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Commander un relais avec un micro-contrôleur, savoir choisir ses composants

Programmer un micro-contrôleur c’est bien, mais pouvoir le faire interagir avec le monde extérieur c’est encore mieux, comme par exemple piloter une prise, un éclairage etc… Comme on peut s’en douter, un micro-controleur comme l’Atmega 328 qui équipe l’Arduino ne peux pas commander du 230V directement, il faut pour cela passer par un relais. Un relais c’est une sorte d’interrupteur télécommandé, qu’on pourra donc piloter avec notre Arduino.

Il existe des cartes relais toute faites, prêtes à être pilotées par l’Arduino, mais elles sont chères par rapport au prix des composants, et prennent pas mal de place dans le cas d’un montage embarqué.

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Une carte 4 relais « préfabriquée »

Moi je vais vous montrer comment choisir vos composants pour arriver au même résultat, et surtout ce sera du sur-mesure !

Voici les composants minimum à avoir pour piloter un relais :

  • Un relais
  • Une résistance
  • Un transistor
  • Une diode

Petites explications concernant ces composants :

Le relais

 Comme on l’a dit plus haut, il joue le role d’interrupteur télécommandé 230V (dans notre cas). Il peut driver du 230V mais ne peut pas etre piloté directement par le micro controleur.

Le transistor

Pour notre montage, on va utiliser le transistor de la meme manière que notre relais, en interrupteur télécommandé. Dans notre cas, on va l’utiliser en mode saturé et en mode bloqué. Mais qu’est-ce que c’est ? Le mode saturé correspond à un interrupteur fermé, et le mode bloqué correspond à un interrupteur ouvert.

Le transistor est un composant à trois pattes : la base, le collecteur et l’emetteur. Pour l’utiliser en interrupteur télécommandé, appelé en commutation, la base est la commande, et l’interrupteur se situe entre le collecteur et l’émetteur. La jonction base – émetteur ce comporte comme une diode.

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Lorsque Vbe = 0V,  le transistor est bloqué, et comme du coup Ic = Ie = 0A, le transistor se comporte comme un interrupteur ouvert entre le collecteur et l’émetteur.

Lorsque Vbe = Vbe_max, alors le transistor est passant. Pour que le transistor soit saturé, il faut que Ib > Ic / Hfe. Il se comporte alors comme un interrupteur ferme.

Hfe, Vbe_max et d’autres valeurs barbares sont différentes suivant chaque type de transistor, elles sont données par le fabriquant. On les verra dans le calcul plus tard.

La resistance

Elle sera connectée a la base du transistor, et sera calculée pour obtenir Ib > Ic / Hfe.

La diode

On l’utilisera comme diode dite de roue libre. Elle supprime le pic de tension aux bornes de la bobine du relais lors de l’ouverture du circuit, et par consequent protege le transistor.

Pourquoi tout ça ?

Et bien c’est très simple. Une sortie d’un Arduino supporte 20mA au maximum, impossible donc d’exciter la bobine du relais. Pour se faire on va utiliser un transistor entre les deux; il a la particularité de laisser passer un courant fort venant de l’alimentation entre son collecteur et son émetteur alors qu’on envoie un petit courant sur la base. Un transistor type NPN 2N2222 par exemple supporte jusqu’a 800mA entre le collecteur et l’emetteur, largement suffisant pour piloter la bobine du relais.

Voici donc notre schéma pour piloter un relais avec un micro-controleur:


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Le choix des composants pour notre exemple

Ce qu’on veut :

  • Piloter une lampe de 60W en 230V à partir d’un Arduino

Ce qu’on sait :

  • L’Arduino tolère un maximum de 20mA@5V à ses sorties
  • Je dispose d’une alimention 5V pour mon circuit

Voilà nos données de base, on peut donc commencer à choisir ses composants dans un ordre bien précis.

Choix du relais

Pour choisir notre relais, il faut qu’il soit pilotable par le 5V de notre circuit de commande. Il faut également qu’il supporte la charge de notre ampoule de 60W.

Calcul de l’intensité consommée par notre ampoule :

Puissance = tension par intensité ( P=U*I), donc

I = P / U
I = 60 / 230
I = 0.26 A

Il nous faut un relais pilotable en 5V et supportant au moins 0,26A@230V : je choisi le LEG-5 de REYEX INC, qui est pilotable en 5V et supporte 7A@230V. On est large.

Choix du transistor

Il va commander la bobine du relais, il faut donc que l’intensité maximale admise par le collecteur soit supérieure à l’intensité parcourue par la bobine du relais. On va donc calculer cette intensité.

En regardant la documentation constructeur, la résistance de la bobine vaut 70 ohms, et on va dire qu’en théorie le transistor consomme 0V (Vce = 0V, ce qui donne une marge supérieure dans le calcul de l’intensité parcourant la bobine) donc:

Ibob = Ubob / Rbob
Ibob = (Vcc – Vce) / Rbob
Ibob = (5 – 0) / 70
Ibob = 0,071A

Il faut aussi qu’il supporte une tension de 5V entre la base et l’émetteur (tension de sortie de l’Arduino Vbe), et également une tension de 5V entre le collecteur et l’émetteur (tension du circuit Vce).

Je choisi un transistor NPN BC547B puisque son Ic_max = 100mA ( donc supérieur à Ibob), Vce_max = 45V (supérieur à notre 5V de circuit) et Vbe_max = 6V (supérieur à notre 5V de tension de commande Vbe).

Choix de la diode

La diode de roue libre va être branchée aux bornes de la bobine du relais.  Elle va devoir encaisser une tension de 5V et une intensité de 0,071 A. Je choisi la 1N4007 (parce que je l’ai déjà…) et surtout elle supporte 1000V et un courant de pointe de 50A.

Choix de la résistance

Pour cette partie j’espère que vous maitrisez la loi d’Ohm, qui est pour rappel U = R * I (tension = resistance multiplié par l’intensité).

Les caractéristiques de notre transistor BC547B:

  • Vce_sat = 0,7V
  • Vbe_sat = 0,2V
  • Gain Hfe_min = 200

On va d’abord calculer Ic:

Vcc = Vce_sat + Ubob
Vcc = Vce_sat + Rbob * Ib
Ic = Vcc – (Vce_sat) / Rbob
Ic = (5-0,2)/70
Ic = 0,069 A

Maintenant, on va calculer Ib_min, qui est l’intensité minimale à appliquer sur la base pour saturer le transistor dans notre cas. Elle est fonction de l’intensité sur le collecteur du transistor et de son gain Hfe, qui est une valeur donnée par le constructeur. J’applique également un coefficient de sécurité coeff_secu = 2 por prendre en compte les tolérances du transistor et la résistance.

Ib_min = Ic / Hfe * coeff_secu
Ib_min = 0,069 / 200 * 2
Ib_min = 0,0007 A

On a toute les données nécessaires au calcul de R :

Ve = Ur + Vbe avec Vbe = Vbe_sat
Ve = R * Ib_min + Vbe_sat
R = (Ve – Vbe_sat) / Ib_min
R = (5 – 0,7) / 0,0007
R = 6143 ohms

On va donc choisir la valeur de résistance juste en dessous, on prendra donc une résistance de 5,6 Kohms.

 


 

Quel est le cout de tout ça ?

  • Transistor BC547B : € 0,16
  • Relais LEG-5 : € 1,95
  • Diode 1N4007 : € 0,11
  • Résistance 5,6 KOhms : € 0,01

Total : €2,23

Ce n’est pas la ruine, et surtout on à maintenant un montage qui correspond totalement à notre utilisation. Et comme je suis gentil, je vous ai préparé un fichier Excel qui calcule notre résistance R en fonction des composants que vous aurez choisi : Calcul de résistance fonction transistor et relais

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