Les relais statiques à verrouillage simplifient la conception de commutation pour les thermostats, les systèmes CVC et de sécurité, et les panneaux d'alarme

Les applications classiques telles que les thermostats, les systèmes CVC, les panneaux d'alarme incendie, les systèmes de sécurité, l'immotique et les contrôles industriels requièrent un signal simple pour contrôler le flux de courant alternatif ou continu dans un circuit adjacent supervisé. Si les relais électromécaniques (EMR) ont traditionnellement été utilisés pour ces applications, de nombreuses conceptions exigent désormais des facteurs de forme plus petits, une fiabilité à long terme accrue, des fonctionnalités et des capacités de configuration supérieures, et un bruit global plus faible. Les relais statiques (SSR) en boîtiers de circuits intégrés compacts répondent à ces besoins.

Cet article explore les défis liés à la commutation de puissance avec des relais dans une gamme d'applications à deux et trois fils. Il présente ensuite un relais statique à verrouillage de Littelfuse et montre comment il peut être utilisé pour relever ces défis.

Commencer par un problème simple en apparence

Les concepteurs expérimentés savent qu'un problème qui paraît simple fait souvent partie des plus difficiles à résoudre en termes de solution technique, de nomenclature (BOM), d'espace sur le circuit imprimé, de coût et d'expérience utilisateur. Un bon exemple est l'adaptation du câblage existant, utilisé pour la configuration classique à deux fils dans les habitations et autres environnements pour déclencher un système de chauffage. Dans le secteur du CVC, on parle d'appel de chaleur.

Les systèmes tels que le chauffage commandé par thermostat ont toujours été relativement simples à concevoir et à mettre en œuvre. Un thermostat, comme le classique T-86 (Figure 1), ferme simplement un commutateur (métallique ou à contacts mouillés au mercure) lorsque la température détectée descend en dessous du point de consigne. Preuve de sa longévité, des dizaines de millions d'exemplaires ont été vendus depuis son lancement en 1953, et beaucoup sont encore utilisés aujourd'hui.

Figure 1 : Thermostat T-86 à deux fils classique. (Source de l'image : Cooper-Hewitt Museum)

Cette fermeture de contact, appelée contact « sec », permet à une tension de 24 V_CA, abaissée depuis la ligne CA, d'alimenter la bobine d'un relais électromécanique, qui active ensuite la chaudière ou une autre source de chaleur. Le thermostat est totalement passif et ne nécessite ni ne fournit d'énergie. Le relais fournit également une isolation galvanique entre la boucle de commande du thermostat 24 V_CA et la ligne CA qui alimente le système de chauffage. Ce système est simple, fiable et facile à réparer.

Cette configuration bien établie a évolué avec l'arrivée des thermostats dotés d'un réglage numérique du point de consigne et d'un affichage de la température (Figure 2, à gauche). Ces dispositifs ont rapidement été suivis par des thermostats intelligents avec des réglages de jour et d'heure contrôlés par l'utilisateur, puis par des unités Internet des objets (IoT) qui ont ajouté la connectivité et une plus grande sophistication (Figure 2, à droite). La transition des thermostats passifs aux thermostats actifs a engendré une nouvelle exigence imprévue : une source d'alimentation. L'ancien thermostat passif ne disposant que de deux fils, il n'existe aucun moyen simple de fournir l'alimentation nécessaire.

Figure 2 : Le circuit classique ne peut alimenter ni un simple thermostat numérique (à gauche), ni une version IoT connectée (à droite), ce qui soulève la question de savoir comment alimenter ces charges. (Sources des images : PRO1iaq, Ecobee)

Ce problème d'alimentation n'est pas propre aux anciens thermostats et systèmes CVC. Il apparaît également dans les systèmes de sécurité, l'immotique, les contrôles industriels, les applications de mesure et partout où une simple fermeture de commutateur indique l'« activation ».

Deux solutions d'alimentation existent pour résoudre ce dilemme, chacune présentant des inconvénients. L'une des solutions consiste à utiliser une batterie remplaçable dans le thermostat, ce qui est peu pratique tant dans les environnements résidentiels qu'industriels. L'autre solution consiste à installer un troisième fil pour fournir une alimentation de 24 V_CA au thermostat. Ce fil est appelé le fil neutre (C).

Dans de nombreux environnements, en particulier dans les habitations, l'ajout d'un nouveau fil entre le thermostat et le système de chauffage est complexe, car cela implique de tirer et de dissimuler des fils, de percer des trous dans les murs et d'installer des dispositifs anti-incendie dans les cavités murales.

Le relais statique résout le dilemme de batterie et de fil neutre

Heureusement, une solution existe. Le CPC1601M (Figure 3) est un relais statique doté de fonctionnalités conçues pour remédier aux limitations des systèmes à deux fils.

Figure 3 : Relais statique à verrouillage 1-Forme-A non isolé CPC1601M, alimenté par la charge. (Source de l'image : Littelfuse)

Le CPC1601M est un relais statique à verrouillage 1-Forme-A non isolé à faible courant de fonctionnement, intégré dans un boîtier DFN miniature de 3 mm × 3 mm avec huit contacts. Le circuit intégré est doté d'une entrée SET qui active le relais, d'une broche RESET qui désactive le relais si une impulsion est reçue, et d'une entrée TOGGLE qui active et désactive alternativement le relais.

Une fonctionnalité innovante importante est que le circuit intégré de relais CPC1601M dispose de deux modes d'alimentation et peut, en surveillant sa broche d'entrée HV_cc, obtenir sa puissance de fonctionnement nécessaire soit à partir de la charge en circuit ouvert, soit à partir de l'alimentation du système.

Le mode de fonctionnement alimenté par la charge s'applique à une source CA, telle qu'un transformateur avec une tension côté secondaire de 24 V_CA. Lorsque la charge fournit de l'énergie, le relais n'utilise pas l'alimentation du système, étendant ainsi la durée de vie de la batterie. Le relais s'ouvre périodiquement, ce qui lui permet de « récupérer » de l'énergie depuis la tension de charge en circuit ouvert. Dans la plupart des applications, cette brève interruption n'affecte pas le fonctionnement du système. En mode d'alimentation par la charge, aucune alimentation auxiliaire n'est nécessaire de sorte que le fil neutre du thermostat n'est pas requis.

Dans un système CVC typique, un thermostat commande un relais de contacteur (K1). Le contacteur est généralement un relais électromécanique à fort courant qui contrôle la charge CVC. Le relais K1 est commandé par l'activation et la désactivation du relais CPC1601M.

Lorsque le CPC1601M est en mode désactivé, la tension en circuit ouvert totale du transformateur T1 apparaît aux bornes de sortie de la charge (RLY1 et RLY2). Cette tension CA est redressée par les diodes de substrat DMOS internes (D1 et D2) et les diodes externes (D3 et D4), formant un redresseur à deux alternances. Le signal redressé est ensuite transmis au condensateur de filtrage (C_FILT), qui fait office de condensateur de stockage en mode d'alimentation par la charge.

Le CPC1601M ajoute une autre fonctionnalité liée à l'alimentation : il fournit une sortie de tension pour alimenter le microcontrôleur (MCU) associé et les circuits externes. De plus, si cette tension de sortie se situe dans la plage du rail de tension du microcontrôleur choisi par l'utilisateur, un régulateur à faible chute de tension (LDO) séparé peut s'avérer inutile. Pour protéger la sortie de commutation contre les transitoires inverses lors de la commutation d'une charge inductive, une situation fréquente dans ces applications, une diode de suppression de tension transitoire (TVS) est placée entre RLY1 et RLY2.

En mode de fonctionnement par alimentation système (Figure 4), le CPC1601M est alimenté par la source d'alimentation et non par la charge. Dans une application de thermostat typique, la source d'alimentation est une batterie. Grâce à sa consommation extrêmement faible, le CPC1601M constitue un choix approprié pour les applications où une durée de vie étendue de la batterie est essentielle.

Figure 4 : Le CPC1601M peut également être configuré pour fonctionner à partir de la source d'alimentation du système. (Source de l'image : Littelfuse)

Dans cette configuration, la broche V_CCIN/P_OUT du CPC1601M est connectée à la batterie du système tandis que la broche HV_CC reste ouverte. Ici, le CPC1601M agit comme un simple relais à verrouillage qui peut être commandé par SET et RESET, ou en mode TOGGLE.

Qu'en est-il de l'isolation ?

Bien que les circuits CPC1601M de base présentés jusqu'à présent n'incluent pas d'isolation galvanique, celle-ci est parfois nécessaire pour garantir le bon fonctionnement des systèmes, comme dans les systèmes CVC à deux transformateurs, où les retours des transformateurs sont séparés et isolés les uns des autres. Il existe de nombreuses méthodes pour implémenter l'isolation, chacune présentant ses propres avantages et inconvénients.

L'isolation avec le CPC1601M peut être réalisée de manière simple et économique par couplage capacitif d'un signal de modulation de largeur d'impulsion (PWM) (Figure 5). Le microcontrôleur du système génère plusieurs cycles d'un signal PWM, couplé de manière capacitive via un condensateur d'isolement (C1). Ce signal PWM, typiquement à 200 kHz avec une onde carrée à rapport cyclique de 50 %, est filtré par R2 et C2. Cela génère un signal CC qui déclenche l'entrée SET du CPC1601M.

Figure 5 : L'isolation galvanique peut être réalisée en ajoutant un condensateur et quelques composants passifs au circuit CPC1601M. (Source de l'image : Littelfuse)

Aperçu des spécifications électriques clés

S'il est important d'assurer un fonctionnement efficace, un dispositif viable doit également fournir la tension, le courant et les autres caractéristiques et attributs requis par le système. À cette fin, le CPC1601M présente les caractéristiques suivantes :

• Tension d'alimentation d'entrée de 3 V à 5,5 V
• Courant de veille alimenté par le système inférieur à 1 µA
• Faible résistance à l'état passant typique de 308 mΩ
• Entrées logiques compatibles TTL/CMOS
• Contacts bidirectionnels RLY1 et RLY2 connectés à la charge, pouvant être utilisés pour un fonctionnement CA ou CC à 60 V_peak
• Contacts RLY1 et RLY2 supportant une capacité de charge continue de 2 A, CA ou CC
• Broche d'alimentation à récupération de charge pour l'alimentation de circuits externes jusqu'à 10 mW
• Temps d'activation après application d'une impulsion SET ou TOGGLE de 1 µs (maximum) ; temps de désactivation complémentaire après application d'une impulsion RESET ou TOGGLE également de 1 µs (maximum)
• Réduction des interférences électromagnétiques (EMI) grâce à la commutation au zéro du courant en mode d'alimentation par la charge
• Fonctionnement silencieux, en l'absence de clic de déclenchement de relais électromécanique

Conclusion

La mise à jour des configurations de fermeture des commutateurs à contact sec, tels que ceux utilisés dans les boucles de commande des thermostats passifs traditionnels, pour alimenter des thermostats actifs via une batterie locale ou un troisième fil, est simple en théorie mais complexe en pratique. Un relais statique tel que le CPC1601M de Littelfuse résout ces problèmes et offre d'autres fonctionnalités utiles permettant d'améliorer les performances et la fiabilité du système.