Relais à semi-conducteurs ou relais mécanique : Le guide de sélection définitif

Dans le domaine de l'ingénierie électrique, le contrôle est primordial. Le relais est le principal dispositif au centre d'innombrables systèmes automatisés, circuits de sécurité et conceptions de gestion de l'énergie. Au cours des dernières décennies, le choix du type de relais à utiliser était simple. Aujourd'hui, en tant qu'ingénieur concepteur concerné, c'est un tournant majeur. Il s'agit d'une question de préférence entre une armature physique avec son clic satisfaisant et la précision silencieuse et instantanée d'un semi-conducteur. C'est là que réside la raison d'être du relais statique (SSR) par rapport au relais électromécanique (EMR). Ce guide ne se contente pas d'énumérer les différences, il établit un cadre définitif pour vous aider à déterminer quel est le meilleur choix pour votre application, dans le but de rendre votre conception non seulement fonctionnelle, mais aussi fiable, efficace et rentable tout au long de sa durée de vie.

Principes fondamentaux : Mouvement et semi-conducteur

Avant de pouvoir prendre une décision en connaissance de cause, il est nécessaire de savoir comment ces deux aspects fonctionnent en raison de la différence fondamentale entre les modes de fonctionnement. Les deux ont le même résultat final : exploiter une commande électrique à petit signal pour activer (marche/arrêt) une charge haute tension beaucoup plus importante, mais les approches sont aux antipodes l'une de l'autre.

Fonctionnement des relais mécaniques (EMR)

Un relais électromécanique (EMR) est basé sur les principes du magnétisme et du mouvement physique qui ont fait leurs preuves depuis plus de cent ans. Il est simple à mettre en œuvre :

1. Une bobine de fil est alimentée par une tension de commande à faible consommation d'énergie, ce qui crée un électro-aimant.
2. Une armature mobile est attirée par ce champ magnétique.
3. Le déplacement physique de l'armature complète une série de liens mécaniques forçant une paire de contacts à se réunir, ce qui complète le circuit principal et permet à la charge de haute puissance de s'allumer. La suppression du signal de commande entraîne l'effondrement du champ magnétique, l'un des ressorts tire l'armature vers l'intérieur et les contacts s'ouvrent, ce qui interrompt le circuit.

Il s'agit d'un moyen simple, direct et solide d'allumer/éteindre, mais il dépend de l'utilisation de composants mécaniques qui peuvent s'user avec le temps.

Fonctionnement des relais statiques (SSR)

Au contraire, le relais statique n'a pas de composants mécaniques. Il utilise les caractéristiques des dispositifs semi-conducteurs pour obtenir le même effet :

1. Un signal de commande faible est imposé à un circuit d'entrée, qui est généralement une DEL.
2. Le signal lumineux de cette DEL traverse un espace ouvert et est détecté par un optocoupleur photosensible (semi-conducteur). Grâce à cette opto-isolation, il y a une grande isolation électrique entre l'entrée et la sortie.
3. La photodiode commute un dispositif de commutation électronique du côté du courant, généralement dans la partie haute puissance du circuit de charge, souvent un TRIAC ou un MOSFET, mais parfois un autre dispositif de commutation.

Comme il est entièrement électronique, il fonctionne très silencieusement, extrêmement rapidement et sans l'usure qui affecte son homologue.

Fonctionnalité

Les indicateurs clés de performance : Une comparaison directe

Comprendre les différences profondes de performance est crucial pour tout ingénieur. Le choix porte rarement sur le relais qui est “meilleur” dans l'ensemble, mais sur celui qui est supérieur pour une tâche spécifique.

Vitesse de commutation

La vitesse d'un DME est limitée par la physique des éléments mécaniques de l'appareil - la période pendant laquelle le champ magnétique se crée et le temps nécessaire pour déplacer l'armature. Cette durée est normalement comprise entre 5 et 15 ms.

Un relais SSR sans limitation physique est beaucoup plus rapide. Son temps de commutation est exprimé en microsecondes (us) ou même en nanosecondes (ns). Un relais SSR est la seule alternative lorsque l'application est telle qu'elle nécessite une modulation de largeur d'impulsion (PWM) à haute fréquence ou une commande de machine à cycles fréquents.

Durée de vie

C'est l'une des principales différences. L'usure mécanique prédétermine la durée de vie d'un DME. Chaque fois qu'il est soumis à un cycle, ses contacts subissent une fatigue métallique et un arc électrique, et sa durée de vie se limite donc à des dizaines ou des centaines de milliers de cycles ou à quelques millions de cycles.

Au contraire, un relais statique n'a pas de composants mobiles qui s'usent. Sa durée de vie est liée à celle de son semi-conducteur, qui peut être de l'ordre de dizaines, voire de centaines de millions de cycles, et c'est donc le produit de choix évident lorsqu'une durée de vie de plusieurs dizaines de millions de cycles ou plus est nécessaire.

Bruit audible

La différence dans ce cas est catégorique. Il y a un clic caractéristique à chaque actionnement, produit par les contacts internes de l'EMR qui se font ou se défont. Cela n'a pas d'importance dans la plupart des secteurs.

Mais ce bruit n'est pas tolérable dans les équipements médicaux, les systèmes audio de haute qualité ou les bureaux silencieux. Les relais SSR n'émettent aucun son, et cette propriété est vitale pour les applications où la confidentialité et l'absence de bruit sont primordiales.

Résistance aux chocs et aux vibrations

La nature physique d'un EMR, la bobine, le ressort et l'armature qui le composent, le prédispose aux chocs et aux vibrations externes. Un choc important peut entraîner un rebond des contacts, voire un changement d'état accidentel.

Le relais SSR étant en fait un bloc d'électronique enrobé, sa résistance aux chocs et aux vibrations est extrêmement élevée, ce qui lui confère des performances éprouvées et testées dans des applications difficiles telles que l'automobile, l'équipement industriel et l'aérospatiale.

Consommation électrique

Un DME est constitué d'une bobine ; pour maintenir le DME en état de marche, la bobine doit être alimentée autant que nécessaire N ampères continus x puissance P Supposons qu'un DME consomme 10 ampères à 240 volts ; alors, pour maintenir le DME en état de marche, puissance P = (10 ampères) (240 v) = 2400 watts A ce moment-là, 10 ampères est la quantité de courant électrique qui traverse la bobine.

Bien que cette charge soit faible, lorsqu'elle est multipliée par des centaines de relais dans de grands systèmes, elle peut s'avérer être une consommation d'énergie assez élevée. Une très faible quantité d'énergie est nécessaire pour allumer un relais SSR et sa LED interne, et par conséquent la consommation d'énergie du circuit de commande d'un relais SSR est pratiquement nulle, ce qui rend le relais SSR beaucoup plus efficace sur le plan énergétique.

Dissipation de la chaleur

L'avantage ici change. Les contacts métalliques d'un relais EMR offrent une très faible résistance à l'état passant, c'est-à-dire que lorsque le relais est activé, il ne se produit qu'une très faible puissance d'échauffement.

En tant que dispositif semi-conducteur, le relais SSR offre une résistance à l'état passant légèrement inférieure. Cela lui permet de produire beaucoup de chaleur, en fonction du courant de charge qui le traverse. Lorsqu'il est utilisé avec des charges importantes de plus de quelques ampères, un relais statique doit être relié à un dissipateur thermique pour évacuer cette énergie thermique et éviter la surchauffe, ce qui peut augmenter la taille et la complexité d'une solution.

Résistance à l'état pur

Comme nous l'avons expliqué précédemment, la résistance d'un EMR est presque nulle (elle est mesurée en milliohms) et pourtant on parle de circuit fermé. Cela permet à l'énergie de s'écouler vers la charge autant que possible et provoque le moins de chute de tension possible.

La résistance à l'état passant est une valeur mesurable qui donne lieu à une chute de tension de fonctionnement dans le relais (c.-à-d. ~1V). Cette chute est négligeable pour la plupart des applications, mais dans les systèmes à basse tension où circule un courant élevé, cette perte peut devoir être prise en considération.

Courant de fuite

Un contact EMR offrant une impasse lorsque l'EMR est désactivé laissera un espace de contact qui forme un circuit ouvert presque parfait, avec une fuite de courant pratiquement nulle.

Le circuit semi-conducteur de sortie d'un relais SSR peut être conçu pour ne laisser échapper qu'une infime quantité de courant lorsque le relais SSR est éteint. Pour la plupart des charges, cela n'a pas d'importance. Cependant, avec des dispositifs d'entrée très sensibles ou, dans certains cas, des équipements médicaux, une telle fuite peut être un problème, auquel cas un relais EMR est préférable.

Interférences électromagnétiques (EMI)

Les deux types de relais peuvent produire des IEM, mais de manière différente. En raison du passage de l'état ouvert à l'état fermé, les contacts d'un relais EMR peuvent générer un bruit électrique à très large bande au niveau de l'arc électrique.

Un relais SSR ne conduit aucune forme d'arc électrique, mais la commutation rapide des semi-conducteurs à l'intérieur du relais SSR peut produire des IEM à haute fréquence. Mais les relais SSR qui utilisent une technologie dite de passage à zéro ne s'allument ou ne s'éteignent que lorsque la tension alternative est proche de zéro, ce qui minimise radicalement les interférences électromagnétiques générées.

Coût

Un EMR est presque toujours moins cher à l'unité lors de l'achat initial qu'un SSR similaire. L'EMR est intéressant pour les applications simples et à faible cycle dans lesquelles le coût initial de la nomenclature est le principal facteur de motivation. Néanmoins, le coût réel doit être pris en compte tout au long de la durée de vie du produit. Une durée de vie beaucoup plus longue et une plus grande fiabilité du relais SSR signifient qu'aucun coût n'est encouru pour les remplacements et la maintenance, et que le coût total de possession (TCO) peut être inférieur, en particulier pour les applications exigeantes.

Chiffres clés : Comparaison directe

Choisir son relais : Scénarios spécifiques aux applications

La théorie est utile, mais les décisions sont prises dans la pratique. Voici comment appliquer ces connaissances aux défis de la conception dans le monde réel.

Pour l'automatisation industrielle et la robotique

Une pièce peut être changée des milliers de fois par jour dans un système contrôlé par PLC ou un bras robotisé. Le relais SSR est le plus approprié. Sa grande longévité n'est pas négociable pour permettre des arrêts coûteux lors de la maintenance. Sa capacité de commutation rapide est suffisamment élevée pour garantir la précision des processus et sa capacité à résister aux secousses constantes des machines le rend parfait pendant le processus de travail. L'électro-aimant ne constitue pas une solution appropriée par rapport aux dispositifs de commutation électroniques utilisés dans ce type d'environnement.

Pour les équipements médicaux et audio

Prenons l'exemple d'un système de diagnostic du patient dans une chambre d'hôpital insonorisée ou d'un amplificateur audio de première qualité. Le clic audible d'un DME serait toujours gênant et distrayant. Il faut un relais SSR qui n'interfère pas. Il s'agit également d'une considération de sécurité très importante, étant donné qu'il est hors de question que les équipements médicaux tombent en panne.

Pour les systèmes CVC exigeants

Un important système industriel de chauffage, de ventilation et de climatisation (HVAC) nécessite la commutation permanente de moteurs et de compresseurs à haute tension. Un relais EMR pourrait gérer le courant mais les contacts mécaniques tomberaient rapidement en panne avec un cycle de travail aussi intense. La meilleure solution consiste à utiliser un relais SSR à bonne inertie thermique. Il offre une durabilité telle qu'il peut servir pendant des années sans être remplacé. Ceci est particulièrement important lorsqu'il s'agit de déterminer le type de charge considéré, inductif ou résistif, afin de choisir le circuit de sortie approprié.

Pour les projets simples et sensibles aux coûts

Pensez à un petit projet de panneau de contrôle en tant qu'amateur ou à un appareil qui pourrait avoir un interrupteur qui n'est utilisé que quelques fois par jour. Dans ce cas, la durée de vie plus longue et la vitesse rapide d'un relais SSR sont inutilement importantes. Le relais EMR est une solution pratique et rentable. Il est peu coûteux au départ et, étant utilisable avec un circuit de commande simple, il est tout aussi approprié et utile dans la tâche. La différence de coût entre le relais EMR et le relais SSR est plus intéressante dans les utilisations à basse fréquence.

Les pièges critiques de la conception et comment les éviter

Le choix du bon type de relais n'est que la première étape. Une mise en œuvre correcte est essentielle pour exploiter tout le potentiel du relais et éviter une défaillance prématurée.

Les pièges du SSR

• Mauvaise gestion thermique: La cause la plus fréquente de défaillance d'un relais SSR est la surchauffe.
  Solution: Calculez toujours le chauffage (P = V_drop × I_load) et choisir un dissipateur thermique approprié en se basant sur la fiche technique du fabricant pour toute charge supérieure à quelques ampères.
• Surprises concernant le courant de fuite: Dans un circuit avec une entrée à haute impédance, le courant de fuite du SSR peut parfois être suffisant pour être interprété à tort comme un signal “on”.
  Solution: Une résistance de purge peut être placée en parallèle avec la charge pour shunter le courant de fuite.
• Type de charge non adapté: L'utilisation d'un relais SSR standard à passage à zéro pour des charges fortement inductives peut être problématique.
  Solution: Pour les charges inductives, utilisez un relais SSR à commutation aléatoire afin de permettre une commutation précise.

Les pièges du DME

• Arcs électriques et usure des contacts: La commutation de charges inductives provoque des arcs électriques qui dégradent les contacts.
  Solution: Ajouter un réseau RC snubber entre les contacts pour absorber l'énergie de l'arc.
• Bobine EMF Kickback: Lorsque le courant vers la bobine est coupé, une pointe de tension peut endommager le système de contrôle.
  Solution: Placer une diode flyback en parallèle avec la bobine.

Garantir la fiabilité : S'approvisionner en composants de haute qualité

Vous avez envisagé la mise en œuvre des principes, comparé les mesures et réalisé les dangers de la conception. Vous êtes probablement arrivé à la conclusion logique qu'un relais statique est la meilleure solution, parce que vous avez besoin d'une vitesse élevée, d'une longue durée de vie et d'un fonctionnement silencieux et fiable pour votre application.

Il s'agit ici de la deuxième décision décisive. Comme nous l'avons vu, les relais SSR sont des dispositifs électroniques de pointe. Leur fiabilité ne dépend pas seulement de la conception du produit, mais aussi de la qualité des semi-conducteurs qu'ils contiennent, de leur intégrité thermique et de leur processus de fabrication. Toutes les propriétés théoriques d'un relais SSR deviennent inutiles lorsque le dispositif tombe en panne au début de sa durée de vie en raison d'une surchauffe ou d'une incapacité à recevoir sa charge nominale.

C'est pourquoi la sélection d'un fournisseur spécialisé est primordiale. A l'heure actuelle OMCH nous concevons et fabriquons des relais statiques de qualité industrielle sur lesquels vous pouvez bâtir votre réputation et sur lesquels vous le ferez. Nous sommes conscients que nos composants ne sont pas seulement des produits de base sur une nomenclature, mais qu'ils sont les dénominateurs communs qui garantissent que votre système est opérationnel et performant. Nous nous engageons à assurer une production de qualité et des procédures de test rigoureuses, ce qui vous permet d'obtenir un relais SSR qui fonctionne conformément aux spécifications, cycle après cycle, année après année. Une fois que vous avez décidé qu'un relais SSR est votre solution, le fait de travailler avec un expert dans le domaine tel qu'OMCH peut vous aider à faire de la fiabilité que vous avez établie sur papier une réalité sur le terrain.

L'avenir : Relais hybrides et technologie de pointe

Le monde des relais continue de se développer. Les relais hybrides, qui tentent de réunir les avantages des deux mondes, font leur apparition. Souvent, les charges à forte contrainte de mise hors tension et de mise sous tension (éliminant les arcs électriques) sont contrôlées par un relais SSR, et le courant de masse par un relais EMR parallèle avec sa résistance ultra-faible, minimisant ainsi l'échauffement. En outre, les relais SSR sont susceptibles d'être transformés par le développement de semi-conducteurs à grand écart tels que le nitrure de gallium (GaN) et le carbure de silicium (SiC), qui rendraient ces dispositifs encore plus miniaturisés, avec une plus grande efficacité et des capacités de fonctionnement à des pressions et des fréquences plus élevées.