Diagramme de relais à semi-conducteurs : Guide complet pour comprendre et utiliser les relais à état solide

Symbole du relais statique et représentation du circuit

Dans le langage des schémas de circuit, les symboles ne sont pas des gribouillis sur le papier, ils sont fonctionnels. Le symbole d'un relais statique (SSR), même lorsqu'il est représenté sous la forme d'une simple forme, transmet une quantité d'abstraction électrique en une seule vue. Traditionnellement, un relais statique était représenté sous la forme d'une boîte rectangulaire divisée logiquement en deux parties : l'entrée et la sortie. Cette division ne doit pas être considérée comme une simple symétrie artistique, mais comme la principale caractéristique de l'isolation électrique des relais SSR.

Une diode, souvent étiquetée avec des flèches pour montrer une DEL (diode électroluminescente), est utilisée pour montrer le côté entrée. Elle fait référence au dispositif d'opto-isolation du relais SSR : lorsque le côté entrée reçoit un signal de tension continue faible (mais non nulle), la DEL s'allume, donnant un signal au côté sortie, mais il n'y a pas de connexion électrique physique entre les deux.

Le côté sortie présente également divers composants, car la capacité de commutation du relais est en courant alternatif ou en courant continu. La sortie SSR X est un SSR à sortie CA qui comporte un TRIAC ou deux SCR (Silicon Controlled Rectifiers) inversement parallèles, tous deux un type de thyristor, un dispositif à semi-conducteur. Dans les variantes à courant continu, un transistor de puissance (un MOSFET ou un IGBT) est illustré. Les symboles évoquent l'action de commutation du circuit de relais statique et sa capacité à contrôler le courant et la tension de sortie.

Pour représenter un schéma plus long, la barrière d'isolation peut être symbolisée par un zigzag, ou par un symbole d'opto-coupleur : une diode opposée à un phototransistor dans un cercle. Cette division entre le circuit de commande et le côté charge n'est pas ornementale ; elle met l'accent sur l'isolation diélectrique, souvent exprimée en kilovolts.

État solide Relais Schéma de câblage et Terminal Identification

Les symboles SSR sont utiles pour comprendre la signification des fonctions dans un circuit, mais le schéma de câblage permet de concrétiser les fonctions. Il est important d'apprendre à câbler un relais statique afin de l'utiliser efficacement et en toute sécurité dans des circuits pratiques.

Identification du terminal

La plupart des relais à semi-conducteurs suivent une configuration de broches standard :

• Bornes 3 et 4 (Entrée côté): Entrée du signal de commande CC. Elles sont sensibles à la polarité dans les relais SSR à commande CC, la borne 3 est normalement à un potentiel élevé. C'est la partie du circuit d'entrée qui assure la conduction de la sortie.
• Bornes 1 et 2 (Sortie côté): Lorsque le SSR est commuté, le flux de courant entre ces deux éléments est également commuté, c'est pourquoi il régule le flux de courant dans une charge.

Exemples de câblage

1. Commutation de charge AC (AC-AC SSR)

[PLC DC Output] ────(3 SSR 4)──── [Input Side]
                           │
                       [Isolation Layer]
                           │
[AC Power Supply] ────(1 SSR 2)──── [AC Load]

• Entrée : Signal DC (par exemple, signal DC 5V/ 24V d'un PLC)
• Sortie : Tension alternative permettant la commutation d'un chauffage, d'une lampe ou d'un moteur

C'est une caractéristique d'un relais statique monophasé à courant alternatif.

2. Commutation de charge DC (DC-DC SSR)

[Microcontrôleur] ────(3 SSR 4)──── [Côté entrée]
                           │
                       [Opto-Isolator]
                           │
[Alimentation DC] ────(1 SSR 2)───── [Charge DC]

• Entrée : TTL ou logique 5V
• Sortie : Commutation des circuits 12V, 24V ou plus DC

Ce câblage est standard pour les applications de relais à courant continu monophasé.

Considérations sur le câblage

• L'importance de la polarité: Les relais à courant continu, en particulier, peuvent être détruits en connectant les extrémités de l'entrée ou de la sortie à une polarité inversée.
• Type de chargeLorsque les charges sont de nature inductive, elles doivent être connectées à des circuits d'amorçage ou à des varistances, qui absorbent les potentiels élevés.
• Montage: L'intégration du dissipateur peut être nécessaire en fonction du courant et du cycle de fonctionnement.

Circuit côté entrée - Isolation des LED et des phototransistors

L'isolation optique est la pierre angulaire du relais SSR. Une fois que le signal d'entrée est appliqué aux bornes de commande, généralement un signal d'automate ou de microcontrôleur, il alimente une LED interne. L'énergie lumineuse émise ne traverse pas un fil mais une couche diélectrique transparente, où elle alimente un composant photosensible, qui peut être un phototransistor, un phototriac ou un réseau de photodiodes.

Cette conception garantit :

• Isolation électrique complète de la commande et de la charge
• Immunité au bruit : aucune force contre-électromotrice ou transitoire n'est transmise à la logique de commande.
• Plus de sécurité, en particulier dans les environnements industriels à haute tension

Il s'agit d'une action déclenchée par la lumière qui alimente la grille du transistor ou du thyristor de sortie, commutant essentiellement la charge sans enchevêtrement mécanique ni mouvement de relais électromécanique (EMR).

Structures des dispositifs du côté de la sortie en courant alternatif : SCR vs TRIAC

1. Structure du TRIAC

Le TRIAC est un commutateur bidirectionnel capable de conduire dans les deux sens sur déclenchement. D'un point de vue fonctionnel, il combine deux SCR en parallèle inversé dans un seul boîtier. Il convient très bien pour le courant alternatif de puissance moyenne, comme l'éclairage ou le chauffage, où une onde sinusoïdale peut être commutée à un point médian pour réduire les interférences électromagnétiques (EMI).

Les TRIAC sont toutefois sujets à des déclenchements intempestifs dans des environnements inductifs, car leur immunité de commutation est faible. Dans ces applications, les concepteurs peuvent opter pour un modèle plus durable.

2. Structure SCR inversement parallèle

Il s'agit d'une configuration bidirectionnelle à deux SCR discrets en parallèle inversé. L'un d'entre eux, chaque SCR, conduit la moitié du cycle de courant alternatif. Leur plus grande conductivité thermique et leur meilleur dv/dt leur permettent d'être utilisés sur des charges à forte inertie et inductance, telles que les moteurs, les transformateurs et les solénoïdes industriels.

Un peu plus grands et dotés d'un circuit de commande, les SCR inversement parallèles sont la norme en matière de conception de relais à semi-conducteurs de qualité industrielle en raison de leur robustesse et de leur contrôlabilité.

Méthodes de déclenchement : SSR à croisement nul et SSR à allumage aléatoire

1. Déclencheur à zéro croisement SSR

Ces relais attendent que la forme d'onde du courant alternatif atteigne la moitié d'un point de crête-zéro-volt d'onde sinusoïdale avant de commuter. Cela réduit le bruit électromagnétique (EMI) et les pointes de courant et ils sont idéaux pour les charges purement résistives telles que les radiateurs ou les lampes à incandescence. Ils sont également moins contraignants pour la charge et pour le dispositif de commutation.

2. SSR à allumage aléatoire

Ces relais SSR sont destinés à être utilisés dans des applications à réponse rapide et commutent dès qu'ils reçoivent le signal d'entrée, quelle que soit la phase du courant alternatif. Ils peuvent être programmés avec plus de précision et sont souvent utilisés pour le contrôle de l'angle de phase, le contrôle des moteurs ou les dispositifs nécessitant un déclenchement synchronisé.

Relais à semi-conducteurs à courant continu : Structures MOSFET et IGBT

1. Structure du MOSFET

Les relais SSR à tension / courant continu faible à moyen avec MOSFET sont largement utilisés. Ils fonctionnent rapidement et froidement et sont également très efficaces. Une bonne option lorsque l'espace et le temps de réponse sont primordiaux.

2. Structure de l'IGBT

Ils sont particulièrement adaptés aux machines industrielles nécessitant des capacités de manipulation importantes, notamment des tensions continues élevées et des réalisations de courant de l'ordre de l'ampère.

Gestion thermique : Courbe de dératation et conception de la dissipation thermique

Tous les dispositifs à semi-conducteurs génèrent de la chaleur, et les relais SSR ne font pas exception. Une température excessive entraîne une réduction de la capacité de courant et une défaillance éventuelle. La courbe de déclassement figurant dans la plupart des fiches techniques des relais statiques indique la relation entre la température ambiante et le courant de sortie autorisé.

Par exemple, un relais évalué à 25A à 25°C peut ne supporter que 15A à 60°C. Pour remédier à ce problème :

• Utiliser un appareil de taille appropriée. dissipateurs thermiques
• Appliquer graisse thermique pour assurer un contact total avec la surface
• Installer les relais SSR avec un dégagement vertical pour débit d'air

Comment un état solide Relais Travail : Aperçu du principe de fonctionnement complet

Voyons les choses simplement :

1. Entrée Signal: Une petite tension de commande (par exemple, 5V DC) est appliquée au circuit d'entrée du SSR.
2. LED Activation: Le courant alimente une LED interne qui émet une lumière infrarouge.
3. Opto-isolation: Cette lumière traverse un espace d'isolation et active un phototransistor ou un dispositif similaire.
4. Déclenchement: Le dispositif photosensible émet un signal qui déclenche la grille du dispositif de commutation - soit un TRIAC, un SCR, un MOSFET ou un IGBT.
5. Commutation de charge: Le dispositif de commutation fonctionne, permettant au courant de charge de circuler à travers les bornes de sortie jusqu'à la charge.
6. Mise hors tension: Lorsque la tension de commande est supprimée, la LED s'éteint, le photocapteur se désactive et le circuit de sortie s'ouvre.

L'ensemble du processus se déroule en quelques millisecondes, en silence et sans contact physique, contrairement aux DME traditionnels. Sa beauté réside dans sa rapidité, sa sécurité et sa simplicité.

Application : Avantages spécifiques et styles de montage

L'utilisation de relais à semi-conducteurs (SSR) présente un certain nombre d'avantages décisifs par rapport aux relais mécaniques. Ils n'ont pas de pièces mobiles, sont donc silencieux et ne souffrent pas de l'usure des contacts ou de l'érosion due à l'arc électrique, ce qui leur confère une durée de vie beaucoup plus longue. Ils sont adaptés à la marche/arrêt à haute fréquence avec des capacités de commutation très rapides. L'isolation électrique intégrée renforce la sécurité du système et prévient les problèmes de boucle de terre. En outre, ils ne sont pas sensibles aux chocs ou aux vibrations, et trouvent donc des applications dans des environnements industriels ou automobiles défavorables.

Styles de montage

Les différents relais SSR peuvent être montés dans des styles différents pour répondre aux exigences de la conception. Le montage sur rail DIN est principalement utilisé dans les armoires de commande pour faciliter le montage. Le montage sur panneau offre plus de puissance et une fixation stable. Montage sur circuit imprimé Les ordinateurs de type DIP ou SIP (c'est-à-dire DIP ou SIP utilisateur) conviennent parfaitement aux petits systèmes intégrés et aux systèmes plus importants.

Applications dans le monde réel

Les relais SSR sont utilisés dans les équipements médicaux (tels que les machines IRM et l'automatisation des laboratoires) dans des applications réelles où un faible niveau d'interférence électromagnétique et un fonctionnement silencieux sont essentiels. Ils régulent les systèmes de convoyage, les appareils de chauffage et les moteurs dans les applications industrielles. Ils sont utilisés dans les chargeurs de batterie, les systèmes d'éclairage et les prises intelligentes dans le domaine de l'électronique grand public.

Les relais SSR sont de plus en plus utilisés pour remplacer les relais mécaniques de tous types et dans tous les types d'industrie en raison de leur sécurité économique, de leur utilisation plus intelligente et plus fiable, en donnant des systèmes électriques plus sûrs, plus intelligents et plus fiables grâce à leur fonctionnement silencieux, électriquement isolé et à grande vitesse.