Le relais reste un composant fondamental dans les circuits électroniques dès qu’il s’agit d’isoler la commande de la puissance. Il permet de piloter une charge électrique à tension ou courant élevé à partir d’un signal logique de faible énergie.

Les relais électromécaniques se commandent généralement par une bobine, tandis que les relais statiques utilisent un composant électronique (triac, MOSFET ou phototransistor). Dans cet article, nous nous intéressons aux relais classiques, à leur pilotage et aux précautions d’usage.

Commande simple par transistor bipolaire

Le courant consommé par un relais implique d'utiliser un circuit de commande spécifique. Les sorties des microcontrôleurs, ou des circuits logiques, ne sont pas conçues pour un tel usage (sauf exception).

Le montage le plus courant consiste à utiliser un transistor NPN (par exemple un 2N2222) pour activer la bobine du relais.

Calcul de la résistance de base

Le courant de la bobine d’un relais miniature est typiquement de 30 à 100 mA. Si le transistor a un gain en courant (hFE) d’environ 100, on choisit un courant de base Ib = Ic / 10 pour assurer la saturation.

Exemple : Pour Ic = 80 mA , on prend Ib = 8 mA . Sous 5 V logiques, avec une chute base-émetteur d’environ 0,7 V : Rb = (5 - 0,7) / 0,008 ≈ 540 Ω . On choisira la valeur normalisée 560 Ω .

La diode de roue libre (DRL)

Lorsqu’on coupe le courant dans une bobine, l’énergie magnétique stockée provoque une surtension inverse. Pour éviter d’endommager le transistor de commande, on place une diode de roue libre (en anglais : flyback diode ou freewheeling diode) en parallèle sur la bobine, polarisée en inverse en fonctionnement normal.

Cette diode offre un chemin de décharge pour le courant induit lorsque le relais se désactive. Une simple 1N4148 suffit pour les petits relais (jusqu’à 100 mA). Au-delà, on privilégiera une 1N4001 ou équivalent.

Commande en basse tension (3,3 V) par MOSFET

Avec les microcontrôleurs récents (ESP32, Raspberry Pi Pico, STM32, etc.), la tension logique est souvent de 3,3 V. Le 2N2222 n’est alors plus toujours saturé correctement, surtout si la bobine consomme plus de 50 mA.

On utilise donc un MOSFET canal N logique, comme l’IRLZ44N ou le 2N7002 pour les relais à faible courant. Il n'est pas nécessaire de placer une résistance d'entrée, par contre il faut mettre une résistance de tirage à la masse qui permet d'éviter d'avoir un état instable si la sortie est commandée par un microprocesseur et que celui-ci n'est pas encore initialisé.

Avantages :

• Commande directe depuis une sortie GPIO 3V3.
• Chute de tension très faible à l’état passant.

Le montage reste identique : source à la masse, drain vers la bobine, et diode de roue libre en parallèle.

Commande multiple

Pour piloter plusieurs relais à partir d’un microcontrôleur, on préfère utiliser un circuit dédié :

• Le circuit ULN2803A contient 8 transistors Darlington avec diodes de roue libre intégrées.
• Le circuit TBD62083 contient 8 transistors DMOS avec diodes de roue libre intégrées.

Chaque entrée reçoit un signal logique, et chaque sortie peut commander une bobine jusqu’à environ 500 mA. Un connecteur commun relie toutes les cathodes des diodes à la tension d’alimentation des relais. Ce circuit évite de multiplier les composants discrets, simplifie le routage, et protège automatiquement les sorties.

Côté puissance : types de contacts

Les relais sont disponibles en plusieurs configurations de contacts. Les configurations de base sont les suivantes :

• NO ( Normalement Ouvert ) : Le contact est ouvert au repos et se ferme lorsque le relais s’active
• NC ( Normalement Fermé, C = Closed ) : Le contact est fermé au repos et s’ouvre lorsque le relais s’active
• NO/NC : Combinaison d'un contact ouvert et d'un contact fermé avec un point commun (comme sur les schémas précédents)

Outre cette notation normalisée à usage industriel. On trouve aussi une notation issue du domaine électronique :

• 1R : Un contact actif au repos (équivalent à NC)
• 1T : Un contact actif au travail (équivalent à NO)
• 1RT : Combinasion des deux précédents (équivalent à NO/NC)
• 2RT, 3RT ... : Désigne un relais contenant 2, 3 (ou plus) contacts isolés electriquement

Il faut aussi prendre en compte la notation américaine que l'on trouve sur de nombreux produits :

• SPST : Single Pole Single Throw (un circuit, un contact), correspond à un contact NO (par défaut) ou NC (si précisé)
• SPDT : Single Pole Double Throw (un circuit, deux contacts), correspond à un contact NO/NC ou 1RT
• DPST : Double Pole Single Throw (deux circuits, un contact), correspond à deux contacts SPST
• DPDT : Double Pole Double Throw (deux circuits, deux contacts), correspond à deux contacts DPDT, équivalent à 2RT
• D'autres combinaisons existent, la première lettre étant remplacée par un chiffre pour indiquer le nombre de circuits

Remarque : Chaque connection aux contacts d'un relais est toujours identifiée par un code chiffré, mais celui-ci n'est pas le même entre les normes européennes et américaines.

Relais de marque Finder série 55.34, type 4RT ou 4PDT

Précautions en haute tension

Dès que la tension aux bornes des contacts dépasse 50 V (source INRS), on entre dans la zone dite de haute tension de sécurité. Les relais doivent alors être choisis en tenant compte de leur tension d’isolement. Cette tension correspond au seuil à partir duquel un arc électrique peut se former dans contact ouvert, entre deux contacts séparés, ou entre un contact et la bobine de commande. Dans tous les cas, il y a un risque de destruction du circuit électrique.

La tension de fonctionnement est toujours précisée. Un relais qui doit commuter la tension secteur doit être spécifié 250 V AC minimum. Attention, il existe des relais dont les contacts sont spécialement conçus pour le courant continu (indication CC) et d'autres conçus pour le courant alternatif (indication AC). Cette distinction existe aussi pour la bobine de commande, certaines peuvent également être commandées en courant alternatif, mais ce n'est pas le cas lorsque le circuit de commande est un transistor.

Les relais de qualité précisent leur tension d’isolement bobine/contacts (souvent 1500 V à 4000 V). Il est essentiel de ne jamais dépasser ces valeurs, et d’éviter les remontées de tension transitoire par un bon filtrage (condensateur ou varistance).

Le courant de coupure

Il faut aussi tenir compte de cet autre paramètre tout aussi important. Si le courant qui traverse les contacts est supérieur au courant de coupure il se formera un arc électrique entre les coutacts lors de l'ouverture. Ce qui pose plusieurs problèmes :

• Usure prématurée des contacts
• Maintien de l'arc électrique : le courant continue de passer pendant un temps indéterminé
• Collage des contacts : le relais est détruit

Les relais conçus pour le courant continu et alternatif présentent souvent un courant de coupure alternatif plus élevé en raison du caractère intermittent du courant alternatif.

Afin de limiter les problèmes dus aux arcs électriques, les relais les plus performants ont leurs contacts enfermés dans un compartiment étanche rempli d'un gaz neutre. Il existe aussi des dispositifs de "soufflage magnétique" de l'arc électique : un aimant placé à proximité des contacts détourne l'arc électrique pour l'allonger et provoquer sa rupture.

Le ciruit imprimé

Si des hautes tensions sont contrôlées par le relais, le circuit imprimé doit également être conçu pour l'accepter. Le tracé entre les pastilles des contacts et les pistes doit respecter des distances minimum, même en présence d'un vernis isolant.

Le claquage de surface se produit quand un arc électrique s’amorce sur la surface d’un isolant, comme par exemple le circuit imprimé. Ce phénomène est renforcé en présence d’humidité ou de poussière. Pour l'éviter, des découpes sont souvent aménagées dans le circuit imprimé, là où il y a de fortes différences de potentiel. Des arcs électriques peuvent toujours se produire, mais il s'agit alors de claquage dans l’air, qui se produit à des niveaux de tension bien plus élevés. Cette tension est approximativement de 3 kV/mm, mais cette valeur chute avec l’altitude ou la pollution. On laisse donc au moins 2 à 3 mm de distance entre les pistes haute tension, voire plus pour le secteur 230 V.

En conclusion

Le choix d'un relais dépend de plusieurs paramètres :

• Tension de la bobine
• Courant consommé par la bobine (qui conditionne le circuit de commande)
• Nombre de contacts
• Polarité des contacts (NO ou NC ou NO/NC)
• Tension d’isolement des contacts
• Courant de coupure des contacts

La polarité des contacts dépend avant tout de la logique du circuit et des besoins de sécurité (coupure ou maintien par défaut).

Le relais constitue le lien entre le monde logique et le monde de la puissance. Bien conçu, un circuit de relais assure une commutation fiable, durable et surtout sûre — pour les composants comme pour l’utilisateur.