Les relais sont des dispositifs électromécaniques qui utilisent un électroaimant pour déplacer une paire de contacts mobiles d’une position ouverte à une position fermée.
L’avantage des relais est qu’il faut une quantité relativement faible d’énergie pour faire fonctionner la bobine du relais. Cependant, un circuit de commutation avec relais peut être utilisé pour contrôler des moteurs, des chauffages, des lampes ou des circuits de courant alternatif qui peuvent eux-mêmes consommer beaucoup plus de tension électrique, de courant et donc de puissance.
Le relais électromécanique est un dispositif de sortie (actionneur) qui existe sous une multitude de formes, de tailles et de conceptions, et a de nombreuses utilisations et applications dans les circuits électroniques. Bien que les relais électriques puissent être utilisés pour permettre à des circuits électroniques ou informatiques de faible puissance de commuter des courants ou des tensions relativement élevés, un certain type de circuit de commutation par relais est nécessaire pour le contrôler.
Le design et les types de circuits de commutation de relais sont énormes, mais de nombreux petits projets électroniques utilisent des transistors et des MOSFETs comme leur principal dispositif de commutation, car le transistor peut fournir un contrôle de commutation DC rapide (ON-OFF) de la bobine du relais à partir d’une variété de sources d’entrée. Voici une petite collection de certaines des façons les plus courantes de commuter des relais.
Circuit de Commutation de Relais NPN
Un circuit de commutation typique utilise une bobine pilotée par un transistor NPN, TR1, selon le niveau de tension d’entrée. Lorsque la tension de base du transistor est nulle (ou négative), le transistor est coupé et agit comme un interrupteur ouvert. Dans cette condition, aucun courant de collecteur ne circule et la bobine du relais est désactivée car, étant un dispositif à courant, si aucun courant ne circule vers la base, alors aucun courant ne circulera dans la bobine du relais.
Si un courant positif suffisamment important est maintenant transféré vers la base pour saturer le transistor NPN, le courant circulant de la base à l’émetteur (B à E) contrôle le plus grand courant de la bobine du relais circulant à travers le transistor du collecteur à l’émetteur.
Pour la plupart des transistors à commutation bipolaire, la quantité de courant de la bobine du relais circulant dans le collecteur serait comprise entre 50 et 800 fois celle du courant de base requis pour saturer le transistor. Le gain de courant, ou valeur beta ( β ) du BC109 proposé est typiquement d’environ 290 à 2mA (fiche technique).
Circuit de Commutation NPN de Relais
Notez que la bobine du relais est non seulement un électroaimant, mais elle est également une inductance. Lorsque l’alimentation est appliquée à la bobine en raison de l’action de commutation du transistor, un courant maximal circulera en fonction de la résistance DC de la bobine, définie par la loi d’Ohm, (I = V/R). Une partie de cette énergie électrique est stockée dans le champ magnétique de la bobine du relais.
Lorsque le transistor est commuté « OFF », le courant traversant la bobine du relais diminue et le champ magnétique s’effondre. Cependant, l’énergie stockée dans le champ magnétique doit aller quelque part et une tension inverse se développe à travers la bobine en essayant de maintenir le courant dans la bobine du relais. Cette action produit un pic de tension élevé à travers la bobine du relais qui peut endommager le transistor NPN de commutation si elle est laissée à s’accumuler.
Pour éviter d’endommager le transistor à semi-conducteur, une « diode flywheel », également connue sous le nom de diode de freewheeling, est connectée à la bobine du relais. Cette diode flywheel limite la tension inverse à environ 0,7V, dissipant l’énergie stockée et protégeant le transistor de commutation. Les diodes flywheel ne sont applicables que lorsque l’alimentation est une tension DC polarisée. Une bobine AC nécessite une méthode de protection différente, et pour cela, un circuit RC snubber est utilisé.
Circuit de Commutation de Relais Darlington NPN
Le circuit de commutation de relais NPN précédent est idéal pour commuter de petites charges telles que des LEDs et des relais miniatures. Mais parfois, il est nécessaire de commuter des bobines de relais plus grandes ou des courants au-delà de la plage d’un transistor BC109 à usage général, ce qui peut être réalisé en utilisant des transistors Darlington.
La sensibilité et le gain de courant d’un circuit de commutation de relais peuvent être considérablement augmentés en utilisant une paire de transistors Darlington à la place d’un seul transistor de commutation. Les paires de transistors Darlington peuvent être fabriquées à partir de deux transistors bipolaires connectés individuellement, comme indiqué ou disponibles en tant que dispositif unique avec des broches de connexion standard : Base, Émetteur et Collecteur.
Configuration Darlington NPN
Si deux transistors individuels sont configurés comme une paire de commutation Darlington, une résistance de faible valeur (100 à 1 000 Ω) est généralement placée entre la Base et l’Émetteur du transistor de commutation principal, TR2, pour s’assurer qu’il s’éteigne complètement. Là encore, une diode flywheel est utilisée pour protéger TR2 du back emf généré lorsque la bobine du relais est désactivée.
Circuit de Commutation de Relais Suiveur d’Émetteur
En plus de la configuration standard émetteur commun pour un circuit de commutation de relais, la bobine du relais peut également être connectée au terminal de l’émetteur du transistor pour former un circuit suiveur d’émetteur. Le signal d’entrée est connecté directement à la base, tandis que la sortie est prise de la charge de l’émetteur comme indiqué.
Circuit de Commutation de Relais Suiveur d’Émetteur
La configuration collecteur commun, ou suiveur d’émetteur, est très utile pour les applications d’adaptation d’impédance en raison de la très haute impédance d’entrée, de l’ordre de centaines de milliers d’Ohms, tout en ayant une impédance de sortie relativement faible pour commuter la bobine des relais. Comme avec le circuit de commutation de relais NPN précédent, la commutation se produit en appliquant un courant positif à la base du transistor.
Circuit de Commutation de Relais Darlington Émetteur
C’est la version transistor Darlington du circuit précédent suiveur d’émetteur. Un courant de base positif très faible appliqué à TR1 provoque un courant de collecteur beaucoup plus important à travers TR2 en raison de la multiplication des deux valeurs beta.
Configuration Darlington Émetteur
Le circuit de commutation de relais Darlington à émetteur commun est utile pour fournir un gain de courant et un gain de puissance avec un gain de tension d’environ un. Une autre caractéristique importante de ce type de circuit suiveur d’émetteur est qu’il a une haute impédance d’entrée et une faible impédance de sortie, ce qui le rend idéal pour l’adaptation d’impédance aux grandes bobines de relais.
Circuit de Commutation de Relais PNP
En plus de commuter des bobines de relais et d’autres charges similaires avec des transistors bipolaires NPN, nous pouvons également les commuter en utilisant des transistors bipolaires PNP. Le circuit de commutation de relais PNP ne diffère pas de celui de commutation de relais NPN en termes de capacité à contrôler la bobine des relais. Cependant, il nécessite des polarités de tension d’exploitation différentes. Par exemple, la tension collecteur-émetteur, Vce, doit être négative pour le type PNP afin de provoquer le passage du courant de l’Émetteur au Collecteur.
Configuration du Transistor PNP
Le circuit du transistor PNP fonctionne à l’opposé du circuit de commutation de relais NPN. Le courant de charge circule de l’Émetteur vers le Collecteur lorsque la base est polarisée en avant avec une tension qui est plus négative que celle de l’Émetteur. Pour que le courant de charge des relais circule de l’Émetteur vers le Collecteur, à la fois la Base et le Collecteur doivent être négatifs par rapport à l’Émetteur.
En d’autres termes, lorsque Vin est ÉLEVÉ, le transistor PNP est commuté « OFF » et donc la bobine du relais l’est aussi. Lorsque Vin est FAIBLE, la tension de base est inférieure à la tension de l’émetteur (plus négative) et le transistor PNP s’allume. La valeur de résistance de la base détermine le courant de base, qui détermine le courant de collecteur qui alimente la bobine du relais.
Les commutateurs à transistor PNP peuvent être utilisés lorsque le signal de commutation est inversé par rapport à un transistor NPN, par exemple, la sortie d’une porte NAND CMOS ou d’un autre dispositif logique. Une sortie logique CMOS a une force de conduite à la logique 0 pour puiser suffisamment de courant pour mettre le transistor PNP « ON ». Ensuite, des puits de courant peuvent être transformés en sources de courant en utilisant des transistors PNP et une alimentation de polarité opposée.
Circuit de Commutation du Collecteur PNP
Le fonctionnement de ce circuit est le même que précédemment avec le circuit de commutation de relais. Dans ce circuit de commutation de relais, la charge du relais a été connectée au Collecteur des transistors PNP. L’action de commutation ON-OFF du transistor et de la bobine se produit lorsque Vin est FAIBLE, transistor « ON », et lorsque Vin est ÉLEVÉ, transistor « OFF ».
Configuration Collecteur PNP
Nous avons vu qu’un transistor bipolaire NPN ou un transistor bipolaire PNP peut fonctionner comme un interrupteur pour la commutation de relais, ou toute autre charge pour cette matière. Mais qu’il y a deux conditions différentes qui doivent être comprises en raison de la circulation du courant dans deux directions différentes.
Ainsi, dans un transistor NPN, une haute tension par rapport à l’émetteur est appliquée à la base, le courant circule du collecteur à l’émetteur et le transistor NPN s’éteint « ON ». Pour un transistor PNP, une faible tension par rapport à l’émetteur est appliquée à la base, le courant circule de l’émetteur vers le collecteur et le transistor PNP fonctionne « ON ».
Circuit de Commutation Relais à MOSFET N-Channel
Le fonctionnement de la commutation de relais MOSFET est très similaire à celui de l’interrupteur de transistor bipolaire (BJT) décrit ci-dessus, et l’un des circuits précédents peut être mis en œuvre à l’aide de MOSFETs. Cependant, il existe quelques différences majeures dans le fonctionnement des circuits MOSFET, les principales étant que les MOSFETs sont des dispositifs fonctionnant sous tension, et comme la porte est électriquement isolée du canal Drain-Source, ils ont des impédances d’entrée très élevées, donc le courant de porte pour un MOSFET est nul, rendant donc la résistance de base inutile.
Les MOSFETs conduisent à travers un canal conducteur dont le canal est initialement fermé, transistor « OFF ». Ce canal augmente progressivement en largeur conductrice à mesure que la tension appliquée au terminal de la porte augmente lentement. En d’autres termes, le transistor fonctionne en améliorant le canal à mesure que la tension de la porte augmente et pour cette raison, ce type de MOSFET est appelé un MOSFET à amélioration, ou E-MOSFET.
Les MOSFETs à amélioration N-Channel (NMOS) sont le type de MOSFET le plus couramment utilisé, car une tension positive sur le terminal de la porte commute le MOSFET « ON » et une tension nulle ou négative sur la porte le commute « OFF », ce qui le rend idéal comme un relai MOSFET. Des MOSFETs à amélioration P-Channel sont également disponibles, qui, comme le PNP BJT, fonctionnent avec des tensions opposées.
Configuration N-Channel MOSFET
Le circuit de commutation de relais MOSFET ci-dessus est connecté en configuration source commune. Avec une entrée de tension nulle, condition FAIBLE, la valeur de VGS est insuffisante pour ouvrir le canal et le transistor est « OFF ». Mais lorsque VGS est augmentée au-dessus de la tension seuil inférieure des MOSFETs VT, le canal s’ouvre, le courant circule et la bobine du relais est activée.
En mode d’amélioration, le MOSFET fonctionne comme un commutateur normalement ouvert, ce qui le rend idéal pour commuter de petites charges telles que des relais. Les MOSFETs de type E ont une haute résistance “OFF” mais une résistance “ON” modérée (acceptable pour la plupart des applications), donc lors de la sélection d’un pour une application de commutation particulière, sa valeur RDS doit être prise en compte.
Circuit de Commutation Relais à MOSFET P-Channel
Le MOSFET à amélioration P-Channel (PMOS) est construit de la même manière que pour le MOSFET à amélioration N-Channel, sauf qu’il fonctionne uniquement avec des tensions de porte négatives. En d’autres termes, un MOSFET à canal P fonctionne de la même manière mais avec des polarités opposées, car la porte doit être plus négative que la source pour faire fonctionner « ON » le transistor en étant polarisé en avant comme indiqué.
Circuit de Commutation de Relais à MOSFET P-Channel
Dans cette configuration, le terminal source du P-channel est connecté à +Vdd et le terminal de drain est connecté à la terre via la bobine des relais. Lorsqu’un niveau de tension ÉLEVÉ est appliqué à la porte, le MOSFET à canal P sera éteint « OFF ». L’E-MOSFET en position « OFF » aura une très haute résistance de canal et agit presque comme un circuit ouvert.
Lorsque l’on applique un niveau de basse tension à la porte, le MOSFET à canal P sera « ON ». Cela fera circuler le courant à travers le chemin de faible résistance du canal des E-MOSFETs pour activer la bobine du relais. Les MOSFETs à canal N et P font de très bons circuits de commutation de relais à basse tension et peuvent être facilement interfacés à un large éventail de portes logiques numériques et d’applications micro-processeur.
Circuit de Commutation Relay Contrôlé par Logiciel
Le MOSFET N-channel de type amélioration est extrêmement utile en tant qu’interrupteur à transistor, car dans son état « OFF » (avec aucune polarisation de porte), son canal a une très haute résistance bloquant l’écoulement du courant. Cependant, une tension positive relativement petite supérieure à la tension seuil VT, sur sa haute impédance de porte provoque le début de la conduction du courant de son terminal Drain vers son terminal Source.
Contrairement au transistor à jonction bipolaire qui nécessite un courant de base pour le faire fonctionner « ON », l’e-MOSFET nécessite uniquement une tension à la porte, car en raison de sa construction de porte isolée, aucun courant ne circule dans la porte. Cela rend l’e-MOSFET, qu’il soit N-channel ou P-channel, idéal pour être utilisé directement par des portes logiques TTL ou CMOS typiques, comme indiqué.
Circuit de Commutation Relay Contrôlé par Logiciel
Voici l’e-MOSFET N-channel étant piloté par une porte logique numérique. Les broches de sortie de la plupart des portes logiques peuvent fournir seulement une quantité limitée de courant, généralement pas plus de 20 mA. Comme les e-MOSFETs sont des dispositifs alimentés sous tension et consomment aucun courant de porte, nous pouvons utiliser un circuit de commutation relay MOSFET pour contrôler des charges de haute puissance.
Circuit de Commutation Relay par Micro-contrôleur
En plus des portes logiques numériques, nous pouvons également utiliser les broches et canaux de sortie des micro-contrôleurs, PIC et processeurs pour contrôler le monde extérieur. Le circuit ci-dessous montre comment interfacer un relais à l’aide d’un interrupteur MOSFET.
Circuit de Commutation Relay par Micro-contrôleur
Résumé du Tutoriel
Dans ce tutoriel, nous avons vu comment nous pouvons utiliser à la fois des transistors à jonction bipolaire, soit NPN ou PNP, et des MOSFETs d’amélioration, soit N-channel ou P-channel en tant que circuit de commutation de transistor.
Parfois, lors de la construction de circuits électroniques ou de micro-contrôleurs, nous voulons utiliser un interrupteur transistor pour contrôler un appareil à haute puissance, tel que des moteurs, des lampes, des éléments chauffants ou des circuits AC. En général, ces appareils nécessitent des courants plus grands ou des tensions plus élevées qu’un seul transistor de puissance peut gérer, alors nous pouvons utiliser un circuit de commutation relais pour cela.
Les transistors bipolaires (BJT) constituent de très bons et de bon marché circuits de commutation relais, mais les BJT sont des dispositifs fonctionnant sous courant, car ils convertissent un petit courant de base en un courant de charge plus important pour alimenter la bobine du relais.
Cependant, l’interrupteur MOSFET est idéal en tant qu’interrupteur électrique car il nécessite pratiquement aucun courant de porte pour être « ON », convertissant une tension de porte en un courant de charge. Par conséquent, un MOSFET peut être fonctionné comme un interrupteur contrôlé par tension.
Dans de nombreuses applications, les transistors bipolaires peuvent être remplacés par des MOSFETs de type amélioration offrant une action de commutation plus rapide, une impédance d’entrée beaucoup plus élevée et probablement une dissipation de puissance moindre. La combinaison d’une très haute impédance de porte, d’une très faible consommation de puissance dans son état « OFF » et d’une capacité de commutation très rapide rend le MOSFET approprié pour de nombreuses applications de commutation numériques. De plus, avec aucun courant de porte, son action de commutation ne peut pas surcharger le circuit de sortie d’une porte numérique ou d’un micro-contrôleur.
Cependant, parce que la porte d’un E-MOSFET est isolée du reste du composant, elle est particulièrement sensible à l’électricité statique qui pourrait détruire la fine couche d’oxyde sur la porte. Par conséquent, une attention particulière doit être portée, soit lors de la manipulation du composant, soit lorsqu’il est utilisé pour s’assurer que tout circuit utilisant des e-MOSFETs comprend une protection appropriée contre les décharges statiques et les pics de tension.
Aussi pour une protection supplémentaire des BJT ou des MOSFETs, utilisez toujours une diode flywheel à travers la bobine relais pour dissiper en toute sécurité le back emf généré par l’action de commutation des transistors.