Relais Retardé sans Microcontrôleur
Il arrive que l'on ait besoin de retarder la mise sous tension d'un appareil, ou son extinction. Mais peut-on le faire sans avoir recours à un microcontrôleur ?
Retarder la mise sous tension d'un appareil, ou son extinction, ne veut pas dire grand chose dans l'absolu. Il faut d'abord répondre à la question : retarder par rapport à quoi ?
Partons d'un cas précis :
Je désire mettre sous tension et couper à l'aide d'un interrupteur deux appareils dans un ordre bien précis.
- un téléviseur et un amplificateur audio
- un préamplificateur et un amplificateur de puissance
- un amplificateur de puissance et des enceintes acoustiques
Si on met sous tension ces appareils simultanément il y a un risque que l'amplificateur transmette aux enceintes acoustiques un pic de tension dû à la montée brutale de l'alimentation.
Pour éviter cela il faut procéder avec logique.
- mise sous tension de l'appareil N°1
- attente de 2 secondes
- mise sous tension de l'appareil N°2
La mise hors tension doit se faire dans l'ordre inverse :
- coupure de l'appareil N°2
- attente de 2 secondes
- coupure de l'appareil N°1
Si l'on trace un graphique en temps réel on veut obtenir ceci :
Pour obtenir ce résultat on peut avoir recours à plusieurs solutions :
- un séquenceur
- deux relais temporisés multifonction
- un ARDUINO + 1 module relais
- un petit montage malin
1. Le séquenceur
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| Furman PS-8R/E III |
Ce dispositif professionnel permet la mise sous tension et la coupure de 3 groupes d'appareils dans un ordre précis avec une temporisation non réglable (0.5, 5, et 10 secondes).
Voici sa documentation : https://www.furmanpower.com/sites/furmanpower.com/files/_/Power-Report/ps8riimanual_0909_revf.pdf
Il coûte 484€ chez Thomann. Le CN-3600S E est encore plus cher : 752€. Il permet (pauvrement) de régler les temporisations.
Pour le prix ils assurent heureusement un filtrage secteur. Vous l'aurez compris : la majeure partie du prix se situe dans le boîtier et l'aspect professionnel.
Ils sont surtout utilisés dans le monde de la sonorisation professionnelle pour une mise sous tension progressive d'un ensemble d'appareils, afin d'éviter un courant d'appel trop important au démarrage. Avec une charge maximale de 16A (3600 watts), on comprend assez vite que la cible se situe dans les installations de moyenne puissance. Autant dire que ce genre d'appareil n'est adapté ni à une installation domestique, ni aux grandes manifestations musicales.
2. Le relais temporisé multifonction
Ces relais permettent de temporiser la mise sous tension d'un appareil, ou la coupure, ou les deux.
Il n'est pas toujours évident de trouver la documentation de ces relais.
Ces relais disposent des bornes suivantes :
- contacts : 3 bornes (inverseur)
- alimentation : 2 bornes (souvent on peut les alimenter entre 12V et 230V ~)
- commande : 1 borne (la borne sur laquelle on va connecter notre interrupteur ON/OFF)
La borne de commande est souvent appelée Y1.
Il vaut mieux examiner la notice technique du relais avant d'acheter, afin de vérifier que les fonctions nécessaires sont disponibles, et aussi afin de bien comprendre son fonctionnement. C'est aussi pour cela que je privilégie les marques connues, qui fournissent des fiches techniques claires.
En général lorsqu'un relais temporisé permet une temporisation combinée fermeture (ON) / ouverture (OFF) les deux temps seront identiques, c'est à dire que le retard à la mise sous tension sera le même que le retard à la coupure.
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| Crouzet 88827103 (8 ampères) |
Son prix est d'environ 70€ chez DigiKey.
Sa documentation : https://docs.rs-online.com/1018/0900766b8145d238.pdfDans la documentation on voit qu'il faut utiliser les fonctions suivantes :
- retard à la mise sous tension : fonction A
- temporisation à l'ouverture : fonction C
- temporisation combinée fermeture / ouverture : fonction Ac
Les commandes Ac et C nécessitent le câblage de la borne de commande. Pour réaliser la commande A, on placera l'interrupteur en série avec l'alimentation du relais.
On trouve des équivalents chez Legrand, beaucoup plus chers.
On trouve également des relais moins chers à partir de 15€ :
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| Selec 600XU-A-1-CU (5 ampères) |
Son prix est d'environ 16€ chez Automation24.
Sa documentation : https://media.automation24.com/datasheet/fr/600XU.pdfComme ce relais est également distribué par Mouser et DigiKey, deux distributeurs de matériel professionnel, je suppose que c'est un relais fiable, malgré son prix.
Les seules critiques sur Automation24 concernent le bruit, mais je ne pense pas que le Crouzet soit plus silencieux. Après tout, ce sont des relais de puissance à contact.
Dans la documentation on voit qu'il faut utiliser les fonctions suivantes :
- retard à la mise sous tension : fonction A
- temporisation à l'ouverture : fonction E
- temporisation combinée fermeture / ouverture : fonction F
Ici également les commandes E et D nécessitent le câblage de la borne de commande. Pour réaliser la commande A, on placera l'interrupteur en série avec l'alimentation du relais.
Voici un schéma permettant de retarder la coupure d'une prise 2 par rapport à une prise 1 :
La prise N°1 est mise directement sous tension par l'interrupteur.
La prise N°2 est contrôlée par le relais. La fonction E est utilisée. Le relais coupera la prise 2 lorsque l'interrupteur sera positionné sur OFF, avec un retard réglable.
La séquence sera :
- interrupteur sur ON
- prise 1 et prise 2 alimentées simultanément
- interrupteur sur OFF
- prise 1 coupée
- délai X secondes
- prise 2 coupée
Voici un schéma permettant de retarder la mise sous tension d'une prise 1, et la coupure d'une prise 2 par rapport à la prise 1 :
La prise N°1 est contrôlée par le relais du bas. La fonction A est utilisée. Le relais mettra la prise 1 sous tension lorsque l'interrupteur sera positionné sur ON, avec un retard réglable.
La prise N°2 est contrôlée par le relais du haut. La fonction E est utilisée. Le relais coupera la prise 2 lorsque l'interrupteur sera positionné sur OFF, avec un retard réglable.
La séquence sera :
- interrupteur sur ON
- prise 2 alimentée
- délai X secondes
- prise 1 alimentée
- interrupteur sur OFF
- prise 1 coupée
- délai Y secondes
- prise 2 coupée
Je conseille l'utilisation de fil rigide 1.5mm², comme pour tout câblage domestique. Bien sûr les prises peuvent être des embases IEC (une mâle + 2 femelles). La prise d'entrée peut être un socle IEC avec filtre :
Le gros intérêt de cette solution à base de relais temporisé multifonction est qu'elle permet d'éviter d'ajouter une alimentation, celle-ci étant intégrée à chaque relais, et ce n'est pas négligeable.
3. ARDUINO + module relais
Il suffit de connecter un module relais et un interrupteur à un ARDUINO UNO ou NANO et d'écrire un petit sketch qui surveille l'état de l'interrupteur et active et désactive les relais dans le bon ordre, avec des temporisations adaptées.
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| Module à 2 relais |
Pour ceux qui désirent un montage sans soudure il existe des modules relais avec bornier sur les entrées :
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| Module à 2 relais |
Il existe également des supports ARDUINO NANO avec borniers :
On trouvera facilement des tutoriels pour apprendre à surveiller une entrée digitale et piloter un module relais :
- digitalRead()
- digitalWrite()
- delay()
Cette solution ARDUINO permet aussi (grâce à un récepteur infrarouge bon marché TSOP4838) de télécommander la mise sous tension et hors tension à l'aide d'une télécommande infrarouge. On peut utiliser une touche inutile d'une télécommande existante.
La solution à base d'ARDUINO est bien entendu la plus souple, elle permet de modifier les temporisations avec facilité et celles-ci peuvent être séquencées comme on le désire. Le nombre de relais peut être important, jusqu'à 20 pour une carte NANO.
On peut choisir des relais 5V ou 12V. Il faut prévoir une alimentation 5V ou 12V (en fonction des relais choisis). Chaque relais consomme 30mA pour un modèle 12V, et 70mA pour un modèle 5V.
4. Cartes spécialisées
On trouve tout de même des cartes à relais pouvant convenir à certaines situations.
Exemple celle-ci, dénichée sur AliExpress :
Elle permet de mettre sous tension 2 charges 10A avec une temporisation réglable entre 0.5 et 10 secondes.
ATTENTION
: cette carte est alimentée directement par le secteur, grâce à une
alimentation par chute de tension capacitive (le condensateur gris en
bas à gauche, heureusement du type X2). Il n'y a aucun transformateur
d'isolement. Cela veut clairement dire que le secteur (phase ou neutre
suivant le sens de branchement) de la prise, va être présent sur toute
la carte. Ce n'est pas dangereux pour elle, mais pour vous OUI.
C'est une carte qu'il faudra impérativement loger dans un boîtier isolant. Ne pas y mettre les doigts si elle est sous tension.
J'ai trouvé celle-ci également sur AliExpress :
Elle permet de mettre sous tension 4 charges 20A avec une temporisation réglable entre 0.5 et 4 secondes. Elle réclame une alimentation 12V.
Le
vendeur annonce 400mA de courant consommé sur le 12V. Chaque relais 12V SLA-12VDC-SL-A consommant environ 80mA, cela semble correct. Prévoir une marge de sécurité : une alimentation de 12V / 6W au minimum.
Enfin, pour les mordus de la séquence d'alimentation, sur AliExpress également :
Elle permet de mettre sous tension 8 charges 10A avec une temporisation réglable entre 0.5 et 4 secondes. Elle réclame une alimentation 12V.
Le vendeur annonce 50mA de courant consommé sur le 12V. C'est bien entendu complètement farfelu, chaque relais 12V SRD-12VDC-SL-C consommant environ 30mA, il vaut mieux prévoir au minimum 250mA. Prévoir une marge de sécurité : une alimentation de 12V / 5W au minimum.
Un détail à
propos des alimentations : les cartes à 4 ou 8 relais acceptent une
alimentation 12V continus ou alternatifs. Elles possèdent leur propre
circuit de redressement / filtrage / régulation. C'est à dire que l'on
peut les alimenter à l'aide d'un transformateur 12V alternatifs, ou d'une alimentation 12V continus.
Personnellement j'ai banni de mon habitation les petites alimentations à transformateur que l'on laisse branchées H24.
Un
transformateur électromagnétique vieillissant finit toujours par
présenter des défauts d'isolement au niveau du vernis des enroulements
et cela peut déclencher un incendie. Expérience vécue 
Préférer donc les alimentations à découpage, qui elles au moins, si elles tombent en panne, se contenteront de ne plus fonctionner, sans fumée.
5. Montage dédié
Entrons maintenant dans le sujet de cet article : un montage sans microcontrôleur, d'un prix de revient imbattable.
5.1. Le schéma
Le schéma ci-dessous montre un montage à deux relais. L mise sous tension de la prise 1 est retardée et la coupure de la prise 2 est retardée.
La séquence est la suivante :
- interrupteur SW1 sur ON
- prise S2 alimentée
- délai 2 secondes
- prise S1 alimentée
- interrupteur SW1 sur OFF
- prise S1 coupée
- délai 2 secondes
- prise S2 coupée
On peut bien sûr ajouter plusieurs relais, avec des temps de commutation différents.
5.2. Les relais
Le module relais utilisé est le même que précédemment. On prendra soin de choisir un modèle 12V commandable par un niveau bas, ou disposant d'un cavalier permettant de choisir entre niveau bas et haut :
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| Module avec cavalier jaune (High ou Low) |
Pourquoi choisir un module à relais ? parce qu'il intègre toute l'électronique de commande nécessaire, diode de roue libre comprise. Si l'on veut utiliser des relais nus c'est parfaitement possible, mais il faudra réaliser un PCB, qui pourra d'ailleurs accueillir tous les composants, CD4093 y compris.
Il faudra scrupuleusement respecter les distances entre pistes véhiculant du 230V.
5.3. Le principe
Le principe est de charger ou décharger un condensateur à travers une résistance et d'utiliser un trigger de Schmitt pour détecter un seuil de charge ou de décharge.
On pourrait commander les modules relais directement comme ceci :
On peut également le faire avec des relais nus :
On remarque déjà qu'avec un relais nu le condensateur est beaucoup plus gros, car le courant absorbé par un relais 12V est d'environ 30mA, contre environ 5mA pour l'entrée de commande d'un module. D'autre part le relais nu décrochera quand la tension aux bornes de sa bobine aura chuté de 20%, alors que le module décrochera quand la tension sur son entrée de commande aura chuté de 80%. Le condensateur sera donc au minimum 20 fois plus gros en version relais nu pour obtenir la même temporisation.
Pourquoi utiliser des portes NAND CMOS ?
Parce que le courant d'entrée d'un module à relais est assez important, de l'ordre de 5mA, alors que le courant d'entrée d'une porte CMOS est quasiment nul (environ 1µA). Cela va permettre d'utiliser des résistances de plus forte valeur et des condensateurs plus petits, car les temporisation sont fixées par un circuit RC (résistance / condensateur). En faisant le produit de R * C on obtient un temps en secondes, et plus la résistance est élevée plus la capacité du condensateur sera faible. On pourra donc obtenir des temporisations plus longues à moindre frais.
Exemples :
Avec un condensateur de 10µF il faudra une résistance de 100KΩ pour obtenir 1 seconde temporisation : T = R * C = 100000 * 0.000010 = 1
Avec un condensateur de 1µF il faudra une résistance de 1MΩ pour obtenir le même résultat.
Il est déconseillé d'utiliser des résistances de valeur plus élevée, car le montage serait très sensible aux parasites, et d'autre part la résistance de l'entrée d'une porte CMOS est elle-même d'environ 10MΩ. Cela fausserait les calculs.
Qu'est-ce qu'un CD4093 ? c'est un trigger de Schmitt. Le trigger de Schmitt introduit une notion d'hystérésis. Le seuil d'activation de la transition niveau bas vers niveau haut n'est pas le même que le seuil d'activation de la transition niveau haut vers niveau bas :
Avec une porte NAND classique le relais aurait tendance à entrer en vibration pendant un bref instant, à cause du bruit sur l'alimentation par exemple. Le trigger de Schmitt évite que le relais ne produise un bruit de sonnette désagréable lorsqu'il commute, ce qui de plus réduirait sa durée de vie, et celle de l'appareil à alimenter.
Les deux diodes 1N4148 évitent que les deux circuits interfèrent l'un avec l'autre.
Lorsque l'on bascule l'interrupteur sur ON :
- la première porte NAND U1A voit son entrée 1 monter immédiatement. La tension sur l'entrée 2 va augmenter lentement jusqu'à atteindre le seuil de basculement du trigger, environ 6V. La constante RC du couple R3 / C1 est d'environ 2 secondes. L'entrée IN1 du module relais va donc tomber à ZÉRO après ce temps, et activer le relais 1.
- la deuxième porte NAND U1B voit ses entrées 1 et 2 monter immédiatement. L'entrée IN2 du module relais va donc tomber à ZÉRO aussitôt et activer le relais 2.
Lorsque l'on bascule l'interrupteur sur OFF :
- la première porte NAND U1A voit son entrée 1 tomber immédiatement. L'entrée IN1 du module relais va donc monter à UN en même temps et désactiver le relais 1. La résistance R1 décharge le condensateur à travers R3. R1 doit avoir une valeur faible par rapport à celle de R3 mais il est préférable de ne pas exagérer (100Ω est un minimum pour une résistance 1/4W sous 12V).
- le condensateur C2 se décharge à travers la résistance R2. La deuxième porte NAND U1B voit ses entrées 1 et 2 tomber lentement. La constante RC du couple R2 / C2 est d'environ 2 secondes. L'entrée IN2 du module relais va donc monter à UN après ce temps et désactiver le relais 2.
T1 = R3 * C1 = 220KΩ * 10µF = 220000 * 0.000010 = 2.2 secondes
T2 = R2 * C2 = 220KΩ * 10µF = 220000 * 0.000010 = 2.2 secondes
T1 étant le temps de retard à l'activation du relais 1 (interrupteur sur ON), T2 étant le temps de retard à la désactivation du relais2 (interrupteur sur OFF).
On choisira de préférence des modules relais 12V, mais c'est aussi réalisable avec des modules 5V. Il faut prévoir une alimentation 5V ou 12V (en fonction des relais choisis). Chaque relais consomme 30mA pour un modèle 12V, et 70mA pour un modèle 5V.
5.4. La réalisation
Ce montage à deux relais coûte moins de 5€ si l'on achète les composants chez AliExpress. Il faudra ajouter un petit boîtier et quelques prise 230V.
On pourra utiliser une petite plaquette à pastilles pour accueillir le CD4093 et les composants discrets :
Le montage est bien entendu extensible. On peut ajouter un ou deux relais. Le CD4093 possède 4 portes NAND.
6. Conclusion
On peut faire quelques petites choses sympas avec peu de moyens.
7. Liens utiles
D'autres articles à propos de relais :
Piloter un relais. Transistor unipolaire ou bipolaire ?
Piloter des Relais ou des MOSFEts à l'aide d'un Module MCP23008 ou MCP23017
Cordialement
Henri
