Qu'est-ce qu'un relais statique ? Le guide ultime pour 2025

Au-delà du clic : Qu'est-ce qu'un relais statique ?

Le son distinctif d'un relais conventionnel est bien connu dans le domaine de l'électronique et du contrôle industriel avec son clic-clac révélateur. Physiquement, il s'agit de la trace acoustique d'un interrupteur électromécanique (EMR) qui transforme un circuit, ferme un circuit et éteint une charge.

Cela a été la norme au cours des deux dernières décennies. Mais qu'en est-il lorsque la commutation peut être effectuée silencieusement, immédiatement et avec une durée de vie supérieure de plusieurs ordres de grandeur ? C'est le domaine du relais statique (SSR).

Fondamentalement, un relais statique est un circuit de commutation électronique qui exécute la même tâche qu'un relais électromécanique, mais sans pièces mobiles. L'état solide est un terme de catégorie. Il s'agit du domaine de la physique et de l'électronique qui décrit le comportement de l'état solide du courant transmis dans les matériaux semi-conducteurs. Contrairement aux contacts physiques qui sont réunis par la force d'un électro-aimant créant un champ magnétique, un relais statique allume et éteint un circuit de charge grâce aux caractéristiques électriques inhérentes à une substance semi-conductrice (comme le silicium).

L'absence de pièces mobiles est la seule et unique caractéristique distinctive d'un relais SSR et la raison de ses principaux avantages. Il n'y a pas de contacts métalliques susceptibles de former des arcs, de se piquer ou de s'user, pas de bobines susceptibles de griller et pas de ressorts susceptibles de perdre leur tension. Il s'agit d'une commande entièrement électronique avec un signal électrique de première opération de faible puissance qui active un circuit de sortie à courant élevé. C'est cette divergence d'architecture inhérente qui fait du SSR non seulement un substitut silencieux, mais aussi une meilleure solution technologique pour une large gamme d'applications modernes exigeant précision, fiabilité et longévité. Ce tutoriel lève le voile sur ces machines, leur différence fondamentale par rapport aux relais plus anciens et la manière de prendre la décision judicieuse d'utiliser le bon type de relais.

L'intérieur du SSR : comment il commute électroniquement

Pour pouvoir apprécier les capacités d'un relais statique, il faut d'abord comprendre sa structure interne. Un relais statique classique comporte trois blocs fonctionnels principaux : le circuit d'entrée, le circuit d'isolation (ou de couplage) et le circuit de commutation de sortie, bien que le schéma fonctionnel puisse être différent. Tous deux ont un rôle spécifique et très important dans le fonctionnement de l'appareil.

1. Le circuit d'entrée: Il s'agit du point d'entrée où la logique du système (par exemple, un automate programmable, un microcontrôleur ou un capteur) fournit le signal de commande. Ce signal de commande est un signal de faible puissance qui, dans de nombreux modèles standard, est compris entre 3 et 32 V DC. C'est ce que l'on appelle souvent l'entrée CC. Les principales tâches du circuit d'entrée sont de conditionner ce signal et de piloter l'étage d'isolation. Il peut comporter une LED d'état et une résistance de limitation de courant : la LED d'état s'allume principalement lorsque la tension de commande est appliquée afin de fournir un retour visuel pratique de l'état du relais.
2. Le circuit d'isolation (couplage): C'est probablement l'aspect le plus important de la conception d'un relais statique. Il sert à fournir une isolation électrique - un espace diélectrique - entre la logique de commande à basse tension et la charge électrique à haute tension. Cette isolation galvanique est considérée comme faisant partie de la sécurité car elle garantit que la haute tension de la charge n'apparaîtra jamais sur l'électronique de commande sensible ou sur l'opérateur humain. L'opto-isolateur (également appelé optocoupleur ou photocoupleur) est la solution la plus répandue pour y parvenir. Un opto-isolateur est composé d'une LED à l'entrée et d'un semi-conducteur photosensible (tel qu'un phototransistor ou une photodiode) à la sortie, le tout dans un boîtier opaque. La DEL est alimentée par le circuit d'entrée lorsque le signal de commande arrive et produit une lumière infrarouge entre l'espace créé à l'intérieur. Le photocapteur détecte cette lumière et déclenche le circuit de commutation de sortie. Étant donné que le support de transfert est un faisceau de lumière, le chemin électrique est inexistant entre les deux conducteurs, il y a donc une isolation très élevée couramment mesurée en milliers de volts.
3. Le circuit de commutation de sortie: Le poids lourd du SSR. Il est activé par le circuit d'isolation et il active la charge de forte puissance. Les éléments du circuit de sortie sont sélectionnés en fonction de la catégorie de charge que le composant est censé commuter (CA ou CC).

• Dans le cas des charges à courant alternatif, le dispositif de commutation le plus courant est un thyristor, sous la forme d'un redresseur contrôlé au silicium (SCR) ou mieux connu sous le nom de TRIAC (Triode pour courant alternatif). Le TRIAC se compose de deux SCR fixés ensemble en parallèle inversé, ce qui lui permet de transporter le courant dans les deux sens en même temps à travers une onde sinusoïdale en courant alternatif. Même les relais SSR à courant alternatif les plus avancés commutent à mi-chemin d'une onde sinusoïdale pour permettre des transitions de courant plus progressives.
• Certains relais à courant continu plus petits (et moins chers) n'ont qu'un seul MOSFET, ce qui permet une commutation précise avec des pertes minimales. Commutateurs de courant continu Ces commutateurs sont également utilisés comme dispositifs de contrôle de courant élevé très rapides et efficaces, avec un bon contrôle du courant de sortie.

En intégrant ces trois étapes, le relais SSR constitue une méthode robuste, sûre et très efficace permettant à la logique numérique de contrôler une puissance électrique importante sans aucun contact physique.

Relais à semi-conducteurs et relais mécaniques : Principales différences

Le choix entre un relais statique (SSR) et un relais électromécanique conventionnel (EMR) est un processus de conception important. Même s'ils ont le même objectif général, ils se différencient en termes de performances. Une comparaison côte à côte peut montrer les avantages et les compromis exacts de chacune des technologies.

Approfondissons ces distinctions essentielles :

• Longévité et fiabilité: C'est l'avantage le plus important du relais SSR. Comme il ne contient pas de pièces mobiles, il n'y a pas d'usure. Dans un relais EMR, les contacts s'usent physiquement à cause des arcs électriques et des impacts à chaque action, ce qui limite leur durée de vie. Lorsqu'ils sont utilisés conformément à leurs spécifications, les relais SSR ont une durée de vie jusqu'à 100 fois plus longue et sont donc mieux adaptés aux commutations fréquentes.
• Vitesse et performance: Contrairement à l'inertie physique qui limite les relais EMR, les relais SSR peuvent s'activer et se désactiver en quelques microsecondes, contre 5 à 15 millisecondes. Cette vitesse élevée est essentielle dans des applications telles que le contrôle précis de la température (par exemple, un régulateur de température) ou une automatisation à grande vitesse dans laquelle des périodes de cycles rapides sont nécessaires.
• Bruit et interférences: Le fait qu'un relais SSR ne génère pas de bruit peut être un avantage évident dans les zones à forte sensibilité au bruit telles que les centres médicaux ou les bâtiments intelligents. Plus important encore, l'absence d'arc électrique de contact implique également que les relais SSR produisent très peu d'interférences électromagnétiques (EMI) et d'interférences radiofréquences (RFI). Les EMI produisent un fort bruit électrique et ce genre de chose peut être appelé l'étincelle que les EMI produisent lorsqu'ils touchent certains équipements électroniques sensibles. Ceci est essentiel lorsque des équipements électro-sensibles doivent être manipulés.
• Durabilité: Les relais SSR sont enrobés d'époxy, ce qui les rend très résistants aux chocs et aux vibrations. Les relais EMR, avec leurs pièces mécaniques finement ajustées, s'autodétruisent ou cliquettent lorsqu'ils sont soumis à des conditions environnementales identiques, par exemple dans les systèmes de ventilation industriels.
• Compromis: Les relais SSR ne sont pas des interrupteurs idéaux. Les dispositifs de sortie à semi-conducteur présentent une résistance interne minuscule qui entraîne une chute de tension minuscule lorsqu'ils sont activés. Cette perte se traduit par une chaleur qui est proportionnelle au flux de courant à travers la charge (P = Vdrop Iload). Par conséquent, les relais SSR ont parfois besoin d'un dissipateur de chaleur pour évacuer cette énergie thermique, afin d'éviter la surchauffe. En comparaison, les contacts métalliques fermés des relais EMR sont pratiquement nuls et ne dégagent qu'une chaleur minime. En outre, le courant de fuite d'un relais SSR fermé peut être très faible, sans jamais être réellement nul, alors que le relais EMR fermé peut être considéré comme une lame d'air avec une résistance effectivement infinie.

AC vs DC : Comprendre les différents types de SSR

Le premier facteur dans le choix d'un relais statique est le type de charge qui sera utilisé. Les relais statiques sont conçus spécifiquement pour fonctionner en courant alternatif ou en courant continu et la conception du circuit de sortie de courant interne est essentiellement différente.

Relais à semi-conducteurs en courant alternatif

Le type le plus répandu est le relais statique à courant alternatif, destiné à commuter des tensions de secteur (par exemple 120V, 240V, 480V AC). Comme indiqué, ils utilisent un TRIAC ou un double SCR dos à dos comme commutateur de sortie. Les nombreux relais SSR à courant alternatif accordent une grande attention à la détection du passage à zéro. Un relais à passage par zéro possède un circuit interne qui surveille le moment où l'onde sinusoïdale AC franchit le point de zéro volt avant d'activer ou de désactiver la sortie.

• Avantage du passage à zéro: Avantage du passage à zéro La commutation d'une charge CA lourde au sommet de son onde de tension sinusoïdale peut produire un appel de courant énorme avec des niveaux élevés de RFI. Cela signifie qu'en commutant simplement au point de tension zéro, la commutation est beaucoup plus douce. Cela soulage efficacement la charge (en particulier les lampes à incandescence et les charges capacitives) et le bruit électrique généré est réduit au minimum. C'est généralement le comportement par défaut de la plupart des charges résistives telles que les radiateurs et les lampes. Inversement, certains relais SSR permettent de commuter au milieu d'une pointe d'onde sinusoïdale lorsqu'ils sont utilisés avec des charges inductives, ce qui est avantageux.

Relais DC à semi-conducteurs

Les relais statiques à courant continu sont optimisés pour commuter des charges à courant continu, ce qui se produit principalement dans les systèmes alimentés par batterie, les automobiles et la commande de moteurs à courant continu ou de solénoïdes. Ils utilisent des éléments de commutation, tels que des transistors de puissance (comme les MOSFET ou les IGBT). Par rapport à un TRIAC qui s'éteint au passage à zéro du courant alternatif, un MOSFET est plutôt un solénoïde clair et instantané. Il s'allume lorsqu'un signal est appliqué au signal de commande et s'éteint instantanément lorsque le signal est retiré. Cela permet une commutation à très haute fréquence et une modulation de largeur d'impulsion (PWM) des charges continues pour moduler la vitesse ou la luminosité. La force contre-électromotrice est également un type de tension inverse qui, lorsqu'elle n'est pas protégée, peut détruire le relais lors de la commande de moteurs.

Autres classifications clés

Au-delà de la distinction AC/DC, les relais SSR sont également classés par catégories :

Type de commutation :

• Zéro-croisement : Pour la plupart des applications courantes en courant alternatif (charges résistives).
• Mise en marche aléatoire (ou instantanée) : Ces relais CA s'activent dès qu'un signal de commande est fourni, quelle que soit la position de la forme d'onde CA. Ils sont nécessaires pour réguler les charges inductives (telles que les moteurs et les transformateurs) et pour les cas où un contrôle précis des phases est souhaitable.
• Activation par crête : Ces relais CA s'activent à la crête de l'onde sinusoïdale CA et sont donc très bien adaptés aux charges fortement inductives et lorsque le courant d'appel doit être contrôlé.

Style de montage :

• Montage sur panneau : Ces unités sont plus lourdes et sont placées sur un châssis ou un dissipateur thermique. Ils sont utilisés pour la commutation de courants élevés (généralement de 10A à 100A+), souvent exprimés en ampères.
• Montage sur circuit imprimé : Ils peuvent être plus petits, souvent dans un format “Single In-line Package” (SIP) ou “Dual In-line Package” (DIP) et peuvent être soudés directement sur un circuit imprimé afin de commuter des courants plus faibles en utilisant des bornes de relais plus petites.

Quand utiliser un SSR : Avantages et applications

Les caractéristiques uniques des relais statiques les rendent excellents dans un large éventail d'applications où les relais électromécaniques ne sont pas applicables. La nécessité d'une grande fiabilité, d'une commutation rapide, d'un faible niveau de bruit et d'une grande précision est le facteur déterminant de l'utilisation d'un relais statique.

Voici quelques-unes des applications les plus courantes :

• Chauffage industriel et contrôle de la température : Il s'agit d'une application SSR traditionnelle. La température exacte doit être contrôlée dans les fours industriels, les machines de moulage du plastique et le traitement des semi-conducteurs. Les relais SSR permettent à un contrôleur PID d'activer ou de désactiver un élément chauffant assez fréquemment (méthode connue sous le nom de proportionnalité temporelle) pour permettre un contrôle incroyablement stable de l'élément chauffant, ce qui est impossible à contrôler avec un relais EMR à usure lente.
• Contrôle de l'éclairage: Les relais SSR sont utilisés pour contrôler les systèmes d'éclairage théâtraux et architecturaux à grande échelle où le silence et la sonorité sont nécessaires. Ils sont idéaux pour gérer le courant d'appel élevé des lampes à incandescence ou à LED et la capacité de commutation rapide les rend idéaux pour les petits bâtiments, et l'effet sans scintillement convient à la gradation.
• Équipement médical: Dans les équipements médicaux destinés aux patients, le silence est essentiel au confort et à la sécurité. De plus, les relais SSR sont très fiables (bien plus que les relais) et produisent peu ou pas d'EMI, ce qui est vital pour le fonctionnement en toute sécurité d'équipements aussi sensibles que les machines de dialyse ou les incubateurs, sans perturber le travail d'autres équipements de surveillance sensibles.
• Automatisation industrielle (sorties PLC): Lors de l'automatisation des usines, les contrôleurs logiques programmables (PLC) peuvent avoir besoin de contrôler des mécanismes et des dispositifs tels que des moteurs, des solénoïdes, des vannes et des actionneurs. L'utilisation de relais statiques comme interface entre les sorties basse tension de l'automate et les machines de grande puissance garantit une longue durée de vie sans entretien dans un environnement électrique bruyant et soumis à de fortes vibrations.
• Maisons et appareils intelligents: Les appareils intelligents et contrôlés par la maison sont en effet parfaitement adaptés aux relais SSR montés sur circuit imprimé en raison de leur fonctionnement silencieux et de leur taille, qui ne provoque pas le son audible et gênant d'un relais mécanique.

Comment choisir le relais SSR adapté à votre projet ?

Le choix du relais SSR adéquat ne se limite pas à l'adaptation de l'impédance à la tension et au courant ; il doit être soigneusement planifié afin d'assurer la sécurité, la fiabilité et le bon fonctionnement de l'appareil. Si l'un des paramètres fondamentaux n'est pas défini, le relais peut être détruit prématurément ou la charge de contrôle peut être endommagée. Voici les points clés à prendre en compte :

1. Type de charge (AC ou DC) : La première et principale décision consiste à définir le type de charge à utiliser. Vous devez faire correspondre le relais à la charge comme expliqué précédemment. L'application d'un relais SSR DC sur une charge AC ou les deux ne fonctionneront pas.
2. Tension de fonctionnement: Lorsque vous utilisez une alimentation triphasée, choisissez un relais SSR dont la tension maximale de fonctionnement est numériquement élevée afin de disposer d'une marge de sécurité par rapport à la tension nominale du système d'alimentation contre les surtensions de ligne, les transitoires et les fuites de courant de l'électrode de transfert de chaleur du semi-conducteur. Un SSR typique et sûr serait un SSR de 480V ou 600V avec une ligne de 240V AC.
3. Courant de charge maximal et déclassement: Le courant nominal s'applique à une température ambiante (par exemple 25 o C). Mais lorsque la température est élevée, la capacité de transport de courant du relais SSR diminue. C'est ce qu'on appelle le déclassement. Vous devez télécharger la fiche technique du fabricant des relais, trouver la courbe de déclassement et choisir un relais dont le courant nominal est largement supérieur à votre limite supérieure de courant de charge aux températures auxquelles vous êtes susceptible d'utiliser l'équipement (on peut supposer que vous avez l'intention d'équiper l'équipement d'un ventilateur pour évacuer l'air chaud). Une règle empirique consisterait à choisir un relais SSR dont la valeur nominale est au moins égale à 50 % du courant en régime permanent de votre charge.
4. Exigences en matière de dissipateur thermique: Tous les relais SSR qui fonctionnent à plus de quelques ampères s'échauffent et ont besoin d'un moyen de dissiper leur chaleur. La résistance thermique de l'appareil est indiquée sur la fiche technique (en C/W). Il convient de choisir un dissipateur thermique adéquat et de s'assurer que la température de la jonction interne ne dépasse pas la température maximale autorisée dans le relais statique (la limite maximale est généralement de 125 °C). L'utilisation insuffisante d'un dissipateur thermique est la raison la plus fréquente de la défaillance d'un relais statique.
5. Tension du signal de commande: Assurez-vous que la tension de commande fournie par votre circuit logique (par exemple, 5V d'un Arduino, 24V d'un PLC) est comprise dans la plage d'entrée spécifiée du SSR (par exemple, 3-32V DC).
6. Type de commutation (zéro-croisement ou aléatoire): Lorsque le relais SSR est utilisé avec un circuit logique (par exemple Arduino, PLC), il faut s'assurer que la tension de commande se situe dans les limites d'entrée indiquées (par exemple, 3-32V DC) du relais SSR.

En évaluant ces paramètres à l'aide d'une approche soigneusement choisie par rapport à la fiche technique fournie par le fabricant, vous êtes sûr d'intégrer un relais statique dans votre application et de bénéficier d'une longue et impressionnante durée de vie.

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