Table of Contents
Définition du relais statiques (SSR)
Relais statique, souvent abrégé en SSR, se présente comme un phare dans le monde des dispositifs de commutation électroniques. Dans son essence, un SSR fonctionne comme un interrupteur, réagissant à une tension externe appliquée sur ses bornes de commande. Contrairement aux interrupteurs mécaniques qui dépendent de mouvements physiques pour ouvrir ou fermer un circuit, les SSR fonctionnent sans aucune pièce mobile. Cette particularité leur offre un ensemble unique d’avantages, allant d’une durée de vie prolongée à une usure réduite.
En examinant de plus près, nous découvrons que les relais statique et les relais électromécaniques traditionnels empruntent des voies distinctes. Les relais électromécaniques utilisent des composants mobiles, tels qu’une bobine et une armature, pour établir ou rompre des connexions électriques. Les relais statique, quant à eux, exploitent les propriétés des semi-conducteurs pour réaliser leurs capacités de commutation. Cette différence ne les place pas seulement dans des sphères opérationnelles distinctes, mais confère également aux SSR des temps de réponse plus rapides et un fonctionnement plus silencieux.
Structure et principe de fonctionnement
La structure de base d’un relais statique comprend les composants suivants :
- Circuit d’entrée : C’est là que le signal de commande est appliqué. Selon la conception, il peut accepter des signaux AC ou DC.
- Mécanisme de couplage : C’est ce qui isole l’entrée de la sortie et transfère le signal de commande au circuit de sortie. Dans la plupart des SSRs, cela est réalisé par opto-isolation, où le circuit d’entrée allume une LED, qui active ensuite un semi-conducteur photosensible dans le circuit de sortie.
- Circuit de sortie : C’est la partie du relais qui commute la charge connectée (par exemple, moteur, chauffage, etc.) en marche ou arrêt. Selon la conception, le circuit de sortie peut utiliser un TRIAC, un SCR ou un MOSFET comme dispositif de commutation.
- Circuit de passage par zéro (pour certains SSRs AC) : Ce circuit garantit que le SSR ne s’active ou ne se désactive que lorsque la forme d’onde AC traverse le point de tension zéro. Cela réduit le bruit électrique et augmente la durée de vie du relais.
Le principe de fonctionnement repose sur le signal d’entrée activant le mécanisme de couplage, qui entraîne ensuite le circuit de sortie pour commuter la charge.
Caractéristiques du relais statique
| Caractéristiques des SSRs | Description |
|---|---|
| Longue durée de vie | N’ayant pas de pièces mobiles, les SSRs ont une durée de vie opérationnelle plus longue comparée aux relais électromécaniques. |
| Vitesses de commutation rapides | Les SSRs peuvent s’activer et se désactiver beaucoup plus rapidement que les relais mécaniques. |
| Fonctionnement sans bruit | Les SSRs fonctionnent silencieusement, sans le clic des contacts mécaniques. |
| Pas de rebond de contact | Contrairement aux relais mécaniques, il n’y a pas de rebond de contact dans les SSRs. |
| Résistance aux vibrations et aux chocs | L’absence de pièces mobiles rend les SSRs plus robustes dans les environnements avec vibrations et chocs. |
| Isolation | L’opto-isolation offre une bonne isolation électrique entre les circuits d’entrée et de sortie. |
| Faible consommation d’énergie en entrée | Les SSRs nécessitent très peu d’énergie pour être activés, les rendant compatibles avec des dispositifs de commande de faible puissance tels que les microcontrôleurs. |
Construction, Fonctionnement et Types de relais statique SSR
Révélation de la construction des relais statique
Au cœur d’un relais statique se trouve une construction qui garantit son fonctionnement sans faille. En disséquant sa structure, nous observons les composants essentiels suivants :
- Circuit d’entrée : La passerelle qui accepte le signal de commande.
- Opto-isolateur : Un élément crucial qui transforme le signal de commande en lumière, protégeant l’entrée de tout danger potentiel du côté de la charge.
- Circuit de déclenchement : Agit comme une sentinelle, détectant la lumière émise et activant ensuite le composant final.
- Dispositif de commutation : Se manifestant souvent sous la forme d’un transistor, ce composant reçoit l’indication du circuit de déclenchement pour connecter ou déconnecter la charge.
Fonctionnement du relais statique et ses types variés
En explorant le domaine opérationnel des SSRs, la séquence se déroule comme suit :
- Initiation du signal : Tout commence par le circuit d’entrée recevant un signal de commande.
- Émission de lumière : L’opto-isolateur entre en action, transformant ce signal en lumière.
- Détection et déclenchement : Le circuit de déclenchement identifie cette lumière, incitant le dispositif de commutation.
- Action finale : En fonction du signal, le dispositif de commutation établira ou rompra la connexion à la charge.
Élargissant notre horizon, nous rencontrons une variété de types de SSRs, chacun avec ses caractéristiques uniques :
- Relais statique à sortie AC : Principalement utilisés pour les charges en courant alternatif.
- Relais statique à sortie DC : Adaptés pour les charges en courant continu. SSRs à passage par zéro : Ces SSRs attendent le prochain point de passage par zéro de la forme d’onde AC avant de s’allumer ou de s’éteindre, garantissant ainsi une réduction du bruit électrique.
- Relais statique à enclenchement aléatoire : Contrairement aux SSRs à passage par zéro, ils basculent immédiatement après avoir reçu le signal de commande. Lorsqu’on juxtapose ces types, des distinctions apparaissent non seulement dans leur construction, mais aussi dans leurs nuances opérationnelles. Par exemple, tandis qu’un SSR à sortie AC utilise un TRIAC comme principal composant de commutation, un SSR à sortie DC utilisera généralement un MOSFET.
De plus, le timing opérationnel entre les SSRs à enclenchement aléatoire et ceux à passage par zéro présente des différences marquées, le premier offrant une réponse immédiate et le second privilégiant la réduction du bruit.
Les bases du relais statique
Optocoupleur dans les SSRs pour l’isolation :
L’optocouplage, également connu sous le nom d’isolation optique, est une méthode utilisée dans les relais statiques pour obtenir une isolation électrique entre les circuits d’entrée et de sortie. Le composant fondamental de l’optocouplage est une LED (diode électroluminescente) associée à un dispositif photosensible, comme un phototransistor, une photodiode ou un TRIAC.
Voici comment il garantit l’isolation :
Lorsque le circuit d’entrée est activé, la LED émet de la lumière. Cette lumière émise active le dispositif photosensible du côté sortie sans aucune connexion électrique directe entre eux. Comme il n’y a pas de chemin électrique direct entre l’entrée et la sortie, les perturbations ou défauts dans le circuit de sortie de haute puissance ne peuvent affecter le circuit d’entrée de faible puissance. Ceci protège le côté entrée, en particulier lors de la commande de charges à haute tension ou à fort courant. De plus, cette isolation garantit que tout bruit, pic de tension ou transitoire du côté sortie n’interfère pas avec le côté entrée.
Capacité des Relais statique à gérer les charges AC et DC
Un seul SSR peut être conçu pour commuter soit une charge DC, soit une charge AC, ou dans certains cas, les deux. Le type de charge qu’un SSR peut gérer est déterminé par son dispositif de commutation.
| Type de Relais Statique | Description |
|---|---|
| Relais statique à base de transistors (BJT ou MOS) | – Généralement utilisés pour la commutation DC. – Les transistors agissent comme des interrupteurs électroniques activés ou désactivés avec une petite tension. – Pour la commutation AC, nécessite deux MOS en série à cause des diodes intrinsèques dans les MOSFETs. |
| Relais statique à base de SCR et TRIAC | – Spécifiquement conçus pour la commutation AC. – Les SCRs et TRIACs ont une fonction de verrouillage : ils restent allumés jusqu’à un point spécifique du cycle AC. – Ne conviennent pas pour la commutation DC à cause de cette fonction de verrouillage. |
En résumé, le type de dispositif de commutation utilisé dans un SSR, qu’il s’agisse d’un transistor (BJT ou MOS), d’un SCR ou d’un TRIAC, détermine le type de charge (AC, DC ou les deux) qu’il peut gérer. Les fabricants conçoivent et spécifient les SSRs en fonction de ces dispositifs de commutation pour répondre à des exigences de charge spécifiques.
Relais statique basés sur BJT
Signification de l’opération du transistor en saturation ou près de l’état d’arrêt
Dans le contexte des SSRs, le fonctionnement du BJT (Transistor Bipolaire à Jonction) en saturation ou près de l’état d’arrêt est crucial pour les raisons suivantes
Efficacité et Dissipation de Puissance : Lorsqu’un BJT fonctionne en saturation, il agit comme un interrupteur fermé, permettant un courant maximal avec une chute de tension minimale à travers lui. Cela entraîne une faible dissipation de puissance (puisque P=V×I, et V est minimal). À l’inverse, lorsque le BJT est près de l’état d’arrêt, il agit comme un interrupteur ouvert, bloquant le courant et empêchant ainsi toute dissipation de puissance.
Éviter la région active : Si le BJT fonctionne dans la région active (entre les états complètement allumé et complètement éteint), à la fois la tension collecteur-émetteur VCE et le courant collecteur IC seraient élevés. Cela conduirait à une dissipation de puissance plus élevée (car P=VCE×IC), ce qui pourrait endommager le SSR en raison d’une chaleur excessive.
Commutation rapide : Pour de nombreuses applications, en particulier dans l’électronique moderne, la vitesse de commutation est cruciale. Faire fonctionner le BJT en saturation ou près de l’état d’arrêt garantit qu’il peut rapidement passer entre ces états, atteignant des temps de commutation plus rapides.
Configurations Darlington et complémentaires dans les SSRs basés sur BJT
Configuration Darlington : Cette configuration implique deux BJTs connectés de telle manière que le courant amplifié par le premier transistor est davantage amplifié par le second. Cela résulte en un gain de courant très élevé, qui est bénéfique pour alimenter des charges à courant élevé avec un courant d’entrée minimal. Dans les SSRs, cela signifie qu’une petite entrée (de l’opto-coupleur) peut efficacement piloter une charge plus grande.
Configuration complémentaire : Cette configuration implique généralement l’utilisation d’une combinaison de transistors NPN et PNP. L’avantage d’une configuration complémentaire est qu’elle peut fournir une opération push-pull, offrant des temps de commutation plus rapides et une meilleure efficacité. Dans le contexte des SSRs, cela garantit que le relais peut rapidement passer entre les états d’allumage et d’arrêt tout en consommant moins d’énergie.
Les configurations Darlington et complémentaires améliorent les performances des SSRs basés sur BJT en fournissant des gains de courant plus élevés, des temps de commutation plus rapides et une meilleure efficacité. Ces améliorations sont particulièrement essentielles lors de la commande de charges de forte puissance ou lorsque la commutation rapide est essentielle pour l’application.
Relais statique basés sur MOS
Inefficacité d’un seul transistor MOS pour les charges AC
Un seul transistor MOS (souvent appelé MOSFET) possède intrinsèquement une diode de corps parasite entre sa drain et sa source. Cette diode est un sous-produit du processus de fabrication du MOSFET et n’est pas ajoutée intentionnellement pour la fonction principale du transistor.
Pour les charges AC, la polarité de la tension alterne entre les demi-cycles positifs et négatifs. Voici pourquoi un seul MOSFET est inefficace pour les charges AC :
Pendant le demi-cycle positif, si le MOSFET est éteint, sa diode de corps intrinsèque devient polarisée directement lorsque la tension de drain est inférieure à la tension de source. Cela permet au courant de circuler à travers la diode, contournant ainsi l’état éteint du MOSFET. Dans le demi-cycle négatif, le MOSFET peut bloquer efficacement le courant car la diode est polarisée inversement. En raison de cela, même si le MOSFET est éteint pendant un cycle AC complet, la diode de corps conduira le courant pendant la moitié du cycle, rendant le MOSFET inefficace pour bloquer complètement une charge AC.
Surmonter les limitations avec deux transistors MOS en série
Pour répondre à la limitation posée par la diode de corps intrinsèque, deux MOSFETs sont utilisés en série mais dans une configuration “anti-parallèle” (c’est-à-dire source-à-source ou drain-à-drain).
Voici comment cette configuration surmonte la limitation :
Pendant le demi-cycle positif de la tension AC, l’un des MOSFETs aura sa diode de corps polarisée directement, mais la diode de corps de l’autre MOSFET sera polarisée inversement. La diode polarisée inversement bloque efficacement le flux de courant. Pendant le demi-cycle négatif, les rôles des MOSFETs s’inversent. Le MOSFET qui avait précédemment une diode polarisée directement l’aura maintenant polarisée inversement, et vice-versa.
Encore une fois, la diode polarisée inversement de l’un des MOSFETs bloquera le courant. Cette configuration garantit qu’à tout moment, quelle que soit la polarité de la tension AC, l’une des deux diodes de corps est toujours polarisée inversement, bloquant efficacement le flux de courant et permettant à la combinaison en série de MOSFETs de contrôler efficacement les charges AC.
Relais statique basés sur SCR et TRIAC
- SCRs et commutation AC :
Les SCRs (Redresseurs Commandés au Silicium) sont des dispositifs à semi-conducteurs capables de commuter des courants électriques dans une direction lorsqu’ils sont déclenchés par un signal de grille approprié. Pour les charges AC, qui ont des demi-cycles positifs et négatifs alternatifs, les SCRs peuvent être utilisés de la manière suivante :
Pendant le demi-cycle positif, un SCR peut être déclenché pour permettre au courant de circuler de son anode à sa cathode. Une fois déclenché, il reste dans l’état conducteur pour le reste du demi-cycle. Lorsque la forme d’onde AC passe au demi-cycle négatif, le courant tombe momentanément à zéro, provoquant l’arrêt du SCR. Pendant ce demi-cycle négatif, le SCR reste non conducteur. Pour gérer les deux demi-cycles de la forme d’onde AC, soit deux SCRs peuvent être utilisés dans une configuration inverse parallèle, soit combinés avec un redresseur en pont.
Raison pour laquelle les SCRs ne peuvent pas gérer les charges DC : Les SCRs ont une caractéristique de verrouillage, ce qui signifie que lorsqu’ils sont allumés, ils restent allumés jusqu’à ce que le courant qui les traverse descende en dessous d’un certain niveau de maintien. Avec les charges AC, cette désactivation se produit naturellement à chaque point de passage par zéro de la forme d’onde. Cependant, avec les charges DC, le courant reste constant et n’a pas de points de passage par zéro. En conséquence, une fois qu’un SCR est allumé pour une charge DC, il se verrouille et ne s’éteint pas, le rendant inadapté pour allumer et éteindre les charges DC.
- Différences et similitudes entre SCR et TRIAC :
Directionnalisé : Le SCR est un dispositif unidirectionnel, ce qui signifie qu’il permet un flux de courant dans une direction (de l’anode à la cathode). En revanche, un TRIAC est bidirectionnel et peut conduire dans les deux directions. Contrôle : Un SCR est activé par une impulsion de grille pendant le demi-cycle positif de l’AC, tandis qu’un TRIAC peut être activé pendant les demi-cycles positif et négatif de l’AC en appliquant une impulsion de grille. Similitudes :
Les deux dispositifs sont des thyristors et reposent sur la même technologie de semi-conducteurs sous-jacente. Les deux ont la caractéristique de verrouillage où, une fois déclenchés, ils restent allumés jusqu’à ce que le courant qui les traverse descende en dessous d’un seuil.
- Utilisation d’un TRIAC comme pilote pour un autre dispositif de commutation de haute puissance :
Un TRIAC peut être utilisé comme pilote ou étage de commande pour d’autres dispositifs de commutation de haute puissance comme les SCRs. Lorsqu’il est utilisé de cette manière, le TRIAC peut fournir les signaux de commande nécessaires (impulsions de grille) pour allumer ou éteindre les SCRs de haute puissance. Cette disposition est bénéfique pour contrôler les charges AC de haute puissance.
Par exemple, comme décrit dans le texte :
Un TRIAC, combiné à des résistances, peut produire les deux signaux de commande nécessaires pour une configuration inverse parallèle de SCRs. Selon la polarité de la tension de sortie AC, l’un des SCRs conduira le courant. Le TRIAC garantit que, quelle que soit la polarité de la tension AC, la grille des SCRs reçoit une tension positive en raison du courant circulant à travers le TRIAC, les pilotant efficacement. Cette configuration permet au SSR basé sur TRIAC de faible puissance de contrôler des charges plus grandes et à courant élevé à l’aide de SCRs externes de haute puissance.
Utilisation du relais statique avec Arduino
Relais statique 5v avec arduino
Configuration de la connexion
- Les broches DC+ du module SSR se connectent à la broche 5V de l’Arduino.
- Les broches DC- se lient à la masse de l’Arduino.
- Les broches d’entrée du module SSR (contrôles de signal) se connectent aux broches digitales désignées de l’Arduino. Dans notre cas, les broches 2, 3, 4 et 5.
- Un des fils de chaque ampoule AC se connecte directement à la source d’alimentation AC.
- L’autre fil de chaque ampoule se connecte à l’une des bornes de charge du SSR.
- La seconde borne de charge du SSR se reconnecte ensuite à l’autre borne de la source d’alimentation AC.
Code Arduino
int SSR[]={2,3,4,5}; // Numéros de broches Arduino utilisés pour le SSR
int triggerType = HIGH; // Définir les états pour l'activation et la désactivation du SSR
int wait = 2000;
int SSRON, SSROFF;// Définir les états SSR en fonction du type de déclenchement
void setup() {
Serial.begin(9600);// prepare Serial monitor
// Définir toutes les broches SSR comme sorties et les éteindre initialement
if(triggerType)
{
SSRON = HIGH;
SSROFF = LOW;
}else{
SSRON = LOW;
SSROFF = HIGH;
}
for(int i=0; i < 4; i++)
{
pinMode(SSR[i], OUTPUT);// sent i(th) pin as output
digitalWrite(SSR[i], SSROFF); / Désactiver le SSR respectif
}
Serial.println("Module 4 relais statique ");
}
void loop() {
// this is just demo
for(int i=0; i < 4; i++)
{
contrlSSR(i+1, ssrON, 2000); // Activer le SSR respectif
}// for loop
for(int i=0; i < 4; i++)
{
contrlSSR(i+1, SSROFF, 1000);
}// for loop
contrlSSR(1, SSRON, 2000);
contrlSSR(2, SSRON, 3000);
contrlSSR(4, SSRON, 2000);
contrlSSR(1, SSROFF, 0);
contrlSSR(4, SSROFF, 0);
contrlSSR(2, SSROFF, 0);
delay(2000);
Serial.println("====== loop done ==");
}
void contrlSSR(int number, int control, int wait)
{
if(control == HIGH)
{
Serial.print("SSR "); Serial.print(number);Serial.println(" ON");
digitalWrite(ssr[number-1], ssrON);
delay(wait);
}else{
Serial.print("SSR ");
Serial.print(number);
Serial.println(" OFF");
digitalWrite(ssr[number-1], ssrOFF);
delay(wait);
}
}Ce code initialise les broches 2, 3, 4 et 5 de l’Arduino pour contrôler les 4 canaux du module SSR. Chaque canal est activé et désactivé séquentiellement, avec un délai entre chaque action.
Considérations clés et mesures de sécurité
Lors de l’interface des relais statique avec Arduino, en particulier lors de la manipulation des charges AC, plusieurs considérations et précautions sont primordiales :
Critères de sélection
- Tensions & Courants Nominaux : Assurez-vous de la compatibilité entre les caractéristiques du relais et la charge prévue.
- Type de déclenchement : Savoir si le SSR est activé à bas ou à haut niveau déterminera les signaux envoyés depuis l’Arduino.
Mesures de sécurité
- Précautions AC : Toujours déconnecter du secteur AC lors de la réalisation ou de la modification des connexions.
- Isolation : Isoler correctement les côtés AC et DC pour éviter tout incident électrique.
- Intégrité des fils : Inspectez régulièrement les fils pour détecter d’éventuels dommages ou usures.
- Armés des connaissances techniques et des précautions nécessaires, les utilisateurs peuvent déployer en toute confiance des SSR dans leurs projets Arduino, assurant un contrôle efficace et sûr sur diverses charges.
Conclusion
Relais statique (SSR) offre des temps de réponse rapides, une longévité accrue et un fonctionnement silencieux sans pièces mobiles, les SSR se sont imposés comme un outil indispensable dans diverses applications que ce soit pour les machines industrielles ou les appareils ménagers, comprendre les principes derrière les SSR et leurs techniques d’interface est essentiel pour tout passionné ou professionnel de l’électronique.
Vidéo descriptive
Liens outilles
- Téléchargement de l’Arduino IDE : https://www.arduino.cc/en/software
- GitHub Arduino Repository : https://github.com/arduino/Arduino/
- Pour découvrir plus de tutoriel, vous pouvez consulter notre bloc : https://www.moussasoft.com/tutoriels-electroniques
