Comment utiliser des relais statiques à faible bruit spécialisés pour limiter les interférences électromagnétiques et répondre aux normes critiques

Depuis leur introduction il y a plus de trois décennies, les relais statiques (SSR) ont remplacé les relais électromagnétiques (EMR) pour les applications de commutation exigeant un fonctionnement ultrafiable, sans arc et basse puissance. Les autres avantages des relais statiques incluent leur fonctionnement silencieux et leur compatibilité avec les circuits de commande numériques.

Cependant, dans les applications domestiques, commerciales et médicales exigeantes, en particulier celles qui requièrent la conformité aux normes de compatibilité électromagnétique (CEM) internationales telles que la norme CEI 60947-4-3, une sélection minutieuse des relais est indispensable pour s'assurer que les interférences électromagnétiques (EMI) générées par le relais sont réduites autant que possible. Certains produits peuvent produire des pics de tension et risquent de ne pas être conformes aux normes CEM.

Cet article étudie les avantages et les inconvénients des relais statiques et les applications auxquelles ils conviennent le mieux. L'article examine ensuite les parties clés du relais qui peuvent causer des émissions gênantes avant de présenter une gamme de relais statiques à faible bruit de Sensata Technologies que les concepteurs peuvent utiliser pour des applications commerciales, domestiques et médicales sensibles aux interférences électromagnétiques.

Comparaison des relais statiques et des relais électromécaniques

Parce qu'il est exposé au plein courant du circuit lorsqu'il est fermé, un commutateur pour mettre un circuit haute puissance sous et hors tension n'est pas une solution pratique. Le commutateur forme des arcs dangereux durant le fonctionnement et surchauffe. La solution consiste à utiliser un circuit basse puissance, activé et désactivé par un commutateur classique, pour déclencher le circuit haute puissance.

Cette configuration permet des économies de coûts et d'espace en réduisant la longueur de câblage lourd requis pour le circuit haute puissance. Ces avantages sont possibles étant donné que le relais peut être placé à proximité de la charge et que des fils plus fins peuvent être utilisés pour la connexion au commutateur basse puissance. Ce commutateur est généralement placé à un endroit plus pratique pour l'utilisateur. De plus, le circuit basse puissance peut être isolé galvaniquement du circuit haute puissance. Les relais sont par exemple utilisés dans les fours commerciaux, les appareils électroménagers et les équipements médicaux.

Les relais électromagnétiques traditionnels utilisent une bobine qui est alimentée par le circuit basse puissance pour créer un champ magnétique qui ferme ensuite les contacts (normalement ouverts). Les relais électromagnétiques peuvent commuter une charge CA ou CC jusqu'à leur valeur nominale maximale. Leur résistance de contact diminue à mesure que la charge augmente, ce qui réduit la dissipation de puissance et élimine le recours à un dissipateur thermique (Figure 1).

Figure 1 : Les relais électromagnétiques connectent l'alimentation CA à la charge lorsque le commutateur dans le circuit basse puissance est fermé et alimente la bobine qui, à son tour, ferme les contacts. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Les principaux avantages des relais électromagnétiques sont leur faible coût et l'isolation garantie à toute tension appliquée en dessous de la valeur diélectrique du dispositif. L'isolation est particulièrement importante lorsque le circuit haute puissance doit être complètement activé ou désactivé sans risque de blessure pour l'utilisateur en raison des courants de fuite. Les relais électromagnétiques constituent également une bonne option si l'on s'attend à de forts courants de pointe ou à des pics de tension dans l'alimentation CA.

Les principaux inconvénients des relais électromagnétiques sont les risques d'interférences électromagnétiques et d'usure. Comme des arcs électriques peuvent se produire lorsque les contacts s'ouvrent et se ferment, le relais peut générer des interférences électromagnétiques non négligeables. En général, les niveaux sont faibles et les relais électromagnétiques bien conçus intègrent un blindage pour atténuer les émissions, mais il convient de prêter attention aux applications utilisées à proximité d'équipements sensibles aux interférences électromagnétiques.

Comme les relais électromagnétiques sont des dispositifs mécaniques, même les produits les mieux conçus et les mieux fabriqués finissent par s'user. Dans la plupart des cas, c'est la bobine qui lâche en premier, laissant le dispositif dans un état de sécurité car les contacts sont normalement ouverts (NO), laissant les circuits basse puissance isolés des circuits haute puissance. Cela étant dit, les relais électromagnétiques modernes sont très fiables et il arrive souvent que l'équipement alimenté par le relais s'use en premier.

Les relais statiques se sont imposés lorsque les circuits de commande utilisés pour commuter les applications haute puissance ont migré vers l'électronique numérique. Les relais statiques sont des dispositifs à semi-conducteurs et, en tant que tels, ils conviennent bien à la supervision par des circuits numériques basés sur microcontrôleur, en particulier pour les applications à haute vitesse de commutation.

Les relais statiques résolvent les principaux inconvénients des relais électromagnétiques. Comme ils ne contiennent pas de pièces mobiles, les relais statiques ne s'usent pas. Les dispositifs fonctionnent généralement pendant des dizaines de millions de cycles, mais lorsqu'ils tombent en panne, ils sont généralement en position « marche », ce qui peut avoir des conséquences sur la sécurité. Les relais statiques ne génèrent pas d'arcs électriques à l'ouverture ou à la fermeture, ce qui non seulement les rend utilisables dans les environnements dangereux, mais élimine également la source d'une grande partie des interférences électromagnétiques pouvant affecter les relais électromagnétiques. Ils sont également mécaniquement silencieux, fonctionnent sur une vaste plage de tensions d'entrée et consomment peu d'énergie, même à hautes tensions. La transition des relais électromagnétiques aux relais statiques s'est accélérée, le prix de ces derniers continuant à baisser.

Les principaux inconvénients des relais statiques découlent de leur fonction première de circuit semi-conducteur. Par exemple, en marche, il y a une résistance importante, ce qui entraîne une dissipation de puissance de plusieurs dizaines de watts avec une accumulation de chaleur. Les défis thermiques sont généralement tels que le concepteur doit inclure un dissipateur thermique important qui augmente la taille et le poids de la solution. Les relais statiques sont également affectés par la chaleur ambiante et doivent donc être détarés s'ils sont utilisés à des températures élevées. La résistance du circuit interne peut également générer une chute de tension pouvant causer des problèmes pour la charge si elle est sensible aux variations de la tension d'alimentation. Lorsqu'ils sont à l'état « arrêt », les relais statiques présentent un certain courant de fuite. À hautes tensions, cela peut être indésirable ou même constituer un problème de sécurité. En outre, de nombreux relais statiques nécessitent une charge minimale pour fonctionner correctement.

Principes de base du fonctionnement des relais statiques

Le commutateur de sortie est l'élément clé du relais statique. Pour un relais de sortie CA, la sortie peut être contrôlée par un triac ou un redresseur au silicium commandé (SCR) tête-bêche. Le principal avantage de la solution SCR est une caractéristique dv/dt rapide, en particulier lorsque le relais est désactivé.

Par exemple, lorsqu'un relais statique avec un triac contrôlant la sortie s'arrête, la valeur dv/dt peut être de 5 à 10 volts/milliseconde (V/ms) seulement. La caractéristique dv/dt lente peut être un problème car si la valeur di/dt pour le courant décroissant (et/ou dv/dt pour la tension réappliquée) est trop faible, le triac peut être conducteur après que l'alimentation CA a franchi le point zéro de courant/tension. Un tel événement déstabilise la sortie et peut accroître les interférences électromagnétiques.

En comparaison, les SCR ont une valeur dv/dt d'environ 500 volts/microseconde (V/µs) et ne seront pas conducteurs après le point de passage par zéro. Un autre avantage d'un relais statique avec SCR est une meilleure dissipation de la chaleur car les composants sont répartis sur une plus grande surface qu'un simple triac. La suite de cet article décrit les relais statiques avec un étage de sortie SCR tête-bêche.

Un relais statique de base utilisant des SCR est illustré à la Figure 2. Les relais statiques à sortie CA sont généralement alimentés par la ligne CA. Lorsque S1 (contrôlé par le circuit d'entrée) est fermé, les grilles respectives de SCR1 et SCR2 sont connectées et le courant de l'alimentation CA circule via R1 ou R2 et dans la grille du SCR à polarisation directe. Le SCR est alors activé et le relais est conducteur, alimentant la charge. Pour chaque demi-cycle de l'alimentation CA, les SCR sont conducteurs alternativement et le courant est fourni à la charge. Lorsque S1 est ouvert, le SCR qui est activé continue à être conducteur jusqu'à ce que le courant CA atteigne zéro lorsque le SCR se désactive. À ce stade, l'autre SCR ne reçoit plus de courant de grille, le relais s'ouvre et l'alimentation de la charge est coupée.

Figure 2 : Disposition de base d'un relais utilisant des SCR tête-bêche. S1 est formé par le circuit d'entrée basse puissance. (Source de l'image : Sensata-Crydom)

Les relais statiques modernes s'appuient généralement sur un photocoupleur pour fournir l'isolation entre les circuits basse et haute puissance. Les deux options principales pour le concepteur consistent à utiliser un photocoupleur basé sur LED/phototransistor ou un dispositif combinant une LED et un optotriac. Un phototransistor nécessite moins de courant de commande, économise de l'espace et offre au concepteur plus de possibilités pour configurer les caractéristiques du circuit de commande. Le principal avantage de l'approche triac est son faible coût. Un schéma de relais contrôlé par optotriac est illustré à la Figure 3.

Figure 3 : Dans ce relais statique, l'isolation entre les circuits basse et haute puissance est assurée par un photocoupleur basé sur un optotriac. (Source de l'image : Sensata-Crydom)

(Pour plus d'informations sur la manière de sélectionner un relais statique, voir l'article technique de DigiKey, « Comment commuter efficacement un courant ou une tension en toute sécurité avec des relais statiques »).

Relais statiques pour environnements à faibles EMI

Le choix d'un relais statique à sortie commandée par SCR est une bonne option pour les applications sensibles aux interférences électromagnétiques, car les dispositifs présentent des caractéristiques inhérentes de faible bruit. Pour les applications particulièrement sensibles, telles que celles qui nécessitent l'utilisation de produits de commutation conformes à la norme CEI 60947-4-3, il convient de choisir des produits à bruit ultrafaible. Les relais statiques qui ne s'activent que lorsque la tension CA franchit le point de tension zéro — indépendamment du moment où l'entrée est activée — constituent une bonne option pour ces applications.

Ces dispositifs de passage par zéro éliminent le courant d'appel et les pics de tension pouvant se produire lors de l'activation des circuits haute puissance alors que la sortie CA est au milieu du cycle. Cela permet de réduire l'incidence des interférences électromagnétiques. Les concepteurs doivent noter que si les relais statiques à passage par zéro sont particulièrement adaptés aux charges résistives telles que les éléments chauffants, ils ne conviennent pas aux charges hautement inductives. Un meilleur choix pour ces applications est le relais statique à commutation aléatoire. Ces relais commutent dès que le commutateur d'entrée est activé, plutôt que d'attendre que l'alimentation CA atteigne zéro.

Sensata Technologies, qui propose la marque de relais statiques Sensata-Crydom, a récemment ajouté trois produits à sa série LN de relais statiques à faible bruit à sortie CA. Le LND4425 peut fournir 25 ampères (A) à la sortie, tandis que le LND4450 fournit 50 A et le LND4475 75 A. Les dispositifs nécessitent un courant de charge minimum de 100 milliampères_rms (mA_rms) pour un fonctionnement stable, ils sont fournis dans le facteur de forme « hockey puck » et ils pèsent environ 75 grammes (g) (Figure 4). Ces trois solutions présentent une sortie de 48 à 528 VCA et fonctionnent à partir d'une tension de commande de 4,8 à 32 VCC. Elles offrent une protection intégrée contre les surtensions entrée/sortie, et leur rigidité diélectrique d'entrée à sortie est de 3500 V_rms.

Figure 4 : Les relais statiques LND44xx de Sensata-Crydom offrent jusqu'à 75 A et 528 V depuis une solution compacte pesant seulement 75 g. (Source de l'image : Sensata-Crydom)

La série LN a été conçue pour un fonctionner avec les plus bas niveaux d'interférences électromagnétiques. Elle utilise un photocoupleur avec un optotriac à l'entrée, et des SCR tête-bêche pour le contrôle de sortie afin de surmonter les interférences électromagnétiques potentielles pouvant se produire en raison d'une caractéristique dv/dt lente. Les SCR tête-bêche affichent une valeur dv/dt de 500 V/µs. Les produits présentent également un circuit de déclenchement breveté qui permet la commutation de charges résistives avec un minimum d'interférences électromagnétiques. Un schéma des relais statiques série LN est illustré à la Figure 5.

Figure 5 : Les relais statiques série LN de Sensata-Crydom sont conçus pour minimiser les interférences électromagnétiques grâce à des caractéristiques telles qu'un circuit de déclenchement breveté et des SCR tête-bêche. (Source de l'image : Sensata-Crydom)

Le résultat de ces caractéristiques d'atténuation des interférences électromagnétiques est conforme à la norme CEI 60947-4-3 Environnement B pour les sites domestiques, commerciaux et industriels légers à basse tension (Figure 6).

Figure 6 : Test d'émissions RF conduites effectué pour le relais statique LND4450 de Sensata-Crydom. Le seuil de conformité à la norme CEI 60947-4-3 Environnement B est indiqué par une ligne orange continue. (Source de l'image : Sensata-Crydom)

La série LN est particulièrement adaptée aux applications telles que les éléments chauffants dans les fours commerciaux, comme illustré à la Figure 7.

Figure 7 : Les relais utilisés dans les fours commerciaux doivent être conformes à la réglementation CEI 60947-4-3 Environnement B. Dans ce graphique, les emplacements des relais sont identifiés par des chiffres, le « 1 » indiquant où les relais statiques LND44xx seraient un bon choix. (Source de l'image : Sensata-Crydom)

Conclusion

Les relais constituent une solution simple et éprouvée pour commuter un circuit haute puissance en utilisant un circuit d'activation basse puissance. Les relais électromécaniques sont une bonne option lorsqu'une solution à faible coût est nécessaire, mais ils conviennent moins bien à une utilisation dans les applications de commutation haute fréquence et dans les zones sensibles aux interférences électromagnétiques. Les relais statiques sont plus chers mais offrent un fonctionnement robuste et sans usure, et ils sont particulièrement compatibles avec le contrôle par électronique numérique. Cependant, les concepteurs qui choisissent des relais statiques doivent être conscients des défis thermiques que cela implique en raison de la plus grande dissipation de chaleur dans des applications similaires par rapport aux relais électromécaniques.

Bien que tous les types de relais statiques présentent des interférences électromagnétiques inférieures aux relais électromécaniques, certaines conceptions ont du mal à répondre aux exigences réglementaires de compatibilité électromagnétique, telles que celles spécifiées dans la norme CEI 60947-4-3 Environnement B. Comme illustré, la solution consiste à utiliser des relais statiques avec des étages de sortie SCR tête-bêche. Ils offrent une commutation au passage par zéro qui se traduit par des émissions RF ultrafaibles, simplifiant la mise en conformité.