Réalisation d'un PCB avec transformateur et relais branché sur secteur

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Bonjour à à toutes et à tous,

Je sollicite aujourd'hui votre aide afin de pouvoir finaliser un projet sur lequel je travaille actuellement.

Introduction

Je suis en train de réaliser un système de surveillance de température dans une serre, avec déclenchement automatique d'un système de ventilation via relais lorsque la température devient trop élevée.

Les conditions sont rudes, et le système que j'ai réalisé propose des boutons accessibles à la personne qui s'en servira, j'ai donc comme contraintes:

  • résistance à la température, le système sera sûrement amené à fonctionner par 65°C
  • résistance à l'humidité, cette dernière pourra être proche des 100% dans la serre, mais moindre dans les boitiers
  • actionneurs accessibles à l'utilisateur, je veux donc inclure des protections contre l'arrivée de la tension secteur sur mon circuit avec microcontrôleur
  • sonde de température pouvant être touchée par l'utilisateur, même remarque qu'au dessus
  • budget limité, je ne souhaite pas dépenser 50€ par alimentation
  • mon microcontrôleur fonctionne en 3.3V, le relais sera piloté en 3.3v, ou en 5v via un relais de signal peut être ? J'utilise un atmega328p, le courant par pin est donc limité.
  • faibles interférences, car utilisation d'un module LORA sur mon circuit principal
  • pas de composants SMD

Problématique

Je me heurte actuellement à un problème concernant l'alimentation de mon système ainsi que la partie "relais", et c'est sur ces points que je sollicite votre aide.

Initialement, je cherchais un transformateur pouvant être branché directement sur une prise dans la serre, et délivrant entre 5 et 12V continu, hélas aucun transformateur ne semble adapté.
Je dispose de nombreux transformateurs (par exemple chargeurs de téléphone qui fonctionnent très bien pour la phase de test), sauf que ces derniers ne sont pas adaptés aux conditions cibles (température, humidité, absence d'indice de protection, usage restreint en intérieur).
J'ai acheté des transformateurs destinés aux LED, ces derniers répondent aux exigences de température et d'humidité, mais sont totalement surdimensionnés (30W pour un usage estimé à moins de 2W), et peu adaptés à des boitiers d'isolation de taille raisonnable.

Je me tourne donc vers la réalisation d'un circuit que je souhaite placer dans un boitier d'isolation électrique, et qui s'occupera:

  • de transformer le 220v en 5V (12V max), ce dernier servira à alimenter mon circuit avec microcontrôleur
  • de faire l'arrivée du 220V sur la borne commune du relais (utilisation du moins de connectiques possibles), et de mettre à disposition un bornier permettant de piloter ce dernier.

Besoin

C'est sur le choix des composants et sur la réalisation d'un PCB que j'ai besoin d'aide, en effet je n'ai jamais travaillé avec la tension secteur sur un PCB, je ne veux donc pas faire n'importe quoi.

Mise en situation

J'imagine pour mon projet un boitier électrique, duquel sort

  • une prise mâle
  • une prise femelle (protection IP44)
  • une sonde de température

et sur le dessus de mon boitier électrique, des boutons poussoirs, ainsi qu'un écran style SSD1306 protégé derrière une plaque de plexiglas.

A l'intérieur de se boitier, on retrouvera mon circuit intégré principal, fonctionnant en 3.3V continu, et absence de 220V

On retrouvera également, et c'est cette partie qui est importante, un autre boitier électrique, celui là correctement isolé/protégé, dans lequel arrivera

  • le câble de la prise mâle
  • le câble de la prise femelle
  • un câble relié à mon circuit principal pour le pilotage d'un relais
    et à l'intérieur duquel sera placé le circuit que je souhaite réaliser avec le transformateur électrique et le relais de puissance.

Recherche des composants

Je dispose déjà de modules tout prêt de relais basés sur un songle SRD-03VDC-SL-C. Je pensais initialement partir sur ce composant pour la partie relais, sauf que ce composant semble inexistant hors amazon et sites chinois (que je proscris pour cette partie sensible de mon projet).
Sur amazon, les copies semblent légion, et donc par méfiance, j'ai recherché des alternatives, je suis tombé sur les composants suivants:

  • G5LE-1 VD 5 DC [Omron Electronics Inc-EMC Div]
  • G5LE-14 DC3 [Omron Electronics Inc-EMC Div]
  • ORWH-SH-105D1F,000
    au regard des courants de bobine, il me semble pertinant de partir du principe que le transformateur 5V alimentera mon circuit, et servira pour l'alimentation de la bobine de relais
    Pour le transformateur, j'ai repéré le composant suivant:
  • IRM-03-5 [MEAN WELL USA Inc.]

D'autres composants seront probablement nécessaires, et j'aurai besoin d'aide pour les lister et trouver les bons:

  • un relais de signal (arrivée en 3.3V pour générer un signal en 5V), ou un transistor peut être ?
  • un composant capable de bloquer l'arrivée du 220V entre le transformateur et le reste de mon circuit. Des protections semblent exister sur les composants précédemment listés, peut-être sont-elles déjà suffisantes ?
  • un composant capable de bloquer l'arrivée du 220V entre le relais et le fil de signal venant de mon circuit, même remarque d'au dessus.
  • peut être un condensateur de découplage pour protéger des fluctuations engendrées par le démarrage et l'arrêt du relais ? Les cycles de mise sous tension sur de plusieurs minutes, ie le ventilateur s'il est allumé restera allumé plusieurs minutes.

Sur cette partie, je recherche:

  • une validation sur les composants trouvés
  • une validation sur les composants supplémentaires, et des propositions de composants (je recherche des références que je peux commander).

Réalisation du PCB

Sur cet aspect là, je suis sur une page blanche.
Ce que je souhaite, c'est que sur le PCB, je puisse placer 3 borniers de 2 vis.

  • le premier bornier servira à l'arrivée du 220V CA
  • le seconde bornier servira à la sortie pilotée en 220V CA
  • le troisième bornier servira à l'entrée du pilotage du relais (un fil de signal + un fil de masse, le fil de masse pouvant être probablement retiré et remplacé par la masse produite par le transformateur).
    Je souhaite intégrer également des sécurités pour que le 220v n'arrive jamais jusqu'au reste du circuit

J'ai déjà utilisé JLCPCB et EasyEDA pour mon autre PCB, leurs circuits étaient de qualité, je pense donc commander ce nouveau PCB chez eux, je réaliserai probablement les soudures moi-même.

Sur cette partie, je recherche:

  • une aide avancée concernant les règles de design pour la partie 220V (quelle largeur de piste, quelle distance entre les pistes, quels points de vigilance, quel nombre de couches, quel positionnement des pistes dans les couches).
  • une aide concernant les caractéristiques du PCB à commander (épaisseurs minimumes, matériaux particuliers à utiliser etc..)
  • lorsque j'aurai réalisé le design du PCB, un contrôle de ce dernier

Je vous remercie d'avoir pris le temps de lire mon message, j'espère avoir été clair dans mes propos, et j'espère lire rapidement vos retours.

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Bonsoir,

Vous êtes extrémement exigeant, parfois un peu irréaliste, et l'aide que vous nous demandez est pas mal éloignée de Arduino.

Bref, je sujet a un peu de mal a démarrer !..

Pour lancer le débat, je reléve:

Et plus loin:

Une prise dans la serre, dans ces conditions, n'est-ce pas dangereux, la prise est-elle au moins au bon IPxx?

Idem pour les ventilateurs, de quel IP sont-ils?

Pour le reste, ce n'est pas irréalisable, mais ça reste de la mise en oeuvre de solutions qui n'ont aucun lien avec Arduino.

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Comme tu ne précises pas les puissances en jeu, je te laisse choisir :
Largeur de piste
Espacement entre pistes

Je te conseille d'appliquer un vernis de tropicalisation après soudure, afin d'éviter l'oxydation. L'oxydation peut générer des ponts résistifs entre broches sur un PCB.

Il est très difficile d'obtenir une étanchéité correcte sur un boîtier, spécialement au niveau des passages de fils. Il est recommandé d'utiliser des câbles cylindriques et de prévoir un presse-étoupe adapté au diamètre.

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AMHA un seul circuit imprimé est une erreur.
Cela revient a imposer des contraintes inutiles sur la partie "intelligence basse tension".

La decoupe que je vois :

  • un circuit imprimé qui recoit le 230 V EDF + les relais de commandes.
    Il fournira le 5 V continu.
    Il recevra les signaux de commande des relais ou autres actionneurs.
  • un circuit imprimé qui contient l’electronique de commande et aucune tension supérieure à 5 V continu.

Bien evidement +1 pour le vernis de tropicalisation et s’il y a des coups de poing d’arret d’urgence ils doivent être d’excellente qualité, le prix sera à la hauteur, ou ne pas être relié directement au 230 V secteur.

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Oui, facile à implanter sur PCB, et très fiable.
Un exemple de PCB pour une prise secteur radiocommandée :

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Bonjour,

Avec des presses étoupes, des câbles cylindriques et ce genre de boîtier avec joint d'étanchéité, on est presque dans de l'IP 65 ou 66 non?

Reste le PB de l'évacuation des calories.

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image

Non, ce genre de boîtier n'est pas étanche, l'indice de protection n'est même pas précisé. C'est juste pour montrer l'implantation d'une IRM-03-5, avec des borniers à vis et une PRO MINI.

Mais on trouve facilement des boîtes de dérivation avec joint IP65, les presse-étoupes également.

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C'est pour cela que dans ce genre de petit boîtier j'utilise des relais bistables (OMRON G5RL-K1A-E-5DC). Zéro calorie au repos.

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Bien vu.

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Bonjour à tous,

Je suis ravie de lire vos réponses, j'espère que ce sujet a éveillé votre curiosité.

@jef59 , j'insiste sur le fait que c'était l'idée initiale, que j'ai abandonné par défaut d'indice IP suffisant, ou par budget totalement démesuré. Les prises dans la serre sont équipées de clapets de protection, et les prises mâles qui seront utilisées sur ces prises seront choisies pour empêcher l'eau de s'infiltrer. Pour le ventilateur, ce dernier est déjà utilisé activement par le propriétaire de la serre, qui souhaite automatiser son activation. Je suis conscient d'être exigeant, et je suis certainement partie sur des conditions trop restrictives, mais pour moi il est hors de question d'apprendre en tâtonnant moi-même sur ce genre de sujet.

@hbachetti Je vais étudier tes deux liens afin de réaliser les calculs, je pars sur des ventilateurs d'appoint ne dépassant pas les 200W (actuellement, ce sont des ventilateurs de 40W, mais tolérer un peu plus ne fera pas de mal).
Question: Je note pour le vernis de tropicalisation, est-ce que ce c'est un vernis qui s'applique sur le PCB lors de sa commande, ou que vous me conseillez d'appliquer après réalisation de mes soudures ?
Concernant l'étanchéité, j'ai prévu d'utiliser des presse-étoupe, tous les câbles qui passeront dans le boitier s'occupant du 220V passeront par ces derniers.

@68tjs Je suis désolé si je me suis mal exprimé, j'aurai bel et bien 2 circuits séparés, l'un pour l'intelligence basse tension, et l'autre pour la partie haute tension. La situation que tu as décris est exactement celle que j'imaginais, et que je pensais avoir décrit dans ma présentation.

@hbachetti ça ressemble fortement avec ce que je souhaite faire ! Dans mon cas, mon "circuit basse tension" sera séparé du circuit haute tension, et ce circuit basse tension aura des boutons poussoirs, écran, et sonde de températures.

@jef59 j'ai estimé la consommation en pic de mon circuit 3.3V à moins de 0.3A en émission radio (j'ai un fusible de 0.5A en entrée).
Question: est-ce que j'ai tort de me dire que l'émission de chaleur du transformateur 5V peut être ignorée dans ce cas ? En sachant qu'une partie de cette chaleur viendra du régulateur 5V (ou 12V) => 3.3V, et l'autre partie du transformateur 220V CA => 5V (ou 12V)DC

@hbachetti je note la référence pour le relais ! En plus c'est un normally open, je vais regarder ses caractéristiques. Tu as donc un retour positif sur ce dernier ?

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Après soudure, oui.

La prise connectée est en service chez moi depuis plus de 6 ans. Elle est utilisée une fois par jour pour pour mettre en marche TV TFT 55" + ampli + lecteur CD, donc une puissance relativement basse, environ 200W.

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Pour un relais bistable il te faut prévoir deux sorties, deux transistors de commande avec chacun sa résistance et sa diode de roue libre.

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@hbachetti Je me suis réjoui trop vite concernant l'utilisation d'un relais bistable. Je ne dispose que d'une seule ligne de pilotage depuis mon circuit avec microcontrôleur, je vais donc devoir rester sur un relais plus classique pour ce projet (je ne souhaite pas tester la version bistable avec un seul fil pilote).

Concernant le circuit existant qui sera alimenté, et qui pilotera le relais, en voici une image. Ce circuit est mutualisé, d'où le fait que certains éléments ne sont pas présents. Je ne dispose pas de marge de manœuvre pour le faire évoluer.

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Je mets également en pièce jointe le schéma associé
Schematic_Serre-28-04-2024_2024-06-27.pdf (92,8 Ko)

En comparant avec tes propositions de composants et ton schéma, je pensais partir sur ces derniers pour ma situation:

  • Transformateur 5V => IRM-03-5 (3W / 5V)
  • Relais 5V => G5RL-1A-E-LN DC5 (A : SPST-NO; E : High-capacity; LN: Low Noise; DC5 = 5V, 106mA pour la bobine avec une résistance de bobine de 47.2ohm)
  • Transistor de pilotage du relais => 2N3904 (NPN) , avec une intensité maximale de 200mA, un gain entre 40 & 300 (j'ai du mal à lire la datasheet)
  • Diode de roue libre => 1N4148
  • Support de fusible => 0PTF0078P (je pensais mettre un fusible 1A ou 2A sur l'arrivée d'une des phases)

Questions:

  • est-il possible de faire un tour rapide sur ces composants afin de valider que je n'ai pas commis d'erreur de choix ?
  • je n'ai pas vu de résistance positionnée entre le +5V et le relais, est-ce que c'est la résistance de la bobine du relais qui est suffisante dans ce cas ?
  • je n'arrive pas à comprendre quelle valeur de gain prendre en compte à partir de la datasheet, et donc quelle valeur de résistance placer sur mon circuit sur la ligne de pilotage.
  • Le schéma de branchement du relais n'est pas hyper clair, est-il possible de valider que: 1 <=> +5V | 8 <=> masse | 3 ou 6 <=> commun du relais, 4 ou 5 <=> NO du relais)

Je vais commencer les calculs de piste et une ébauche de schéma, et je reviendrais pour les poster. En attendant si vous avez des remarques ou des réponses à apporter, n'hésitez pas !

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Oui, c'est un relais 5V, il n'a pas besoin de R

Pour saturer le transistor, prendre un gain de 10, c'est à dire I collecteur = I de commande du relais, et I base = Ic/10, après tu fais grosso modo (5-0,6)/R = Ib et tu déduis R.

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C'est clairement indiqué qui est quoi.

Bonne continuation

EDIT

Ce n'est pas 5 mais 3.3V en sortie Arduino
Donc R base = (3.3-0,6)x10/Ic avec Ic=106mA donc R base =

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OK pour moi.

Oui, 62.5 Ohms dans le cas du G5RL-1A-E-LN DC5. Le courant sera de 80mA.
EDIT : OK, pour le modèle LN c'est plutôt 106mA et 47.2Ω.

Pour un 2N2222 ou un 2N3904, une valeur de 1KΩ est assez commune.

1 et 8 peuvent être inversés, la bobine n'est pas polarisée.

image
image700×331 9.09 KB

Attention, vue de dessous.

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Ma valeur initiale de 1KΩ est valable pour un relais dont la bobine a une résistance de 70Ω.
Pour une bobine de 47.2Ω, effectivement, la valeur sera plus basse.

En considérant un gain de 30 pour 100mA j'obtiens :
(5-0.6) / (100mA/30) = 1,3kΩ
Il faut diviser par 2 ou 4 pour saturer, donc adopter plutôt au maximum 650Ω.

Un modèle G5RL-1A-E-HR (80mA) permettrait de dissiper moins de calories qu'un G5RL-1A-E-LN (106mA).

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Bonjour,

@hbachetti J'ai remplacé le relais par un G5RL-1A-E-HR comme conseillé.

Pour le calcul d'intensité, mes ventilateurs font 40W mais je suis parti sur des calculs à 220W (1A) de consommation en 220V.

Pour le calcul de la résistance à appliquer sur la diode, la documentation donne un gain de 70 pour 1mA, le relais consommant 80mA, il me faut donc 1.15mA pour piloter le relais. Le relais est alimenté en 3.3V, et la valeur de V_BE de saturation est comprise entre 0.65V et 0.85V, j'obtiens donc
R compris entre (3.3 - 0.85) / 1.15 et (3.3 - 0.65) / 1.15, soit une valeur de résistance entre 2.13k et 2.3k. La résistance de la bobine est de 62.5ohm, l'intensité maximale est bien de 80mA, je prendrais donc une résistance inférieur à 2.13kohm.

J'ai réalisé un premier schéma ainsi qu'un premier PCB.
J'ai choisi de mettre:

  • côté composant, la piste +5V
  • côté cuivre, la piste GND (CC)
  • dans la couche intérieure, les 2 pistes de phase. J'ai mis les 2 pistes dans la même couche, mais je pense avoir la possibilité de les séparer sur deux couches internes, est-ce préférable ?

A cet effet pour les pistes intérieures, j'ai utilisé une piste de 8mm de largeur (dissipation thermique), et un espacement de 2.5mm (complètement surdimensionné)

En pièce jointe le schéma ainsi que le PCB.

Schematic_haute-tension-serre_2024-06-27.pdf (36,6 Ko)

PCB_PCB_haute-tension-serre_2024-06-27.pdf (27,7 Ko)

Gerber_haute-tension-serre_PCB_haute-tension-serre_2024-06-27.zip (13,3 Ko)

Note: je n'ai pas fait attention à la valeur de résistance sur le schéma, cette dernière pouvant être facilement corrigée vu que je la souderai moi même.

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Vous faites une grosse erreur de stratégie en prenant un gain trop elevé pour le transistor.
.ce n'est pas bien grave, ce n'est qu'une résustance à changer.

Il ne faut pas oublier que vous pilotez un relais de 5V, donc la chute de tension Vce doit être la plus faible possible car la tension aux bornes de la bobine du relais c'est 5-Vce.

Plus le transistor est saturé, plus son gain est faible, plus Vce est faible.
Le fabricant décrit l'état saturation pour un gain Ic/Ib = 10, et pas 70.
Avec un gain de 10, vous pouvez escompter un Vce de l'ordre de 0,3V

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A propos du titre de votre PCB.

Beaucoup considérebt le 240V ac comme étant de la haute tension c'est faux, ce n'est que de la basse tension.

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Le Vce est constitué de deux termes qui sont les deux dépendants du courant I collecteur.
Le premier terme est une tension qui apparait dans la théorie des transistors bipolaires.
Le deuxième terme est un terme ohmique qui trouve son origine dans les défauts des techniques de fabrication.

Un transistor est constitué de ce que l'on pourrait appeler un cœur.
Mais pour pouvoir accéder à ce cœur il faut des liaisons qui sont soit des bondings (fil très fins) soit des zones surdopées pour les rendre conductrices, mais ces conducteurs sont imparfaits.

Devant la difficulté de spécifier ces termes, les fabricants donnent la valeur max (c'est à dire basée sur toute la production) du Vcesat et ils la donnent au courant max spécifié dans la datasheet.

Le Vcesat des datasheets est donc un pire cas.
Si on n'est pas au courant max, le Vce à la saturation est plus faible que la valeur de la datasheet.

@debutant_arduino
Dans les semi-conducteurs les caractéristiques varient le plus souvent de ± 30 % selon les lots de fabrication. Et même plus sur le paramètre gain.

Dans le cas d'un transistor utilisé en interrupteur (dans une chaine audio ce sera différent), pour être assuré de saturer le transistor correctement, on prend un gain pratique inférieur au gain min de la datasheet, avec une marge de sécurité.

Quand on n'a pas la datasheet on prend un gain de 10 ou 20 pour un 2n2222.
Ce n'est pas le résultat d'un calcul, le vrai calcul est infaisable (il faut admettre que l'on ne sait pas tout faire), c'est le résultat de l'expérience aidée par le bon sens.

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Merci pour toutes ces précisions trés riches en info.

De mon côté je voulais surtout préciser que si l'on utilise le transistor en interrupteur, par exemple pour commander un relais, on a généralement besoin de pouvoir rendre Vce négligeable.

Dans le cas d'un relais 5V, la tension aux bornes de sa bobine = 5V - Vce

Si Vce est trop important, ou le transistor non saturé, la tension aux bornes de la bobine du relais serra trop faible et le relais non commandé.

En prenant le rapport Ic/Ib = 10, on est sûr d'être en régime saturé, c'est basique, ça n'a bien-sûr pas que des avantages, mais dans le cas d'un relais commandé à fréquence trés basse, ça marche trés bien.

De plus, tout le long de ce sujet, on nous parle échauffement des composants.

Si je raisonne rapidement, entre Collecteur et Émetteur, il y a Ic et Vce qui dissipent Ic X Vce Watts inutilement, donc plus Vce est petit, moins le transistor va chauffer.

D'où ma question suivante, pourquoi ne pas utiliser un transistor MOS canal N avec un trés faible RDS ON?