Comment commuter efficacement un courant ou une tension en toute sécurité avec des relais statiques

Comme le contrôle électronique se répand dans les applications grand public, commerciales, médicales et industrielles, il existe un besoin croissant en circuits à faible tension et à faible courant pour la commutation de circuits à haute tension et à fort courant. Malgré l'utilité des relais électromécaniques (EMR), les relais statiques (SSR) sont souvent privilégiés en raison de leur taille compacte, de leur faible coût, de leur haute vitesse, de leur faible bruit sonore et électrique et de leur fiabilité.

Pour appliquer correctement les relais statiques, les concepteurs doivent comprendre les nuances de leur fonctionnement et de leurs caractéristiques physiques et électriques. Après quoi, ils pourront choisir le bon relais statique en fonction de l'entrée, de la sortie, de la charge et de la condition thermique de l'application pour garantir une conception réussie.

Cet article traite des nuances des relais statiques et de leur mode d'application correct, et présente quelques solutions récentes au problème de commutation de tensions et de courants plus élevés.

Principes de base des relais statiques

Les relais statiques ont des noms variés en fonction du fabricant ou du fournisseur. Par exemple, Omron les appelle relais MOSFET, tandis que Toshiba les appelle photorelais (Tableau 1).

Tableau 1 : Même si le principe de fonctionnement de base reste le même, les différents fournisseurs utilisent des désignations variées pour leurs relais statiques, certaines pour surligner l'implémentation SSR unique ou propriétaire. (Source de l'image : Omron Corp.)

Indépendamment de la nomenclature utilisée, le principe de fonctionnement reste le même et constitue une extension des photocoupleurs qui sont largement utilisés et connus. Leur forme la plus simple présente une LED côté entrée et un phototransistor côté sortie, qui sont séparés par un chemin optique de l'ordre de quelques millimètres (Figure 1). En fonction des niveaux de tension et de courant, il est possible d'utiliser un thyristor ou TRIAC photosensible au lieu du phototransistor.

Figure 1 : La configuration physique d'un photocoupleur semble simple : une LED convertit l'énergie électrique en photons, qui alimentent à leur tour le phototransistor pour entraîner une faible chute de tension V_BE ; le chemin optique garantit l'isolation galvanique. (Source de l'image : Technogumbo)

Lors de l'alimentation de la LED, les photons générés alimentent le phototransistor, qui passe en mode conducteur pour permettre la circulation du courant vers la charge. Il s'agit de l'état « passant ». Lorsque la LED est éteinte, le phototransistor est éteint ou non conducteur et s'apparente à un bon circuit ouvert (bien que non parfait).

L'isolation galvanique entre la LED et le phototransistor se situe généralement dans une plage de quelques milliers de volts, en raison de la séparation LED/phototransistor, ainsi que la barrière isolante optiquement transparente. Il est à noter que l'isolation constitue un paramètre de claquage de tension et n'est pas la même chose que la résistance d'entrée à sortie, qui est de l'ordre de 1000 à 1 million MΩ (souvent simplement appelée la résistance « infinie »). Le temps de commutation entre les états passant et bloqué est typiquement spécifié à quelques microsecondes.

Cependant, un relais statique complet est plus qu'une LED et un phototransistor ou un thyristor/TRIAC photosensible. Il nécessite également des circuits et des fonctions supplémentaires sur le côté entrée de la LED et le côté sortie photosensible (Figure 2).

Figure 2 : Un relais statique complet requiert des circuits et des fonctions supplémentaires sur le côté entrée de la LED et le côté sortie photosensible. (Source de l'image : Omron Corp.)

Même si les relais statiques sont des dispositifs relativement simples, quelques considérations d'intégration liées à l'entrée, à la magnitude et au type de charge isolée, ainsi que des circonstances spéciales doivent être prises en compte avant toute utilisation.

Lors de la sélection d'un relais statique, le concepteur doit connaître le type (CA ou CC) et le niveau de commande d'entrée, ainsi que les caractéristiques de charge, notamment le courant maximum, la tension maximum et le type (CA ou CC). Certains relais statiques peuvent être commandés avec des tensions s'étendant de quelques volts à des dizaines de volts ou plus, même si les entrées à plus basse tension sont de plus en plus courantes et mieux compatibles avec les composants électroniques modernes pour des raisons de sécurité et de rendement.

Si le circuit d'attaque d'entrée est CC, il peut commander directement la LED d'entrée du relais statique. Dans le cas d'un circuit CA, le concepteur doit ajouter un pont redresseur en amont du relais statique. Il est probable qu'un relais statique par ailleurs identique soit disponible avec le pont déjà intégré dans l'unité. L'option de redressement interne est souvent un choix judicieux, car elle permet d'éviter les problèmes de configuration délicats, tout en fournissant des performances entrée/sortie entièrement spécifiées. La sensibilité d'entrée typique d'un relais statique s'étend jusqu'à environ 6 mW.

Le côté sortie du relais statique est légèrement plus complexe que l'entrée, selon la nature de la charge. Si la sortie du relais statique n'est qu'un transistor, un FET ou un simple thyristor, elle est unidirectionnelle. Par conséquent, l'utilisation n'est possible qu'avec des charges CC, par exemple des appareils de chauffage à alimentation non linéaire. Pour les charges CA, un couplage TRIAC ou thyristor est utilisé. Les fournisseurs proposent souvent des relais statiques similaires avec des sorties CC uniquement ou CA. En général, les relais statiques à sortie CA peuvent également être utilisés pour CC. Les caractéristiques de sortie couvrent une large plage de quelques volts ou ampères à des dizaines et des centaines de volts ou ampères.

Options de relais statiques : contacts NO/NC et multipolaires

Un relais statique standard présente une configuration à sortie simple normalement ouverte (NO). Cependant, de nombreuses applications nécessitent la configuration opposée, normalement fermée (NC), où l'étage de sortie s'ouvre lorsque l'alimentation est appliquée à l'étage d'entrée. En outre, d'autres conceptions nécessitent simultanément une action NO et NC, et même une combinaison d'un pôle de contact NO, d'un pôle de contact NC et éventuellement de quelques pôles de contact supplémentaires.

Pour répondre au besoin de contacts NO, NC et multipolaires, les utilisateurs peuvent ajouter des circuits de sortie personnalisés, mais cette approche présente au moins quatre problèmes. Premièrement, comme il s'agit d'un scénario à haute tension et/ou à fort courant, la conception présente donc plusieurs défis inhérents. Deuxièmement, le système doit être conforme aux différentes normes de sécurité réglementaires. Troisièmement, il s'agit d'une tâche supplémentaire dans un projet. Quatrièmement, la vérification des performances obtenues est complexe.

Alternativement, les utilisateurs peuvent inverser le signal d'entrée via un petit circuit de manière à ce que le relais statique NO soit fermé en l'absence de signal et ouvert lorsqu'un signal d'entrée est appliqué. Cependant, cela génère des problèmes de sécurité potentiels concernant l'état de sortie du relais statique en cas de panne d'alimentation du côté entrée, dans la mesure où la sortie du relais revient à son état NO « natif ». Rappelons que les alimentations d'entrée et de sortie d'un relais statique sont indépendantes selon la définition de l'isolation. Ainsi, le concepteur peut ne pas être en mesure de garantir un mode de sortie fiable.

Dans les cas nécessitant une configuration multipolaire, plusieurs relais statiques peuvent être commandés en série ou en parallèle. C'est une solution viable, mais elle nécessite une prise en compte particulière de la tension et du courant d'attaque requis, ainsi que des conséquences d'une panne d'un dispositif dans une topologie en série ou en parallèle. L'utilisation de plusieurs relais statiques augmente également la nomenclature et occupe plus d'espace sur la carte.

Pour répondre à ces besoins en contacts NO/NC et multipolaires, les fournisseurs ont ajouté des circuits supplémentaires dans les relais statiques pour fournir différentes configurations de sortie, entièrement testées et certifiées. La plupart de ces relais statiques sont disponibles dans des gammes avec des spécifications similaires, à l'exception des spécificités de la configuration de sortie, ce qui simplifie leur sélection et leur utilisation.

Par exemple, IXYS Integrated Circuits Division propose trois relais statiques dotés de performances presque identiques et un isolement entrée/sortie de 3750 V_RMS, mais avec des structures de sortie différentes :

• Le LAA110 comprend deux relais unipolaires, NO (1-Forme A), chacun répertorié pour 350 V/120 mA (CA ou CC), et il est disponible dans des boîtiers plats, DIP CMS à 8 broches (Figure 3).

Figure 3 : Le LAA110 d'IXYS est un relais statique basique à deux canaux, doté de deux entrées indépendantes et de leurs sorties NO respectives. (Source de l'image : IXYS)

• Le LCC110 présente une paire de contacts NO/NC (1-Forme-C) commandée par une entrée simple avec les mêmes caractéristiques et boîtiers que le LAA110 (Figure 4).

Figure 4 : Le LCC110 d'IXYS est un relais statique basique à deux canaux, doté d'une entrée simple commandant un pôle de sortie NC et un NO. (Source de l'image : IXYS)

• Le LBA110 est constitué de deux relais indépendants : un relais unipolaire, normalement ouvert (1-Forme-A) et un relais unipolaire, normalement fermé (1-Forme-B), toujours avec les mêmes caractéristiques globales et options de boîtier (Figure 5).

Figure 5 : Le LBA110 d'IXYS, un autre produit de la gamme, est un relais statique à deux canaux doté d'entrées séparées pour chacun des pôles de sortie NC et NO. (Source de l'image : IXYS)

Un ensemble d'options similaires est disponible pour la plupart des gammes de relais statiques à plus haute puissance. Il peut être tentant de simplement mettre en parallèle plusieurs sorties de relais statiques pour atteindre la valeur requise si le courant nominal d'un seul relais statique à plus faible courant n'est pas adapté. En général, cependant, cette pratique de conception n'est pas conseillée pour plusieurs raisons.

Tout d'abord, les relais statiques avec les mêmes caractéristiques nominales ne correspondent pas toujours parfaitement. Ainsi, un relais statique pourrait finir par traiter plus de courant que l'autre, le sollicitant au-delà de ses limites de courant et de température, ce qui provoquerait une défaillance prématurée. Ensuite, si l'un des relais statiques présente une panne pour une raison quelconque, les autres seront en surcharge et tomberont successivement en panne. Par conséquent, il est préférable de sélectionner un seul relais statique doté des caractéristiques de sortie adaptées.

Protection et limites d'un relais statique

Même si les relais statiques sont assez robustes, il arrive qu'ils nécessitent une protection supplémentaire. Pour les relais statiques commutant des charges CA résistives (non inductives), comme les éléments chauffants des ampoules à incandescence, il peut être nécessaire de spécifier qu'un relais statique synchrone active/désactive la sortie uniquement aux passages par zéro de la ligne CA, indépendamment de la synchronisation du signal de commande d'entrée (Figure 6).

Figure 6 : Un relais statique synchrone est conçu pour commuter sa sortie uniquement aux passages par zéro de la ligne CA pour limiter la génération d'interférences électromagnétiques : a) formes d'ondes de relais statiques non synchrones pour une charge résistive ; b) formes d'ondes de relais statiques synchrones pour une charge résistive. (Source de l'image : Crydom, via Omega Engineering)

La commutation uniquement aux passages par zéro permet de limiter ou d'éliminer le bruit rayonné ou de ligne résultant de l'initialisation ou de l'arrêt de la forme d'onde de sortie CA en cours de cycle. Toutefois, les concepteurs doivent être conscients que les relais statiques à passage par zéro peuvent ne pas être capables de s'arrêter avec des charges hautement inductives. À cet effet, les fournisseurs de relais statiques offrent également des relais statiques dits à commutation aléatoire qui s'activent et se désactivent à l'instant requis par la transition d'entrée. Le concepteur doit cependant comprendre la charge et choisir le relais statique adapté dans le catalogue du fournisseur.

Des considérations thermiques sont également à prendre en compte, en raison des pertes internes issues de l'utilisation d'un relais statique. Même si la sortie est active, l'élément actif présente une chute faible, mais critique, comme dans le cas d'un MOSFET commandant un moteur, par exemple. La chaleur générée doit être dissipée par le relais statique. Ainsi, les fournisseurs proposent des relais statiques avec des spécifications définissant la température de fonctionnement admise à charge maximale, ainsi que les courbes de détarage thermique. L'environnement thermique des relais statiques peut être modélisé à l'aide d'outils standard. Les relais statiques plus grands et générant plus de chaleur peuvent nécessiter des configurations de dissipation thermique plus complexes, tandis que ceux de petite taille peuvent souvent utiliser des dissipateurs thermiques standard.

Les relais statiques dédiés aux charges plus élevées avec des exigences de dissipation thermique supérieures présentent également des configurations physiques de plus en plus larges. Les relais statiques sont disponibles dans des logements s'étendant de SOIC à 6 broches pour les petites charges, aux grands modules pour les charges élevées, ainsi que des boîtiers à montage sur panneau, sur rail ou autonomes.

Par exemple, le relais statique LH1510 de Vishay, un dispositif SPST-NO (1-Forme-A), est répertorié pour un fonctionnement de 200 V à 200 mA, et il est logé dans un boîtier DIP ou CMS à 6 broches standard (Figure 7). Il peut être utilisé avec des charges CA ou CC (Figure 8). Malgré sa taille compacte, ce relais statique fournit des caractéristiques d'isolement de crête transitoire de 8000 V_RMS et continu de 5300 V_RMS.

Figure 7 : Le relais statique LH1510 basse consommation de Vishay est un dispositif SPST-NO répertorié à 200 V à 200 mA, disponible dans un boîtier à montage en surface à 6 broches et en logement DIP. (Source de l'image : Vishay Semiconductors)

Figure 8 : En raison du nombre de broches disponibles sur le boîtier, le LH1510 peut être configuré pour une sortie CA/CC ou une sortie CC uniquement, mais avec des spécifications légèrement différentes pour chaque mode. (Source de l'image : Vishay Semiconductors)

En revanche, la série EL240A de relais statiques à montage sur panneau à sortie CA de Crydom/Sensata Technologies prend en charge des caractéristiques de sortie de 5 A, 10 A, 20 A et 30 A de 24 à 280 VCA, avec des options pour des entrées de commande de 5, 12 et 24 VCC. Pour ce niveau de puissance, les relais statiques sont fournis dans des modules plus grands mesurant 36,6 mm x 21,1 mm x 14,3 mm avec des bornes à connexion rapide (Figure 9). Il est à noter que la taille physique globale n'est pas une indication des performances d'isolement, car ce module plus grand est répertorié pour un isolement de 3750 V_RMS, soit légèrement inférieur par rapport au boîtier Vishay à 6 broches plus petit.

Figure 9 : La série EL240A de relais statiques de Crydom/Sensata Technologies supporte des courants jusqu'à 30 A et des entrées de commande jusqu'à 24 VCC. (Source de l'image : Crydom/Sensata Technologies)

La charge de la série EL240A peut être connectée à l'une ou l'autre des branches de sortie, offrant une meilleure flexibilité de conception (Figure 10). La plus grande taille de ces modules permet aux fournisseurs d'ajouter un voyant LED (également illustré à la Figure 10) pour une évaluation visuelle rapide du statut d'entrée du relais statique.

Figure 10 : La charge peut être connectée à l'une ou l'autre des branches de sortie de la série EL240A pour offrir une meilleure flexibilité de conception. (Source de l'image : Crydom/Sensata Technologies)

Voir au-delà des relais statiques

Comme avec la plupart des dispositifs électriques, il existe d'autres problèmes que ceux relatifs à la puissance maximale externe, la tension, le courant et la dissipation thermique. Le câblage physique du relais statique, les barres-bus ou les pistes de circuit imprimé doivent également être dimensionnés pour transporter la charge de courant sans une chute IR excessive. De même, toutes les connexions au relais statique doivent être dimensionnées et répertoriées de manière adéquate, que ce soit avec des fils, des douilles ou une soudure sur la carte à circuit imprimé.

Même à de faibles niveaux de courant, le relais statique peut commuter de plus hautes tensions. Dans ce cas, le souci porte sur la sécurité de l'utilisateur, notamment le dégagement minimal réglementaire et la fuite en surface par rapport à la tension (Figure 11). Ces exigences sont définies notamment par les normes CEI/UL 60950-1, CEI 60601-1, EN 60664-1:2007 et VDE 0110-1.

Figure 11 : Le dégagement (haut) est le chemin le plus court entre deux composants conducteurs, ou entre un composant conducteur et la surface de délimitation de l'équipement, mesuré à l'air libre. La fuite en surface (bas) est le chemin le plus court entre deux composants conducteurs, ou entre un composant conducteur et la surface de délimitation de l'équipement, tel que mesuré le long de la surface d'isolement entre eux. (Source de l'image : Optimum Design)

Le dégagement désigne le chemin le plus court entre deux composants conducteurs, ou entre un composant conducteur et la surface de délimitation de l'équipement, mesuré à l'air libre. La fuite en surface désigne le chemin le plus court entre deux composants conducteurs, ou entre un composant conducteur et la surface de délimitation de l'équipement, tel que mesuré le long de la surface d'isolement entre eux. La conformité aux exigences de ces deux paramètres permet d'éviter les contournements, la formation d'étincelles ou l'exposition de l'utilisateur à de hautes tensions.

Si le relais statique peut être répertorié pour fournir plusieurs milliers de volts d'isolement, il est essentiel que toutes les connexions au relais statique maintiennent la distance réglementaire pour la certification des tensions utilisées.

Les relais statiques peuvent également nécessiter une protection externe. Un relais statique à charge CA peut présenter des pointes haute tension lorsque ses charges inductives propres ou adjacentes sont désactivées, ce qui risque d'endommager la structure de sortie du relais statique. La solution la plus courante consiste à placer un ou plusieurs éléments de protection comme une varistance à oxyde métallique (MOV) ou un suppresseur de tension transitoire (TVS) sur les bornes de charge du relais statique en tant que bloqueurs de tension (Figure 12).

Figure 12 : La sortie du relais statique peut nécessiter une protection externe contre les pointes de tension, comme celles générées par la commutation des charges inductives. Cette protection peut être fournie par une varistance à oxyde métallique ou un suppresseur de tension transitoire. (Source de l'image : Phidgets, Inc.)

Le dimensionnement de ces dispositifs requiert une analyse de la magnitude v = L(di/dt) de la charge. Si la tension nominale MOV est trop élevée, aucune protection n'est fournie contre les pointes de valeur inférieure, ce qui peut toujours endommager le matériel ; en revanche, si la tension est trop faible, le déclenchement sera fréquent, ce qui entraîne la détérioration et l'usure des varistances MOV par les pointes de surtension répétées.

De plus, la commutation marche/arrêt d'une charge inductive à l'aide d'un relais statique CA avec une sortie de TRIAC ou de thyristor entraîne une surtension transitoire dv/dt pouvant causer une activation erronée du relais statique. Bien que ce faux allumage n'endommage pas le relais statique comme le ferait un pic de tension induit par di/dt, il reste évidemment un problème. Pour éviter cet événement, un circuit d'amortissement RC est également ajouté pour supprimer la hausse soudaine de la tension observée par le TRIAC (Figure 13).

Figure 13 : Un circuit d'amortissement RC de la sortie du relais statique prévient l'activation erronée causée par les charges inductives. (Source de l'image : Omron Corp.)

Le cas des relais statiques CC est similaire, quoique légèrement plus simple. Si la charge est inductive, la pointe de courant générée lors de sa désactivation peut endommager la sortie ouverte du relais statique. La solution standard serait de connecter une diode à sa cathode sur la borne positive afin de fournir un chemin de contournement du relais statique pour la circulation et la dissipation du courant (cette technique est également utilisée avec les bobines des relais électromagnétiques et des solénoïdes).

Conclusion

Les relais statiques sont des composants extrêmement utiles et puissants pour la commutation marche/arrêt des charges CA et CC, tout en fournissant également un isolement électrique entre la commande et la charge. Ils sont intrinsèquement robustes et faciles à appliquer, mais les concepteurs doivent soigneusement évaluer l'entrée, la sortie, la charge et les conditions thermiques pour sélectionner un relais statique approprié et l'utiliser pour réaliser de manière fiable ses capacités de performances.