Sélectionner le relais statique approprié pour répondre aux exigences de l'application

Les relais statiques (SSR) sont utilisés dans un nombre croissant et diversifié d'industries, notamment les plastiques, le conditionnement, l'agroalimentaire, les systèmes CVC, les semi-conducteurs, les énergies renouvelables et conventionnelles, le pétrole et le gaz, les transports, l'impression, les laboratoires, les fours, l'éclairage, la médecine et le contrôle de mouvement. Les relais statiques sont souvent utilisés à la place des relais électromagnétiques (EMR) car ils ne comportent pas de pièces mobiles et ont une longue durée de vie. Ils ne sont pas non plus sujets à l'érosion des contacts et aux interférences électriques dues à la formation d'arcs électriques sur les surfaces de contact.

Comme les relais statiques sont disponibles dans de multiples configurations supportant différents types de charge, les concepteurs doivent comprendre comment sélectionner les relais statiques en fonction de l'utilisation prévue. Cela est particulièrement vrai dans les applications industrielles telles que le contrôle des moteurs, des pompes et des ventilateurs, avec leurs charges inductives, qui nécessitent un type de relais différent de celui des applications de chauffage et d'éclairage, qui présentent des charges résistives.

Cet article explique brièvement pourquoi les relais statiques constituent une bonne option pour l'automatisation industrielle et d'usine. Il décrit ensuite leur utilisation, leurs caractéristiques et la manière de les sélectionner pour une application en utilisant des exemples de dispositifs de Carlo Gavazzi.

Pourquoi utiliser des relais statiques ?

Les systèmes d'automatisation industrielle et d'usine requièrent des dispositifs de commutation caractérisés par un faible coût, une haute fiabilité, un actionnement rapide sans rebondissement des contacts ni formation d'arc, des interférences électromagnétiques (EMI) minimales, une faible sensibilité aux environnements difficiles et une tolérance élevée aux vibrations et aux chocs mécaniques. Les relais statiques utilisent des dispositifs à semi-conducteurs pour remplacer les armatures et les contacts des relais mécaniques dans les opérations de commutation, ce qui leur permet de répondre à ces exigences. Entièrement fermés, les relais statiques résistent également aux chocs, aux vibrations, à l'humidité, aux produits chimiques agressifs et à la poussière. Il en résulte des dispositifs dotés d'une longue durée de vie et d'une grande fiabilité.

La sélection d'un relais statique pour votre application implique de comprendre la charge à contrôler et les caractéristiques essentielles des relais statiques afin de faire correspondre les besoins de l'application aux spécifications du relais.

Spécifications de charge et contrôle des relais statiques

Les relais statiques peuvent être commandés avec une tension de commande CA ou CC. La commande CC utilise une basse tension, typiquement de 4 V à 32 V. Ils peuvent également utiliser une boucle de courant de 4 mA à 20 mA ou une entrée analogique de 1 V_CC à 10 V_CC. La commande CA utilise des tensions comprises entre 24 V_CA et 275 V_CA.

Les charges des relais statiques peuvent être CA ou CC. Des relais statiques avec des tensions de charge CA maximum jusqu'à 690 V_CA et des courants nominaux CA de 125 A sont disponibles. Les valeurs nominales CC sont de 500 V_CC et 100 A.

Types de charges électriques

Les charges électriques sont classées en fonction de leurs caractéristiques électriques dominantes. Les moteurs, les ventilateurs et les pompes sont classés comme des charges inductives. La tension et le courant de charge sont déphasés, le courant étant en retard sur la tension. Les charges inductives résistent aux variations de leur courant de charge en générant un potentiel de contre-tension appelé force contre-électromotrice (FEM). Les relais statiques utilisés avec des charges inductives doivent être capables de gérer ces tensions.

Les appareils tels que les radiateurs, les fours, les cuisinières électriques, les séchoirs et les lampes sont des exemples de charges résistives. La tension et le courant dans les charges résistives sont en phase.

Les charges capacitives résistent aux variations de tension de charge. Le courant et la tension dans une charge capacitive sont déphasés, le courant précédant la tension. La plupart des alimentations à découpage et certains dispositifs médicaux comme les défibrillateurs présentent une charge capacitive. Lorsque la tension est appliquée pour la première fois à une charge capacitive, elle offre une très faible impédance, ce qui se traduit par un fort courant d'appel.

Les caractéristiques de chaque type de charge dictent le type de relais statique requis pour leur contrôle.

Types de relais statiques

Il existe cinq types de relais statiques fréquemment utilisés (Figure 1) : commutation au zéro ou passage par zéro, commutation instantanée ou aléatoire, commutation CC, commutation de crête, et commutation à angle de phase ou analogique.

Figure 1 : Le type de relais statique est déterminé par le moment où il commute par rapport à la tension de ligne. (Source de l'image : Carlo Gavazzi Inc.)

Les types de relais statiques sont basés sur le moment où le dispositif commute par rapport à la phase de tension de ligne. Le relais statique de commutation au zéro est un relais CA qui commute la charge au premier passage par zéro de la tension de ligne après l'application du signal de commande. Le temps de commutation du relais statique est, au maximum, d'une demi-période de la fréquence de ligne, soit 8,3 ms pour une fréquence de ligne de 60 Hz. Les relais statiques de commutation au zéro sont principalement utilisés avec des charges résistives pour limiter les forts courants de pointe au moment de la commutation. Étant donné que la tension de ligne est à zéro lorsque la charge est connectée, le courant dans une charge résistive est également à zéro. Ce type de relais convient également à la plupart des charges inductives et capacitives.

Le relais statique de commutation aléatoire ou instantanée, également un relais CA, alimente immédiatement la charge dès l'application de la tension de commande. Il s'active à n'importe quelle phase de la tension de ligne. Le délai de réponse typique est inférieur à 1 ms. Les relais de commutation aléatoire sont utilisés avec des charges inductives.

Le relais statique de commutation CC est destiné aux applications CC résistives et inductives. Comme le relais de commutation aléatoire, il connecte la charge immédiatement après l'application du signal de commande. Le temps de réponse est inférieur à 100 μs.

Le relais statique de commutation de crête commute au pic de tension de ligne suivant après l'application de la tension de commande. Ces relais sont utilisés pour les charges inductives lourdes telles que les transformateurs.

Le relais statique de commutation analogique ou à angle de phase lit la tension du signal de commande analogique. Il fait varier la période de conduction de la sortie du relais proportionnellement à l'amplitude de la tension de commande. Ce type de relais statique est utilisé dans les systèmes et applications en boucle fermée où un démarrage progressif est utilisé pour limiter les courants d'appel.

D'autres types de relais statiques, variantes de ceux décrits, sont utilisés moins fréquemment pour des besoins applicatifs spécialisés.

Nombre de pôles

Les relais statiques sont des dispositifs unidirectionnels qui peuvent activer ou désactiver un pôle. Le nombre de pôles fait référence au nombre de tensions de ligne qu'il peut contrôler. Une ligne CC ou une ligne CA monophasée requiert un relais statique unipolaire. Une ligne monophasée de 220 V nécessite deux pôles, un pour chacune des sources de composants de 110 V. Un relais tripolaire est nécessaire pour les applications triphasées.

Les relais sont classés comme unipolaires unidirectionnels (SPST), bipolaires unidirectionnels (DPST) ou tripolaires unidirectionnels (3PST).

Conception des relais statiques

Les schémas fonctionnels des relais statiques diffèrent selon qu'ils sont destinés à des applications CA ou CC. Les relais statiques pour applications CA bipolaires, tels que les relais de commutation au zéro DPST RK2A60D50P de Carlo Gavazzi (Figure 2), utilisent des thyristors comme dispositifs de commande.

Figure 2 : Schéma fonctionnel du relais statique DPST RK2A60D50P pour applications CA. (Source de l'image : Carlo Gavazzi Inc.)

Le RK2A60D50P est répertorié pour gérer des tensions de sortie de 660 V et des courants de sortie jusqu'à 50 A. Les autres relais statiques de cette famille peuvent gérer des courants de sortie jusqu'à 75 A. Ce relais requiert une tension de commande de 4 V_CC à 32 V_CC. Comme tous les relais statiques, il utilise un photocoupleur pour garantir l'isolement électrique entre la source de tension de commande et la ligne de 4000 V_RMS. Ce relais est doté d'une entrée de commande commune pour les deux sorties ; les autres versions de la famille de produits ont des entrées de commande séparées pour chaque sortie. L'assertion de la tension de commande déclenche un détecteur de passage par zéro, qui actionne les thyristors antiparallèles au passage par zéro de la ligne pour les deux pôles.

Les applications CC, étant unipolaires, utilisent des transistors comme dispositif de commutation principal. Cela est illustré dans le schéma fonctionnel du relais statique CC SPST RM1D060D50 de Carlo Gavazzi (Figure 3).

Figure 3 : Schéma fonctionnel du relais statique CC SPST RM1D060D50. Les relais statiques CC utilisent des transistors comme dispositif de commutation principal. (Source de l'image : Carlo Gavazzi Inc.)

Ce dispositif gère des tensions de sortie de 1 V_CC à 60 V_CC et des courants de sortie de 50 A. Cette série de relais statiques dispose de relais pouvant gérer 500 V_CC et des courants de 100 A. Étant donné que la ligne est CC unipolaire, un MOSFET est utilisé comme commutateur principal. Il en résulte un relais dont les temps d'activation et de désactivation sont chacun inférieurs à 100 ms. Ce relais peut fonctionner à une vitesse de commutation de 1000 Hz et il utilise une plage de tensions de commande CC de 4 V_CC à 32 V_CC. D'autres dispositifs de cette famille de produits offrent des tensions de commande CA jusqu'à 280 V. La tension de commande est également isolée optiquement de la ligne avec un isolement de 3750 V_RMS.

L'isolation galvanique entre la ligne de commande et la charge peut également être réalisée à l'aide d'un couplage de transformateur. Ce type d'isolement, illustré par un schéma fonctionnel du RP1D060D8 de Carlo Gavazzi (Figure 4), utilise une source RF modulée couplée via un transformateur RF pour fournir une isolation galvanique entre l'entrée et la sortie.

Figure 4 : Le couplage du transformateur dans le RP1D060D8 fournit l'isolation galvanique. (Source de l'image : Carlo Gavazzi Inc.)

Ce relais statique de commutation CC est répertorié pour gérer 350 V_CC et 8 A. Il utilise une tension de commande CC dans la plage de 4,25 V_CC à 32 V_CC. Il est fourni en boîtier 4-SIP avec quatre broches traversantes espacées sur des multiples de 2,54 mm. Il diffère des autres relais statiques présentés, en ce sens qu'il est plus petit et qu'il utilise un couplage de transformateur pour isoler l'entrée de la sortie. Il a une spécification d'isolement de 4000 V_RMS et un temps de réponse de commutation < 100 ms à la fermeture et < 250 ms à l'ouverture.

Plage de températures de fonctionnement

Les relais statiques commutent des tensions jusqu'à 660 V et des courants jusqu'à 100 A, et peuvent produire une chaleur considérable. La puissance est dissipée lors de la commutation, lorsque le courant et la tension dans le relais ne sont pas nuls. Cette chaleur doit être évacuée du relais à l'aide de dissipateurs thermiques. La température ambiante affecte le courant nominal maximum du relais statique et doit être détarée lorsqu'elle est élevée. En règle générale, les relais statiques peuvent fonctionner sans dissipateur thermique pour des courants de sortie de 5 A ou moins. Si le relais est monté sur une surface métallique, cette limite augmente à 8 A. Carlo Gavazzi propose des dissipateurs thermiques adaptés à des modèles de relais statiques spécifiques qui garantissent des performances optimales dans n'importe quel environnement thermique.

Types de montage

Les relais statiques sont proposés dans différents styles de boîtier (Figure 5) pour s'adapter à l'application prévue. La plupart des types de montage requièrent que le relais soit fixé à une surface thermoconductrice ou à un dissipateur thermique pour contrôler la température du dispositif.

Figure 5 : Exemples de configurations de montage courantes pour les relais statiques. (Source de l'image : Carlo Gavazzi Inc.)

Le RZ3A60D55 de Carlo Gavazzi (à gauche) est un relais statique de commutation au zéro CA 3PST avec une sortie répertoriée à 660 V et 55 A, commandée par un signal d'entrée de 4 V_CC à 32 V_CC. Il utilise un système de montage sur châssis modulaire, avec les trois dispositifs de commutation montés sur une plaque de base commune. La plaque de base est montée sur une surface thermoconductrice à l'aide d'une pastille thermique ou d'un composé de dissipation thermique.

Le relais statique de type « hockey puck » (palet de hockey) est ainsi nommé en raison de sa forme épaisse et de sa construction dense. La structure solide de ce boîtier le rend plus résistant aux chocs et aux vibrations, améliorant ainsi la fiabilité dans les environnements industriels difficiles. Le RM1D060D50 décrit précédemment, illustré à la Figure 5 (deuxième en partant de la gauche), est un exemple de relais statique de type « hockey puck ».

Le module SIP (système en boîtier) est un boîtier à montage sur circuit imprimé pour un sous-système électronique complet. Le relais statique CC RP1D060D8, décrit précédemment et illustré à la Figure 5 (troisième en partant de la gauche), est monté dans un boîtier 4-SIP (quatre broches). Ce relais statique commande un courant de sortie de 8 A ou moins et peut être monté sur un circuit imprimé sans nécessiter de dissipateur thermique.

Les rails DIN sont des rails métalliques utilisés à l'intérieur d'un boîtier pour monter des dispositifs électriques tels que des disjoncteurs, des alimentations et des relais statiques. Le RGS1A60D50KKE de Carlo Gavazzi est un relais statique de commutation au zéro CA SPST qui utilise le montage sur rail DIN, et il est illustré tout à droite dans la Figure 5. Il peut commuter 660 V et 50 A à sa sortie. Il utilise une ligne de commande CC avec une plage de 4 V_CC à 32 V_CC. Le module DIN ne mesure que 17,5 mm de large pour une installation compacte. Bien que le rail de montage fournisse un certain refroidissement, des dissipateurs thermiques compatibles avec le rail DIN sont disponibles.

Conclusion

Sans pièces mobiles et sans érosion des contacts ni interférences électriques dues à la formation d'arcs électriques au niveau des surfaces de contact, les relais statiques offrent la fiabilité requise pour l'automatisation industrielle et d'usine. Le choix du dispositif approprié peut être simplifié en se tournant vers un fournisseur tel que Carlo Gavazzi, qui propose une vaste gamme de produits SSR. En ayant une bonne compréhension du fonctionnement, des caractéristiques et de l'application des relais statiques, les concepteurs peuvent avoir l'assurance de trouver le relais adapté aux exigences de leurs conceptions.