Relais statique ou relais mécanique : choisissez selon la charge

Le choix entre un relais et un SSR ne dépend pas principalement de la nouveauté de la pièce. Il dépend de la façon dont la charge sollicite l’interrupteur, de la fréquence des commutations et de ce qui se passe à l’état désactivé. Pour un chauffage, un relais statique est généralement le bon outil; pour un petit moteur ou une lampe simple, un relais mécanique est souvent le choix le moins coûteux et le plus simple.

Relais mécanique ou relais statique : les différences utiles

Un relais mécanique déplace des contacts au moyen d’une bobine. Un relais statique utilise des semi-conducteurs, généralement un triac ou une paire de SCR pour les charges c.a., et des MOSFET pour les charges c.c.

Le tableau est un filtre de conception, et non un remplacement de la fiche technique de la pièce. Un relais indiqué pour un certain courant résistif peut avoir une capacité beaucoup plus faible pour un moteur ou une lampe. Le courant nominal annoncé d’un SSR peut présumer l’utilisation d’un dissipateur thermique précis, d’une température ambiante, d’une méthode de montage et d’un cycle de fonctionnement particuliers.

Vitesse de commutation et durée de vie des contacts

Un relais mécanique a besoin de temps pour que sa bobine crée un champ magnétique et déplace l’armature. Les contacts rebondissent aussi brièvement lorsqu’ils se ferment. Cela n’a aucune importance pour un thermostat qui change d’état toutes les quelques minutes, mais c’est important pour les trains d’impulsions et les interverrouillages rapides.

Un relais statique n’a aucun rebond de contact et commute généralement plus rapidement. Ne considérez pas tous les SSR comme des interrupteurs instantanés. Les SSR c.a. sont généralement offerts en versions à passage par zéro et à déclenchement aléatoire. Un appareil à passage par zéro attend que la forme d’onde c.a. approche de zéro avant de s’activer, ce qui réduit le bruit électrique et les contraintes liées au courant d’appel. Il ne convient pas à certains travaux de commande de phase ou de synchronisation précise. Un appareil à déclenchement aléatoire peut s’activer à un autre moment de la forme d’onde, mais cela peut créer davantage d’interférences et de contraintes.

La durée de vie des contacts mécaniques dépend aussi de la charge. L’ouverture d’une petite charge résistive est douce. L’ouverture d’une charge inductive, d’un transformateur ou d’un moteur crée une pointe de tension qui peut produire un arc entre les contacts. Le relais peut survivre à de nombreuses opérations peu contraignantes et à un nombre beaucoup plus petit d’opérations fortement contraignantes. Une diode de roue libre se place aux bornes d’une bobine c.c., tandis qu’un circuit d’amortissement RC ou un limiteur approprié peut être nécessaire pour les charges c.a. ou d’autres charges inductives. Le composant de suppression doit correspondre à la charge et au sens de commutation.

Un SSR élimine l’usure mécanique, mais il n’élimine pas les défaillances. Les cycles thermiques, les surtensions de charge, un dv/dt excessif et un dispositif de sortie en court-circuit peuvent mettre fin à sa durée de vie. De nombreux SSR tombent en court-circuit, laissant la charge activée. Cette défaillance est plus grave qu’une lumière qui refuse de s’allumer; un circuit essentiel à la sécurité a donc besoin d’un dispositif de coupure indépendant ou d’une réponse aux défaillances.

Fuite à l’état désactivé et chaleur à l’état activé

Deux propriétés des SSR causent la plupart des surprises au banc.

Premièrement, un relais statique laisse fuir un petit courant lorsqu’il est désactivé. Le courant est généralement minuscule comparativement au courant de fonctionnement de la charge, mais il n’est pas nul. Une lampe DEL à haute efficacité peut luire faiblement au lieu de s’éteindre complètement, ou une alimentation électronique peut continuer d’essayer de démarrer. La fuite exacte figure dans la fiche technique du SSR et varie selon le type de sortie et la tension.

Les contacts ouverts d’un relais mécanique bloquent normalement presque complètement ce courant. Pour une lampe qui doit être visiblement éteinte, cette différence peut être plus importante que la vitesse de commutation. Une résistance de décharge bien choisie, un dispositif de dérivation compatible ou une autre méthode de commutation peuvent régler le problème de fuite du SSR, mais chacun ajoute ses propres considérations liées à la puissance et à la sécurité. N’ajoutez pas de résistance aux bornes du secteur sans calculer sa tension, sa dissipation, son boîtier et son comportement en cas de défaillance.

Deuxièmement, un relais statique présente une chute de tension lorsqu’il conduit et nécessite donc un dissipateur thermique à des courants plus élevés. La chute de tension de sortie multipliée par le courant de charge devient de la chaleur à l’intérieur du SSR. Le chemin thermique requis dépend de la technologie de sortie du relais, du courant, de la température ambiante, de la surface de montage et du cycle de fonctionnement. Utilisez les données thermiques du fabricant plutôt que de choisir un dissipateur à partir du courant nominal indiqué.

Un relais mécanique présente généralement une chute de tension beaucoup plus faible entre ses contacts fermés, même si sa bobine consomme de l’énergie et peut réchauffer le boîtier. Pour une charge peu sollicitée, cela rend l’option mécanique intéressante. Pour un chauffage qui fonctionne pendant des heures, la chaleur produite par la sortie du SSR doit être incluse dans la conception du boîtier, tandis que l’usure des contacts et la fréquence de commutation du relais mécanique peuvent être le principal problème.

Quel interrupteur convient à une lampe, à un moteur ou à un chauffage

Lampe

Pour une lampe à incandescence commutée à l’occasion, nous choisirions normalement un relais mécanique si ses caractéristiques de tension et de courant d’appel conviennent. L’état désactivé est net, la résistance des contacts est faible et aucun dissipateur thermique n’est nécessaire.

Une lampe DEL nécessite davantage d’attention. Son alimentation interne peut tirer un courant de démarrage élevé, et la fuite du SSR peut la faire luire faiblement lorsqu’elle est éteinte. Un relais mécanique est souvent le choix simple pour une lampe ou un petit groupe de lampes. Un SSR c.a. peut fonctionner si sa fuite, son comportement avec une charge minimale, sa capacité de courant d’appel et sa synchronisation à passage par zéro sont tous compatibles. L’étiquette de la lampe ne fournit pas à elle seule assez d’information pour choisir le relais.

Moteur

Pour un petit moteur qui démarre à l’occasion, nous choisirions habituellement un relais mécanique dont les contacts sont conçus pour les moteurs et qui possède une suppression adaptée au moteur. La capacité des contacts doit tenir compte du courant de démarrage, et pas seulement du courant de fonctionnement. Un relais qui semble adéquat avec une charge résistive peut rester soudé ou produire de forts arcs avec un moteur.

Un SSR n’est pas automatiquement plus silencieux ou plus sécuritaire pour un moteur. Un SSR c.a. à triac peut avoir de la difficulté à se désactiver si le courant du moteur descend sous son courant de maintien, et il peut être soumis à des contraintes causées par les surtensions de démarrage. Un moteur c.c. nécessite un SSR conçu pour le c.c., normalement avec une sortie MOSFET, ainsi qu’un chemin pour l’énergie inductive. Un contrôleur statique conçu pour les moteurs peut constituer un meilleur circuit que l’un ou l’autre des types de relais polyvalents lorsqu’une commande de vitesse ou des inversions fréquentes sont nécessaires.

Chauffage

Pour un chauffage résistif qui commute souvent, nous choisirions un relais statique, généralement un modèle c.a. à passage par zéro pour une commande ordinaire de température marche-arrêt. Il évite l’usure des contacts et fonctionne silencieusement. Le SSR nécessite tout de même des fusibles appropriés, une tension nominale adéquate, une marge pour le courant de charge, une circulation d’air dans le boîtier et un dissipateur thermique dimensionné à partir de ses données thermiques.

Pour un petit chauffage qui fonctionne rarement, un relais mécanique convient. Remplacer un relais qui commute quelques fois par heure par un SSR n’améliore pas le résultat si le vrai problème est une détection de température inadéquate, une hystérésis insuffisante ou l’absence d’un fusible. Le prix d’achat du SSR et son dissipateur thermique n’apportent alors aucun rendement utile.

Comment l’utilisation et la quantité modifient le choix

La quantité de pièces ne crée pas de seuil de transition universel. Un contrôleur fabriqué en un seul exemplaire peut utiliser un relais mécanique, et un produit fabriqué en mille exemplaires peut encore en utiliser un si la charge commute rarement et si le calcul de durée de vie du relais est concluant. À l’inverse, un seul chauffage commutant fréquemment peut justifier un SSR, même dans un prototype unique.

Effectuez les vérifications dans cet ordre :

• Déterminez d’abord s’il s’agit d’une sortie c.a. ou c.c. Un SSR c.a. à triac ne remplace pas un SSR c.c. à MOSFET.
• Notez le courant de fonctionnement, le courant de démarrage ou d’appel, la tension et le facteur de puissance de la charge.
• Déterminez la fréquence des changements d’état de la sortie et la durée pendant laquelle elle reste activée.
• Vérifiez la fuite à l’état désactivé par rapport à la charge, particulièrement avec les lampes DEL et les alimentations électroniques.
• Vérifiez la chute de tension à l’état activé du SSR et calculez la chaleur au courant réel.
• Ajoutez une suppression pour les bobines et les moteurs, puis vérifiez que le dispositif de suppression ne nuit pas au relâchement ou à la désactivation.
• Déterminez comment le circuit doit réagir en cas de défaillance : désactivé, activé ou déconnecté par un dispositif de sécurité distinct.

La réponse change selon le cycle de fonctionnement, et non selon le nombre de pièces. Choisissez le relais mécanique lorsque les faibles fuites, la faible chaleur à l’état activé et les commutations occasionnelles sont prioritaires. Choisissez le relais statique lorsque les commutations fréquentes et le fonctionnement silencieux sont plus importants, et que la conception peut tenir compte de ses fuites et de sa chaleur.

Questions fréquentes

Un SSR éteindra-t-il complètement une lampe DEL?

Pas toujours. Un relais statique laisse fuir un petit courant lorsqu’il est désactivé, et certaines lampes DEL réagissent en luisant faiblement ou en pulsant. Vérifiez le courant de fuite indiqué du SSR et le circuit d’entrée de la lampe. Un relais mécanique procure généralement un état désactivé plus net.

Tous les relais statiques ont-ils besoin d’un dissipateur thermique?

Non. Le besoin dépend du type de sortie, du courant, de la chute de tension, de la température ambiante, du cycle de fonctionnement et des caractéristiques thermiques du relais. À des courants plus élevés, la chute de tension pendant la conduction crée assez de chaleur pour nécessiter un dissipateur thermique. Calculez la dissipation plutôt que de vous fier au courant maximal indiqué sur l’étiquette.

Un relais statique est-il préférable pour un moteur?

Pas par défaut. Le courant d’appel du moteur, son comportement inductif à la désactivation, le type d’alimentation et le mode de commutation requis déterminent le choix. Un relais mécanique correctement dimensionné est souvent l’option la plus simple pour des démarrages occasionnels; un SSR c.c. ou c.a. approprié peut être préférable pour des commutations fréquentes si ses limites thermiques et de commutation sont respectées.

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