se trouve à un étage quelconque et qui désire descendre d’un étage, il suffit qu’il actionne le poussoir qui se trouve à son étage pour allumer la lumière et, arrivé à l’étage souhaité, il lui suffit d’appuyer sur le poussoir de cet étage, relié en parallèle avec les autres, pour éteindre la lumière.
Figure 29: En utilisant un circuit intégré CMOS type 4013, contenant deux FLIPFLOPtype “D” (voir figure 30), nous pouvons réaliser un circuit ON-OFF (va-etvient)
permettant d’utiliser un même poussoir pour exciter ou mettre au repos
un relais. Comme dans tout circuit de va et vient, plusieurs poussoirs peuvent
être montés en parallèle.
R1 = 22000 Ω
R2 = 10000 Ω
R3 = 47000 Ω
R4 = 8 200 Ω
R5 = 47000 Ω
C1 = 10 000 pF
C2 = 100000 pF
C3 = 100 μF
DS1 = Diode 1N4150
DS2 = Diode 1N4150
DS3 = Diode 1N4007
TR1 = Transistor NPN
IC1 = Intégré CMOS 4013
RELAIS = 12 volts
P1 = Poussoir
Figure
30: Brochages, vus de dessus, du circuit intégré CMOS 4013. Les deux
FLIP-FLOP intégrés sont indépendants et peuvent être utilisés comme bon
vous semble. Néanmoins, sur le schéma électrique de la figure 29, pour
vous aider dans une éventuelle réalisation, nous avons reporté le numéro
des broches et il vous faudra le respecter.Clignotant avec temporisation variable
Pour exciter et mettre au repos de façon continue un relais, on peut utiliser le schéma donné à la figure 31.
En connectant une ou deux lampes de 12 volts ou de 220 volts sur les sorties du relais, nous obtenons un clignotant simple que nous pourrons utiliser pour un usage publicitaire ou pour signaler un danger.
En tournant le trimmer R3 sur la valeur minimum, nous pouvons obtenir environs 20 impulsions à la minute. Par contre, en le tournant sur sa valeur maximum, nous obtiendrons environ 4 impulsions
à la minute.
En augmentant la valeur de la capacité du condensateur électrolytique C1, nous réduirons le nombre de clignotements par minute. Par contre, en réduisant cette capacité, nous augmentons le nombre de clignotements.
Figure
31 : Avec un seul circuit intégré NE555, nous pouvons réaliser un
clignotant simple. Si on a connecté une ampoule sur chacune des bornes
de sortie du relais, à la mise sous tension, l'une s’éteindra, l’autre
s’allumera et ainsi de suite.R1 = 1 000 Ω
R2 = 15 000 Ω
R3 = 100000 Ω trimmer
C1 = 100 μF
C2 = 10000 pF
C3 = 100 μF
DS1 = Diode 1N4007
DS2 = Diode 1N4007
IC1 = Intégré NE555
source : http://electroschema.blogspot.com
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