Dépannage des relais statiques : le problème vient-il du SSR ou du circuit ?

Un relais statique présente des défaillances liées à des principes physiques différents de ceux du relais mécanique qu’il a remplacé. Si vous le testez en appliquant les méthodes habituelles utilisées pour les relais mécaniques, vous risquez d’être induit en erreur. Sa sortie à semi-conducteurs présente une fuite de courant lorsqu’elle est désactivée ; elle peut sembler hors service sur un multimètre et fonctionner correctement sur un autre, et elle tombe le plus souvent en panne dans le sens où on s’y attend le moins. Ce guide présente la séquence de diagnostic sur site : les schémas de symptômes mis en relation avec la structure interne qui les sous-tend, les conditions de circuit dans lesquelles le relais n’est pas en cause, ainsi que des spécifications de remplacement que vous pourrez justifier.

Est-ce le SSR ? Trois vérifications à effectuer avant de remplacer quoi que ce soit

Effectuez trois contrôles dans l'ordre. Chacun d'entre eux permet d'écarter une catégorie d'erreurs de diagnostic.

Vérification n° 1 : le signal de commande arrive-t-il bien ? Mesurez les bornes d'entrée lorsque le contrôleur est en position “ marche ”. Les relais statiques à entrée CC acceptent généralement une tension comprise entre environ 3 et 32 V CC, et ceux à entrée CA entre environ 90 et 280 V CA ; la plage exacte est indiquée sur l'étiquette. Si la tension d'entrée est présente mais qu'il n'y a pas de commutation, le relais statique est probablement en cause. L'absence de tension indique que le défaut se situe en amont : au niveau de la sortie du contrôleur, du câblage ou d'une borne mal fixée.

Point 2. Mesurez le courant de charge, et pas seulement la tension. L'erreur de diagnostic la plus courante sur le terrain concernant les circuits SSR concerne la mesure de tension. Un SSR à l'état bloqué laisse toujours passer un faible courant de fuite (phénomène inhérent à sa conception, et non un défaut) ; or, en présence d'un circuit ouvert ou d'une charge à haute impédance, ce courant de fuite fait monter la tension aux bornes de sortie à un niveau proche de la tension secteur maximale (tension fantôme). Une pince-ampèremètre ne ment pas : le courant est proche de zéro lorsque l'appareil est éteint, et proche de la charge nominale lorsqu'il est allumé. Utilisez le mode LoZ (basse impédance) si celui-ci est disponible, car il charge le circuit et met en évidence les tensions fantômes. Une lampe d'essai à incandescence de 60 à 100 W convient également.

Point 3. Anticipez les défaillances auxquelles vous ne vous attendez pas. Voici un point qui va à l'encontre de l'intuition, et ce guide y reviendra : lorsqu'un SSR tombe en panne, c'est généralement en position « fermée ». La sortie reste activée. Un relais qui ne s'active pas est le plus souvent dû à un problème de circuit ou d'entrée plutôt qu'à une sortie défectueuse. Un relais qui ne se désactive pas est souvent dû au relais lui-même.

Une mise en garde avant d'ouvrir le panneau :

Les symptômes du SSR décryptés : ce que chacun signifie et ce qu'il faut vérifier en premier lieu

Chaque défaut SSR se présente sous la forme de l'un des quelques schémas récurrents. Identifiez celui qui correspond au vôtre, consultez la colonne « Première vérification », et le tableau vous indiquera la structure interne qui l'explique.

Guide de référence rapide sur les symptômes du SSR

Deux de ces cas de figure, à savoir “ ne s'éteint pas ” et “ sortie en direct ”, correspondent à des situations où les SSR en état de marche sont remplacés gratuitement, car ces deux cas sont identifiés à partir de mesures de tension rendues peu fiables par les fuites des semi-conducteurs.

Pourquoi les SSR tombent-ils en panne de cette manière ? Quatre structures internes à l'origine des symptômes

Les quatre composants présents dans chaque SSR (entrée, sortie, commutation, thermique) expliquent chacun une famille de symptômes. Une fois que l’on comprend le mécanisme, le diagnostic n’est plus une question de devinettes.

L'étage d'entrée : pourquoi l“” absence de réponse » est généralement due à un problème de mesure

L'entrée est constituée d'une LED branchée en aval d'un limiteur de courant constant, qui maintient généralement le courant à environ 20 mA, quelle que soit la tension d'entrée (control.com). Cette conception offre à l’une des entrées une large plage de tension, ce qui modifie la manière de la tester : en mode « test de diode », un relais statique (SSR) à entrée CC devrait afficher une tension directe comprise entre environ 1,2 et 2,0 V aux bornes de l’entrée. Deux pièges sont à éviter.

• “ OL ” ne signifie pas que le relais est hors service. De nombreux multimètres ne peuvent pas augmenter suffisamment la tension de test des diodes pour allumer la LED, et les relais statique à entrée CA (ou à entrée CC supérieure à environ 5 V) ne peuvent tout simplement pas faire l'objet d'un test de diode. Un même relais donne des résultats différents selon les multimètres. La mesure dépend du multimètre utilisé et ne reflète pas la réalité du relais.
• Les entrées sont sensibles à la polarité et fragiles. Une inversion de polarité ou un pic de surtension au niveau de l'entrée est le cauchemar classique des bricoleurs. Vérifiez la polarité au niveau des bornes avant de soupçonner le relais.

L'étage de sortie : pourquoi les SSR restent bloqués en position fermée, présentent des fuites et induisent votre compteur en erreur

La sortie est constituée d'un commutateur à semi-conducteurs (un TRIAC ou une paire de thyristors montés dos à dos pour les charges en courant alternatif, des MOSFET pour le courant continu) sans contacts mécaniques. Trois conséquences sont à l'origine de la plupart des confusions rencontrées dans la pratique.

On ne peut pas le tester comme un contact. Le bon fonctionnement d'un relais mécanique se juge à sa résistance. La résistance d'un semi-conducteur dépendant de la tension et du courant appliqués par le multimètre, les mesures passives ne sont qu'indicatives. Le test définitif s'effectue dans des conditions réelles de fonctionnement : mettez l'entrée sous tension et observez le comportement de la sortie en charge.

Lorsqu'il tombe en panne, c'est généralement à cause d'un court-circuit. Les manuels d'ingénierie sont formels : les relais statiques ont tendance à présenter des défaillances de type « court-circuit » au niveau de leurs sorties, tandis que les contacts électromécaniques ont tendance à présenter des défaillances de type « ouverture » (Tout savoir sur les circuits). Un SSR défectueux a beaucoup plus de chances de laisser sa charge sous tension en permanence que de la couper.

Il y a une fuite, et cette fuite ressemble à un mensonge. La fuite hors état est faible (inoffensive pour la plupart des charges, mesurable à l'aide d'instruments) et propre aux composants à semi-conducteurs : les contacts électromécaniques assurent une coupure purement mécanique, sans courant de fuite (Texas Instruments, Notions de base sur les relais statiques, 2024). Si l'on multiplie cette fuite par la charge en circuit ouvert, la tension de sortie s'élève alors à une valeur proche de la tension du réseau. C'est cette valeur de « tension fantôme » qui a été relevée lors du contrôle n° 2. Le relais fonctionne correctement. Le circuit est ouvert. Le multimètre est induit en erreur.

L'étage de commutation : passage par zéro ou mise en marche aléatoire

Les sorties à thyristors restent conductrices jusqu’à ce que le courant de charge passe en dessous d’un seuil de maintien ; ainsi, un relais statique à sortie CA ouvre le circuit près du point zéro du courant plutôt qu’au milieu du cycle, ce qui évite aux charges inductives les pics de coupure générés par les contacts mécaniques (Tout savoir sur les circuits). Les relais à déclenchement au passage par zéro étendent ce principe à la fermeture : ils s'activent au passage par zéro de la tension, de sorte qu'une charge résistive subit une surtension de commutation minimale. Les relais à déclenchement aléatoire (instantané) s'activent à la demande. Ils sont nécessaires pour la régulation par angle de phase ou lorsque la commutation doit être immédiate.

Une mauvaise utilisation de ces deux éléments peut s'avérer mortelle. Le déclenchement à un instant défavorable de la forme d'onde, ou la commande d'une charge dont le courant d'appel dépasse la capacité de crête du relais, sollicite excessivement la puce de sortie et finit par provoquer un court-circuit en sortie. Si le même point de commutation présente des défaillances répétées, vérifiez l'adéquation du type de commutation à la charge avant de contrôler le relais.

La phase thermique : les calculs de déclassement à l'origine de la “ surchauffe ”

Un SSR en conduction présente une chute de tension directe. Une chute d'environ un volt au courant nominal est courante pour les modèles à sortie CA (vérifiez la valeur indiquée dans la fiche technique), tandis que les modèles à sortie CC présentent une chute moindre. Cette chute, multipliée par le courant, génère de la chaleur à chaque cycle ; comme les contacts ne restent pas ouverts pour refroidir, cette chaleur doit être dissipée par la plaque de base, l'interface thermique et le dissipateur thermique. Les coefficients de déclassement publiés illustrent bien les enjeux : un fabricant, par exemple, évalue un module à 25 A sur une plaque de base à 25 °C, mais à seulement 15 A environ sur une plaque de base à 60 °C. Une charge qui fonctionnait correctement en hiver peut dépasser sa capacité nominale dès l’été, sans qu’aucun composant n’ait été remplacé.

Ainsi, lorsqu'un boîtier chauffe excessivement, mesurez le courant réel (et non celui indiqué sur la plaque signalétique), puis vérifiez les quatre maillons de la chaîne thermique : de la plaque de base au matériau d'interface, de l'interface au dissipateur thermique, du dissipateur thermique à l'air, et la température ambiante. Acheter un relais statique (SSR) plus puissant est souvent une mauvaise solution pour remédier à une chaîne thermique défaillante.

Quand les règles changent : charges, sécurité et environnement

Ces quatre types de structures expliquent la plupart des défaillances. Cette section traite des exceptions : les charges, les exigences de sécurité et les environnements dans lesquels les règles habituelles ne s'appliquent plus.

Types de charges : ce que chacune exige du SSR

Toutes les charges ne sont pas identiques pour un SSR, et ces différences se traduisent par des défaillances sur le terrain :

Limites des types de charge pour la sélection des SSR

Limites de sécurité : un relais qui reste enclenché en cas de défaillance ne peut protéger personne

Comme il se ferme par défaut en cas de défaillance, un SSR est un actionneur, jamais un dispositif de sécurité. Trois pratiques permettent d’en assurer la fiabilité. Premièrement, tout ce qui doit fonctionner en mode « fail-safe » (éléments chauffants susceptibles de surchauffer, entraînements devant s’arrêter) nécessite un relais électromécanique ou un contacteur monté en série, de sorte qu’un arrêt délibéré ou une coupure de l’alimentation de commande entraîne une véritable déconnexion mécanique. Les ingénieurs en activité donnent le même conseil pour la même raison : les SSR tombent le plus souvent en position fermée, il faut donc anticiper cela (electronics.stackexchange). Deuxièmement, protégez le SSR à l'aide d'un fusible à semi-conducteur à action rapide au niveau de la sortie. Selon la classification de la norme CEI 60269, les fusibles de classe aR protègent les semi-conducteurs contre les courts-circuits, tandis que ceux de classe gR protègent également contre les surcharges. Les fusibles classiques sont trop lents pour sauver une puce en court-circuit ; c'est pourquoi les fabricants de SSR préconisent une protection à action rapide (Littelfuse). Troisièmement, lorsqu'une sortie bloquée peut provoquer la mise hors service d'un processus, prévoyez un système indépendant de surveillance de la température ou du niveau qui coupe l'appareil monté en série. Ne comptez jamais sur le relais statique (SSR) pour se déconnecter de lui-même.

Environnement et usure : les relais statiques s'usent-ils ?

Comme elles ne comportent aucune pièce mobile, elles ne s'usent pas comme le font les contacts. Mais elles ne sont pas éternelles. Texas Instruments répertorie les véritables causes de dégradation : le flux lumineux de la LED interne diminue en cas de surchauffe ou de surintensité prolongées, et l'isolation se détériore avec le temps (Texas Instruments, Notions de base sur les relais statiques, 2024). En pratique, la durée de vie d’un relais statique (SSR) dépend de son historique thermique (la température atteinte par la puce et la durée d’exposition à cette chaleur), et non d’un compteur de cycles. En respectant les coefficients de déclassement liés à la température ambiante et en veillant à ce que le boîtier reste propre et bien ventilé, un relais statique durera plus longtemps que les contacteurs de la machine. En revanche, si vous le faites fonctionner à la limite de sa courbe de déclassement dans une armoire surchauffée, il rendra l’âme prématurément, comme on pouvait s’y attendre.

Choisir le produit de remplacement : lire l'ancienne étiquette, recalculer la charge

Une fois le diagnostic établi et s'il s'avère que le SSR est bel et bien hors service, commandez une pièce de rechange en copiant les paramètres, puis vérifiez à nouveau les trois paramètres qui ne peuvent pas être copiés.

Recopie ces cinq éléments de l'ancienne étiquette. Ces informations figurent sur chaque étiquette de SSR et constituent l'intégralité des spécifications : (1) plage et type de tension d'entrée (entrée CC ou CA) ; (2) type de sortie, CA (TRIAC/SCR) ou CC (MOSFET) ; (3) la tension nominale de charge de sortie ; (4) l'intensité nominale de sortie ; (5) le mode de montage et le format (montage sur panneau de type “ palet de hockey ”, rail DIN ou carte de circuit imprimé).

Ensuite, recalculez ces trois éléments (sans les copier) :

• Courant de charge. L'ancienne valeur nominale a été choisie pour une charge susceptible d'avoir changé. Mesurez le courant de fonctionnement réel. Pour les charges résistives, la pratique industrielle consiste à prévoir une marge par rapport au courant continu (généralement de l'ordre de 1,2 à 1,5 fois la valeur nominale) ; quant aux charges sujettes aux pics de courant, il convient de vérifier qu'elles ne dépassent pas la capacité de pointe du relais, conformément au tableau des charges ci-dessus.
• Type de chargement. Si quelqu'un a modifié le circuit depuis son installation (ajout d'un moteur à un circuit de chauffage, remplacement de lampes à incandescence par des modules LED), les hypothèses relatives à la puissance nominale de l'ancien relais ne sont plus valables.
• Type de commutation. Commutation au passage à zéro pour les charges résistives, mise en marche aléatoire lorsque vous avez besoin d'une commutation immédiate ou contrôlée en phase. Acheter “ la même référence ” revient à reproduire une erreur si le choix initial était erroné.

Et ne remplacez surtout pas l'ancien relais s'il est à l'origine du problème. S'il s'agit de la troisième panne au même endroit, réparez d'abord la chaîne thermique, le pic de charge ou le fusible de protection manquant, puis installez la pièce de rechange.

Stockage et vente de pièces de rechange SSR : ce que les types de défaillance révèlent aux distributeurs

Pour tous ceux qui stockent ou fournissent des SSR de rechange, ces schémas constituent un guide d’achat, et pas seulement des notes de réparation. Étant donné qu’un SSR défectueux reste bloqué en position fermée, la demande sur le marché de la réparation est permanente. Chaque sortie bloquée et chaque élément chauffant hors service se traduit par une commande de remplacement, et la première question de l’acheteur ne porte presque jamais sur la marque. Elle est plutôt : “ De quoi ai-je besoin pour trouver un équivalent ? ” Les cinq paramètres de référence ci-dessus constituent les véritables critères de gestion des stocks : type et plage d’entrée, type de sortie, classe de courant, montage. Sur ce marché, un rayonnage organisé par paramètres est plus efficace qu’un rayonnage organisé par marque. Et comme les causes profondes se situent en dehors du relais (chaîne thermique, pic de charge, protection manquante), le fournisseur qui demande “ sur quelle charge est-il monté, et avec quel fusible est-il protégé ? ” vend une solution de circuit, et non un simple composant.

Si vous préférez ne pas choisir un relais de remplacement de mémoire, envoyez-nous l'étiquette de l'ancien relais ainsi que les détails de votre charge. OMCH’s aide à la sélection de produits en fonction des spécifications Nous recherchons les composants correspondant à vos spécifications et à vos plans dans notre catalogue regroupant plus de 30 catégories et plus de 3 000 modèles standard, et nos ingénieurs vérifient la fiche technique avant que vous ne validiez votre commande. Chaque relais statique que nous expédions bénéficie d'une garantie d'un an, et notre assistance technique est disponible 24 heures sur 24 pour vous aider à résoudre les pannes qui sortent des sentiers battus.

Références

1. Texas Instruments (José Rojo). “ Les bases des relais statiques ”. Juillet 2024. https://www.ti.com/lit/pdf/slvafu8
2. Tout sur les circuits, Leçons sur les circuits électriques — “ Relais statiques ”.” https://www.allaboutcircuits.com/textbook/digital/chpt-5/solid-state-relays/
3. Articles techniques de control.com. “ Dépannage des relais statiques ”. 2020. https://control.com/technical-articles/troubleshooting-solid-state-relays/
4. Fluke. “ Multimètres numériques à double impédance ”.” https://www.fluke.com/en-gb/learn/blog/digital-multimeters/dual-impedance-digital-multimeters
5. Littelfuse. “ Relais statiques — Protection contre les courts-circuits par fusible ” (fiche technique de la série SRP1 CB). https://www.littelfuse.com/assetdocs/srp1-cb-datasheet?assetguid=99127494-71ef-4479-ab9d-0a4a4d9894e0
6. electronics.stackexchange. “ Protection contre la défaillance d’un relais statique en position fermée ”. 2019. https://electronics.stackexchange.com/questions/417585/protecting-against-a-ssr-failing-closed
7. OMCH. “ Relais statique — Principe de fonctionnement ” (exemple de déclassement cité dans ce guide). https://www.omch.com/solid-state-relay/
8. OMCH. “ Service de sélection de produits ”.” https://www.omch.com/product-selection/
9. OMCH. Page d’accueil de l’entreprise. https://www.omch.com/