Relais statique : types, application pratique, schémas de raccordement

Les contacteurs et démarreurs classiques disparaissent progressivement. Leur place dans l'électronique automobile, l'électroménager et l'automatisation industrielle est prise par le relais statique – un dispositif semi-conducteur qui ne comporte aucune pièce mobile.

Les appareils ont différentes constructions et schémas de branchement, dont dépendent leurs domaines d'application. Avant d'utiliser un appareil, il est nécessaire de comprendre son principe de fonctionnement, de connaître les particularités de fonctionnement et de branchement des différents types de relais. Les réponses à ces questions sont détaillées dans l'article présenté.

Structure d'un relais statique

Les relais statiques modernes (RS) sont des dispositifs modulaires à semi-conducteurs qui sont des commutateurs de puissance.

Les principaux éléments de travail de ces appareils sont des triacs, des thyristors ou des transistors. Les relais statiques n'ont pas de pièces mobiles, ce qui les distingue des relais électromécaniques.

La taille d'un relais statique dépend en grande partie de la charge maximale admissible et de la capacité à évacuer la chaleur par transfert thermique et convection (+)

La structure interne de ces appareils peut varier considérablement en fonction du type de charge régulée et du schéma électrique.

Les relais statiques les plus simples comprennent les éléments suivants :

• un module d'entrée avec fusibles ;
• un circuit de déclenchement ;
• un isolement optique (galvanique) ;
• un module de commutation ;
• des circuits de protection ;
• un module de sortie vers la charge.

Le module d'entrée du relais statique est un circuit primaire avec une résistance connectée en série. Un fusible peut être intégré en option dans ce circuit. La fonction du module d'entrée est de recevoir le signal de commande et de transmettre la commande aux interrupteurs qui commutent la charge.

En courant alternatif, on utilise un isolement galvanique pour séparer le circuit de contrôle et le circuit principal. Le principe de fonctionnement du relais dépend en grande partie de sa conception. Le circuit de déclenchement, responsable du traitement du signal d'entrée, peut être inclus dans le module d'isolement optique ou être situé séparément.

Le module de protection empêche les surcharges et les erreurs, car en cas de panne de l'appareil, l'équipement connecté peut également être endommagé.

Le but principal des relais statiques est de fermer/ouvrir un circuit électrique à l'aide d'un faible signal de commande. Contrairement à leurs homologues électromécaniques, ils sont de forme plus compacte et ne produisent pas de clics caractéristiques pendant leur fonctionnement.

Principe de fonctionnement du relais statique

Le fonctionnement d'un relais statique est assez simple. La plupart des relais statiques sont conçus pour commander l'automatisme dans des réseaux de 20 à 480 V.

L'isolation optique permet de créer des signaux de commande de puissance minimale, ce qui est crucial pour les capteurs fonctionnant sur des sources d'alimentation autonomes (+)

Dans la version classique, le boîtier de l'appareil comprend deux contacts du circuit commuté et deux fils de commande. Leur nombre peut varier lors de l'augmentation du nombre de phases connectées. En fonction de la présence de tension dans le circuit de commande, la charge principale est activée ou désactivée par des éléments semi-conducteurs.

La particularité des relais statiques est la présence d'une résistance non infinie. Si les contacts des dispositifs électromécaniques sont complètement déconnectés, dans les relais statiques, l'absence de courant dans le circuit est assurée par les propriétés des matériaux semi-conducteurs.

Par conséquent, sous des tensions élevées, de petits courants de fuite peuvent apparaître, ce qui peut affecter négativement le fonctionnement de l'équipement connecté.

Classification des relais statiques

Les domaines d'application des relais sont variés, c'est pourquoi leurs caractéristiques de conception peuvent différer considérablement en fonction des besoins du schéma automatique spécifique. Les relais statiques sont classés selon le nombre de phases connectées, le type de courant de fonctionnement, les caractéristiques de conception et le type de circuit de commande.

Selon le nombre de phases connectées

Les relais statiques sont utilisés aussi bien dans les appareils domestiques que dans l'automatisme industriel avec une tension de fonctionnement de 380 V.

Par conséquent, ces dispositifs à semi-conducteurs, en fonction du nombre de phases, sont divisés en :

• monophasés ;
• triphasés.

Les relais statiques monophasés permettent de travailler avec des courants de 10-100 ou 100-500 A. Leur commande est effectuée à l'aide d'un signal analogique.

Il est recommandé de connecter des fils de différentes couleurs au relais triphasé afin de pouvoir les raccorder correctement lors de l'installation de l'équipment.

Les relais statiques triphasés peuvent supporter un courant compris entre 10 et 120 A. Leur conception implique un principe de fonctionnement réversible qui assure la fiabilité de la régulation de plusieurs circuits électriques simultanément.

Les relais statiques triphasés sont souvent utilisés pour assurer le fonctionnement d'un moteur asynchrone. Des fusibles rapides sont obligatoirement inclus dans son circuit de commande en raison des courants de démarrage élevés.

Selon le type de courant de fonctionnement

Les relais statiques ne peuvent pas être régles ou reprgramés, ils ne peuvent donc fonciner correctement que dans une certaine plage de paramètres électriques du réseau.

En foncion des besoins, les relais statiques peuvent être commandés par des circuits électriques avec deux types de courant :

• continu ;
• altrenatif.

De même, on peut classer les RS en foncion du type de tension de la charge active. La plupart des relais dans les appareils domestiques fonctionnent avec des paramètres variables.

Le courant continu n'est utilisé comme source d'énergie principale dans aucun pays du monde, donc les relais de ce type ont un champ d'application limité.

Les dispositifs à courant de commande continu se caractérisent par une grande fiabilité et utilisent une tension de régulation de 3-32 V. Ils supportent une large plage de températures (-30..+70 °C) sans modification significative des caractéristiques.

Les relais commandés par courant alternatif ont une tension de commande de 3-32 V ou 70-280 V. Ils se distinguent par de faibles interférences électromagnétiques et une vitesse de déclenchement élevée.

Selon les caractéristiques de construction

Les relais statiques sont souvent installés dans le tableau électrique général d'un appartement, c'est pourquoi de nombreux modèles sont dotés d'un socle de montage pour fixation sur rail DIN.

De plus, il existe des dissipateurs thermiques spéciaux placés entre le RS et la surface de support. Ils permettent de refroidir l'appareil en cas de fortes charges, tout en conservant ses caractéristiques de fonctionnement.

Le relais se fixe sur le rail DIN principalement via un support spécial qui a également une fonction supplémentaire : évacer l'excès de chaleur lors du foncionnement de l'appareil.

Entre le relais et le dissipateur, il est recommandé d'appliquer une couche de pâte thermique, qui augmente la surface de contact et améliore le transfert de chaleur. Il existe également des RS conçus pour être fixés au mur avec des vis ordinaires.

Selon le type de circuit de commande

Le principe de foncionnement d'un équipement à relais réglable ne nécessite pas toujours un déclenchement instanntané.

C'est pourquoi les fabricants ont développé plusieurs schémas de commande pour les RS, qui sont utilisés dans différents domaines:

1. Contrôle «par zéro». Cete option de commande du relais statique suppose un déclenchement seulement lorsque la tension est égale à 0. Elle est utilisée dans les appareils à charge capacitive, résistive (chauffants) et faiblement inductive (transformateurs).
2. Instantané. Utilisé en cas de besoin d'un déclenchement brusque du relais lors de l'application d'un signal de commande.
3. Phasé. Il suppose une régulation de la tension de sortie en modifiant les paramètres du courant de commande. Il est utilisé pour modifier progressivement le degré de chauffage ou d'éclairage.

Les relais statiques diffèrent également par de nombreux autres paramètres, moins importants. C'est pourquoi lors de l'achat d'un RS, il est important de comprendre le schéma de foncionnement de l'équipement à connecter, afin d'acheter un dispositif de régulation qui lui corresponde au maximum.

Vous devez prévoir une marge de puissance, car le relais a une durée de vie opérationnelle qui s'épuise rapidement en cas de surcharges fréquentes.

Avantages et inconvénients des relais statiques

Ce n'est pas sans raison que les relais statiques remplacent les démarreurs et contacteurs classiques sur le marché. Ces dispositifs semi-conducteurs présentent de nombeux avantages par rapport à leurs homologues électromécaniques, ce qui incite les consommateurs à les choisir.

Le relais pour microcircuits a des dimensions compactes et est fortement limité en courant maximal. Il est principalement fixé par soudure de broches spéciales.

Parmi ces avantages, on compte :

1. Faible consommation d'énergie (90 % de moins).
2. Dimensions compactes permettant d'installer les appareils dans un espace restreint.
3. Vitesse élevée de démarrage et d'arrêt.
4. Fonctionnement plus silencieux, absence des clics caractéristiques des relais électromécaniques.
5. Aucun entretien technique n'est nécessaire.
6. Longue durée de vie grâ e à une endurance de plusieurs centaines de millions de cycles.
7. Grâce aux vastes possibilités de modification des modules électoniques, les relais statiques ont des domaines d'application étendus.
8. Absence de perturbations électomagnétiques lors de la commutation.
9. Élimination de l'endommagement des contacts dû à un choc mécanique.
10. Absence de contact physique direct entre les circuits de commande et de commutation.
11. Possibilité de régulation de la charge.
12. Présence dans les relais statiques à impulsions de circuits automatiques de protection contre les surcharges.
13. Possibilité d'utilisation en environnements explosifs.

Les avantages mentionnés des relais statiques ne suffisent pas toujours au fonctionnement normal de l'équipement. C'est pourquoi ils n'ont pas encore complètement remplacé les contacteurs électromécaniques.

Pour un fonctionnement stable des relais statiques de puissance, une dissipation thermique efficace est importante, car à des températures élevées, la tension de charge est fortement déformée.

Les relais statiques présentent également des inconvénients qui empêchent leur utilisation dans de nombeux cas.

Parmi les inconvénients, on compte :

1. Impossibilité de fonctionnement de la plupart des appareils avec des tensions supérieures à 0,5 kV.
2. Coût élevé.
3. Sensibilité aux courants élevés, en particulier dans les circuits de démarrage des moteurs électiques.
4. Limitations d'utilisation en conditions d'humidité élevée.
5. Diminution critique des performances à des températures inférieures à -30 °C et supérieures à 70 °C.
6. Le boîtier compact entraîne un échauffement excessif de l'appaeil sous des charges constamment élevées, ce qui nécessite l'utilisation de dispositifs de refroidissement passif ou actif spéciaux.
7. Possibilité de fusion de l'appareil due à la chaleur en cas de court-circuit.
8. Les micro-courants à l'état bloqué du relais peuvent être critiques pour le fonctionnement de l'équipement. Par exemple, les lampes fluorescentes connectées au réseau peuvent clignoter périodiquement.

Ainsi, les relais statiques ont des domaines d'application spécifiques. Dans les circuits d'équipement industriel haute tension, leur utilisation est sévèrement limitée en raison des propriétés physiques imparfaites des matériaux semi-conducteurs.

Cependant, dans l'électroménager et l'industrie automobile, les SSR occupent une position solide grâce à leurs propriétés positives.

Schémas de branchement possibles

Les schémas de connexion des relais statiques peuvent être très variés. Chaque circuit électrique est construit en fonction des caractéristiques de la charge connectée. Des fusibles supplémentaires, des contrôleurs et des dispositifs de régulation peuvent être ajoutés au schéma.

Grâce au fait que les circuits de commande et de charge de l'appareil ne se chevauchent pas, leurs caractéristiques électriques peuvent différer par n'importe quels paramètres (+)

Voici les schémas de connexion SSR les plus simples et les plus courants :

• normalement ouvert ;
• avec circuit couplé ;
• normalement fermé ;
• triphasé ;
• réversible.

Schéma normalement ouvert (déconnecté) – relais dans lequel la charge est sous tension en présence d'un signal de commande. C'est-à-dire que l'équipement connecté est hors tension lorsque les entrées 3 et 4 sont sans courant.

Avant d'acheter un relais, vous devez déterminer le type d'état initial requis (fermé ou ouvert) afin d'assurer le bon fonctionnement de l'équipement connecté (+)

Schéma normalement fermé – relais dans lequel la charge est sous tension en l'absence de signal de commande. C'est-à-dire que l'équipement connecté est en état de marche lorsque les entrées 3 et 4 sont sans courant.

Il existe un schéma de connexion de relais statique dans lequel la tension de commande et la tension de charge sont identiques. Cette méthode peut être utilisée à la fois pour les réseaux à courant continu et alternatif.

Les relais triphasés sont connectés selon des principes quelque peu différents. Les contacts peuvent être connectés dans les configurations « Étoile », « Triangle » ou « Étoile avec neutre ».

Le choix du schéma de connexion du relais triphasé dépend en grande partie des caractéristiques de fonctionnement de l'équipement connecté en tant que charge.

Les relais statiques réversibles sont utilisés dans les moteurs électriques en mode correspondant. Ils sont fabriqués en version triphasée et comprennent deux circuits de commande.

Si le respect de la polarité des connexions des contacts est important pour le relais, le marquage indiquera toujours où connecter la phase et le neutre.

Il est nécessaire d'assembler les circuits électriques avec des SSR uniquement après les avoir préalablement dessinés sur papier, car des appareils mal connectés peuvent tomber en panne à cause d'un court-circuit.

Application pratique des appareils

Le champ d'utilisation des relais statiques est assez vaste. En raison de leur grande fiabilité et de l'absence de besoin d'entretien régulier, ils sont souvent installés dans des endroits difficiles d'accès des équipements.

Dans de nombreux relais, le branchement des fils du circuit de commande nécessite le respect de la polarité, ce qui doit être pris en compte lors de l'installation de l'équipement.

Les principaux domaines d'application des SSR sont :

• système de thermorégulation avec utilisation de résistances chauffantes ;
• maintien d'une température stable dans les processus technologiques ;
• contrôle du fonctionnement des transformateurs ;
• réglage de l'éclairage ;
• schémas de détecteurs de mouvement, d'éclairage, de photodétecteurs pour l'éclairage extérieur, etc. ;
• commande de moteurs électriques ;
• alimentations sans interruption.

Avec l'automatisation croissante des appareils électroménagers, les relais statiques se répandent de plus en plus, et les technologies des semi-conducteurs en développement constant ouvrent de nouveaux domaines d'application.

Si vous le souhaitez, vous pouvez assembler un relais statique vous-même. Des instructions détaillées sont présentées dans cet article.

Conclusions et vidéo utile sur le sujet

Les vidéos présentées vous aideront à mieux comprendre le fonctionnement des relais statiques et à découvrir leurs méthodes de connexion.

Démonstration pratique du fonctionnement d'un relais statique simple :

Analyse des variétés et des particularités de fonctionnement des relais statiques :

Test du fonctionnement et du degré de chauffage des SSR :

Presque tout le monde peut monter un circuit électrique composé d'un relais statique et d'un capteur.

Cependant, la planification du schéma de fonctionnement nécessite des connaissances de base en électrotechnique, car un mauvais branchement peut entraîner un choc électrique ou un court-circuit. Mais en agissant correctement, vous pouvez obtenir de nombreux appareils utiles dans la vie quotidienne.

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