Contrairement aux relais électromécaniques standards et aux contacteurs qui utilisent des bobines, des champs magnétiques, des ressorts et une variété de contacts mécaniques pour contrôler et commuter une alimentation, le Relais à État Solide, ou SSR comme il est plus communément appelé, n’a pas de pièces mobiles mais utilise plutôt les propriétés électriques et optiques des semi-conducteurs à état solide pour réaliser ses fonctions d’isolation et de commutation entre l’entrée et la sortie.

Tout comme un relais électromécanique normal, les SSR offrent une isolation électrique complète entre leurs contacts d’entrée et de sortie, leur sortie agissant comme un interrupteur électrique conventionnel en ce sens qu’elle présente une résistance très élevée, presque infinie, lorsqu’elle n’est pas conductrice (ouverte), et une résistance très faible lorsqu’elle est conductrice (fermée). Les relais à état solide peuvent être conçus pour commuter des courants AC ou DC en utilisant un SCR, un TRIAC, ou un transistor de commutation au lieu des contacts mécaniques habituels normalement ouverts (NO).

Bien que le relais à état solide et le relais électromécanique soient fondamentalement similaires en ce sens que leur entrée à basse tension est électriquement isolée de la sortie qui commute et contrôle une charge, les relais électromécaniques ont un cycle de vie de contact limité, peuvent prendre beaucoup de place et ont des vitesses de commutation plus lentes, en particulier pour les relais de puissance importants et les contacteurs. Les relais à état solide n’ont pas de telles limitations.

Ainsi, les principaux avantages des relais à état solide par rapport aux relais électromécaniques conventionnels sont qu’ils n’ont pas de pièces mobiles qui peuvent s’user, et donc pas de problèmes de rebond de contact, qu’ils peuvent commuter à la fois “ON” et “OFF” beaucoup plus rapidement que le déplacement de l’armature d’un relais mécanique, ainsi qu’un déclenchement à zéro voltage et une extinction à zéro courant, éliminant ainsi le bruit électrique et les transitoires.

Les relais à état solide peuvent être achetés en paquets standard allant de quelques volts ou ampères à plusieurs centaines de volts et ampères de capacité de commutation de sortie. Cependant, les relais à état solide avec des notes de courant très élevées (plus de 150 A) sont encore trop chers à acheter en raison de leurs besoins en semi-conducteurs de puissance et de refroidissement, et, de ce fait, des contacteurs électromécaniques moins chers sont toujours utilisés.

Similaire à un relais électromécanique, une petite tension d’entrée, généralement de 3 à 32 volts DC, peut être utilisée pour contrôler une tension ou un courant de sortie beaucoup plus élevé. Par exemple 240V, 10A. Cela les rend idéaux pour l’interfaçage avec des microcontrôleurs, PIC et Arduino, car un signal à basse tension de 5 volts provenant par exemple d’un microcontrôleur ou d’une porte logique peut être utilisé pour contrôler une charge de circuit particulière, et cela est réalisé grâce à l’utilisation d’opto-isolateurs.

Un des principaux composants d’un relais à état solide (SSR) est un opto-isolateur (également appelé optocoupleur) qui contient une (ou plusieurs) diode électroluminescente infrarouge ou source de lumière LED, et un dispositif photo-sensible dans un seul boîtier. L’opto-isolateur isole l’entrée de la sortie.

La source de lumière LED est connectée à la section d’entraînement d’entrée du SSR et fournit un couplage optique à travers un espace à un transistor photo-sensible adjacent, un couple Darlington ou un TRIAC. Lorsque un courant traverse la LED, elle s’illumine et sa lumière est focalisée à travers l’espace vers un photo-transistor/photo-TRIAC.

Ainsi, la sortie d’un SSR couplé optiquement est mise “ON” en alimentant cette LED, généralement avec un signal à basse tension. Comme la seule connexion entre l’entrée et la sortie est un faisceau de lumière, une isolation haute tension (généralement plusieurs milliers de volts) est atteinte grâce à cet opto-isolation interne.

Non seulement l’opto-isolateur offre un degré plus élevé d’isolation d’entrée/sortie, mais il peut également transmettre des signaux DC et à basse fréquence. De plus, la LED et le dispositif photo-sensible peuvent être totalement séparés l’un de l’autre et couplés optiquement par le biais d’une fibre optique.

Le circuit d’entrée d’un SSR peut consister en simplement une seule résistance limitant le courant en série avec la LED de l’opto-isolateur, ou d’un circuit plus complexe avec redressement, régulation de courant, protection contre la polarité inversée, filtrage, etc.

Pour activer ou mettre “ON” un relais à état solide dans la conduction, une tension supérieure à sa valeur minimale (généralement 3 volts DC) doit être appliquée à ses bornes d’entrée (équivalent à la bobine d’un relais électromécanique). Ce signal DC peut être dérivé d’un interrupteur mécanique, d’une porte logique ou d’un microcontrôleur, comme illustré.

Lors de l’utilisation de contacts mécaniques, d’interrupteurs, de boutons-poussoirs, d’autres contacts de relais, etc., comme signal d’activation, la tension d’alimentation utilisée peut être égal à la valeur de tension d’entrée minimale du SSR, alors que lors de l’utilisation de dispositifs à état solide comme les transistors, les portes et les microcontrôleurs, la tension d’alimentation minimale doit être d’un ou deux volts supérieur à la tension d’activation du SSR pour tenir compte de la chute de tension interne du dispositif de commutation.

Mais en plus d’utiliser une tension DC, soit en sink soit en source, pour commuter le relais à état solide dans la conduction, nous pouvons également utiliser une forme d’onde sinusoïdale en ajoutant un redresseur pont pour un redressement en onde complète et un circuit de filtrage à l’entrée DC comme montré.

Les redresseurs ponts convertissent une tension sinusoïdale en pulsations redressées en onde complète à deux fois la fréquence d’entrée. Le problème ici est que ces pulsations de tension commencent et se terminent à partir de zéro volt, ce qui signifie qu’elles tomberont en dessous des exigences de tension d’activation minimale du seuil d’entrée du SSR, provoquant ainsi un allumage et un extinction de la sortie à chaque demi-cycle.

Pour surmonter cette excitation erratique de la sortie, nous pouvons lisser les ondulations redressées en utilisant un condensateur de lissage, (C1) à la sortie du redresseur pont. L’effet de charge et de décharge du condensateur augmentera le composant DC du signal redressé au-dessus de la valeur maximale de tension d’activation du relais à état solide. Ainsi, même si une forme d’onde sinusoïdale changeante est utilisée, l’entrée du SSR perçoit une tension DC constante.

Les valeurs de la résistance chute de tension, R₁ et le condensateur de lissage, C₁ sont choisies pour s’adapter à la tension d’alimentation, 120 volts AC ou 240 volts AC, ainsi qu’à l’impédance d’entrée du relais à état solide. Mais quelque chose autour de 40kΩ et 10µF fonctionnerait.

Alors, avec ce circuit de redresseur pont et de condensateur de lissage ajoutés, un relais à état solide standard DC peut être contrôlé en utilisant soit une alimentation AC soit une source DC non polarisée. Bien sûr, les fabricants produisent et vendent déjà des relais à état solide à entrée AC (généralement de 90 à 280 volts AC).

Tout comme pour l’entrée, les capacités de commutation de sortie d’un relais à état solide peuvent être soit une tension AC, soit une tension DC. Le circuit de sortie de la plupart des relais à état solide standard est configuré pour effectuer un seul type d’action de commutation, donnant ainsi l’équivalent d’un fonctionnement à un pôle normalement ouvert, à une seule position (SPST-NO) d’un relais électromécanique.

Pour la plupart des SSR DC, le dispositif de commutation à état solide couramment utilisé est constitué de transistors de puissance, de dispositifs Darlington et de MOSFET. Pour un SSR AC, le dispositif de commutation est soit un TRIAC soit deux rectificateurs contrôlés en silicium (SCR) connectés en inverse parallèle pour permettre une commutation bidirectionnelle. Notez qu’un TRIAC n’est rien d’autre que deux SCR connectés en inverse parallèle, avec leurs portes connectées ensemble.

Les rectificateurs contrôlés en silicium (thyristors) sont généralement préférés en raison de leurs capacités élevées en tension et en courant. Un seul SCR peut également être utilisé dans un circuit de redresseur pont comme montré pour court-circuiter le pont à l’angle de tirage requis.

Circuit de Sortie du Relais à État Solide

L’application la plus courante des relais à état solide est dans la commutation d’une charge AC, que ce soit pour contrôler la puissance AC pour un interrupteur ON/OFF, la variation d’intensité lumineuse, le contrôle de la vitesse d’un moteur ou d’autres applications nécessitant le contrôle de puissance, ces charges AC peuvent être facilement contrôlées avec une tension DC de faible courant en utilisant un relais à état solide, offrant ainsi une longue durée de vie et des vitesses de commutation élevées.

Un des plus grands avantages des relais à état solide par rapport à un relais électromécanique est sa capacité à commuter “OFF” les charges AC au point de courant de charge nul, éliminant ainsi complètement l’amorçage, le bruit électrique et le rebond de contact associés aux relais mécaniques conventionnels et aux charges inductives.

Cela est dû au fait que les relais à état solide de commutation AC utilisent des SCR et des TRIAC comme dispositif de commutation de sortie qui continue à conduire, une fois le signal d’entrée supprimé, jusqu’à ce que le courant AC circulant à travers le dispositif tombe en dessous de sa valeur de courant de seuil ou de maintien. Ainsi, la sortie d’un SSR ne peut jamais s’éteindre au milieu d’un pic de vague sinusoïdale.

Le déclenchement à courant nul est un avantage majeur de l’utilisation d’un relais à état solide car cela réduit le bruit électrique et le contre-émf associé à la commutation des charges inductives, ce qui est perçu comme un arc par les contacts d’un relais électromécanique. Considérez le diagramme de forme d’onde de sortie ci-dessous d’un relais à état solide AC typique.

Forme d’Onde de Sortie du Relais à État Solide

Sans signal d’entrée appliqué, aucun courant de charge ne circule dans le SSR car il est efficacement OFF (ouvert) et les bornes de sortie voient la pleine tension d’alimentation AC. Avec l’application d’un signal d’entrée DC, peu importe quelle partie de la forme d’onde sinusoïdale le cycle traverse, positive ou négative, grâce aux caractéristiques de commutation à zéro voltage du SSR, la sortie ne s’allume que lorsque la forme d’onde traverse le point zéro.

À mesure que la tension d’alimentation augmente soit dans une direction positive soit négative, elle atteint la valeur minimale requise pour allumer complètement les thyristors de sortie ou le TRIAC (généralement moins d’environ 15 volts). La chute de tension aux bornes de sortie du SSR est celle de la chute de tension de l’état “ON” du dispositif de commutation, V_T (généralement moins de 2 volts). Ainsi, tous les courants d’appel associés aux charges réactives ou aux lampes sont considérablement réduits.

Lorsque le signal de tension d’entrée DC est supprimé, la sortie ne s’éteint pas soudainement car une fois déclenché dans la conduite, le thyristor ou le TRIAC utilisé comme dispositif de commutation reste “ON” pour le reste du demi-cycle jusqu’à ce que le courant de charge tombe en dessous du courant de maintien du dispositif, à quel point il s’éteint. Ainsi, les hauteurs de dv/dt contre-emf associées à la commutation des charges inductives au milieu d’une onde sinusoïdale sont considérablement réduites.

Ainsi, les principaux avantages du relais à état solide AC par rapport au relais électromécanique sont sa fonction de passage à zéro qui allume le SSR lorsque la tension de charge AC est proche de zéro volts, supprimant ainsi tous les courants d’appel élevés alors que le courant de charge commencera toujours à partir d’un point proche de 0V, et la caractéristique intrinsèque de coupure à courant nul du thyristor ou du TRIAC. Par conséquent, il existe un maximum possible de retard d’extinction (entre la suppression du signal d’entrée et la suppression du courant de charge) d’un demi-cycle.

Tandis que les relais à état solide peuvent effectuer une commutation simple à passage nul d’une charge, ils peuvent également réaliser des fonctions beaucoup plus compliquées par le biais de circuits logiques numériques, de microprocesseurs et de mémoires. Une autre excellente application des relais à état solide est dans les applications de variation d’intensité lumineuse, que ce soit à domicile ou pour un spectacle ou un concert.

Les relais à commutation non-nulle (instant-on) s’allument immédiatement après l’application du signal de contrôle d’entrée contrairement au SSR à passage zéro ci-dessus qui attend le prochain point de passage zéro de la sinusoïde AC. Cette commutation aléatoire est utilisée dans des applications résistives telles que la variation d’intensité lumineuse et les applications qui nécessitent que la charge soit uniquement alimentée pendant une petite portion du cycle AC.

Forme d’Onde de Sortie de Commutation Aléatoire

Alors que cela permet le contrôle de phase de la forme d’onde de charge, le principal problème des relais à commutation aléatoire est que le courant de pointe de charge initial au moment où le relais s’active peut être élevé en raison de la puissance de commutation du SSR lorsque la tension d’alimentation est proche de sa valeur maximale (90^o). Lorsque le signal d’entrée est supprimé, il cesse de conduire lorsque le courant de charge tombe en dessous du courant de maintien des thyristors ou des TRIAC comme illustré. Évidemment, pour un SSR DC, l’action de commutation ON-OFF est instantanée.

Le relai à état solide est idéal pour une large gamme d’applications de commutation ON/OFF car ils n’ont pas de pièces mobiles ni de contacts contrairement à un relais électromécanique (EMR). Il existe de nombreux types commerciaux différents à choisir pour les signaux de contrôle d’entrée AC et DC ainsi que pour la commutation de sortie AC et DC car ils emploient des éléments de commutation à semi-conducteurs, tels que des thyristors, des TRIAC et des transistors.

Mais en utilisant une combinaison d’un bon opto-isolateur et d’un TRIAC, nous pouvons créer notre propre relais à état solide simple et peu coûteux pour contrôler une charge AC telle qu’un chauffage, une lampe ou un solénoïde. Comme un opto-isolateur n’a besoin que d’une faible quantité de puissance d’entrée/de contrôle pour fonctionner, le signal de contrôle pourrait provenir d’un PIC, d’un Arduino, d’un Raspberry PI, ou de tout autre microcontrôleur similaire.

Supposons que nous voulons un microcontrôleur avec un signal de port de sortie numérique de seulement +5 volts pour contrôler un élément de chauffage AC de 120V, 600 watts. Pour cela, nous pourrions utiliser l’opto-triac isolateur MOC 3020, mais le TRIAC interne ne peut passer qu’un courant maximal (I_TSM) de 1 ampère crête au maximum d’une alimentation AC de 120V, donc un TRIAC de commutation additionnel doit également être utilisé.

Tout d’abord, considérons les caractéristiques d’entrée de l’opto-isolateur MOC 3020 (d’autres opto-triacs sont disponibles). La fiche technique des opto-isolateurs nous indique que la chute de tension directe, (V_F) de la diode électroluminescente d’entrée est de 1.2 volts et le courant direct maximal, (I_F) est de 50 mA.

La LED nécessite environ 10 mA pour briller raisonnablement lumineux jusqu’à sa valeur maximale de 50 mA. Cependant, le port de sortie numérique du microcontrôleur ne peut fournir qu’un maximum de 30 mA. Par conséquent, la valeur du courant nécessaire se situe quelque part entre 10 et 30 milliampères. Ainsi :

Ainsi, une résistance limitant le courant en série avec une valeur entre 126 et 380Ω peut être utilisée. Comme le port de sortie numérique bascule toujours à +5 volts, et pour réduire la dissipation de puissance à travers la LED de l’opto-coupleur, nous choisirons une valeur résistive préférée de 240Ω. Cela donne un courant direct LED de moins de 16mA. Dans cet exemple, toute valeur de résistance entre 150Ω et 330Ω conviendrait.

La charge de l’élément de chauffage est de 600 watts résistive. En utilisant une alimentation AC de 120V, nous obtiendrions un courant de charge de 5 ampères (I = P/V). Comme nous souhaitons contrôler ce courant de charge dans les deux demi-cycles (tous les 4 quadrants) de l’onde AC, nous aurions besoin d’un TRIAC de commutation de réseau.

Le BTA06 est un TRIAC de 6 ampères (I_T(RMS)) et 600 volts adapté pour la commutation générale ON/OFF des charges AC, mais tout TRIAC similaire noté de 6 à 8 ampères fonctionnera. De plus, ce TRIAC de commutation nécessite seulement 50 mA de commande de porte pour commencer la conduction, ce qui est bien moins que la capacité maximale de 1 ampère de l’opto-isolateur MOC 3020.

Considérons que le TRIAC de l’opto-isolateur a été activé au point maximum (90^o) de la tension d’alimentation AC de 120V. Cette tension de pointe équivaut à: 120 x 1.414 = 170Vpk. Si le courant maximal de l’opto-triac (I_TSM) est de 1 ampère crête, alors la valeur minimale de résistance en série requise est de 170/1 = 170Ω, ou 180Ω à la valeur préférée la plus proche. Cette valeur de 180Ω protégera l’opto-coupleur de l’output TRIAC, ainsi que la porte du TRIAC BTA06 sur une alimentation AC de 120V.

Si le TRIAC de l’opto-isolateur s’active au point de passage zéro de la tension d’alimentation AC de 120V_RMS, la tension minimale requise pour fournir le courant de commande de 50mA nécessaire forçant le TRIAC de commutation en conduction sera: 180Ω x 50mA = 9.0 volts. Alors, le TRIAC s’active en conduction lorsque la tension sinusoidale entre la porte et MT1 est supérieure à 9 volts.

Ainsi, la tension minimale requise après le point de passage zéro de l’onde AC serait 9 volts crête avec la dissipation de puissance dans cette résistance de porte série étant très faible, donc une résistance de 180Ω, notée 0.5 watt pourrait être utilisée en toute sécurité. Considérez le circuit ci-dessous.

Circuit SSR AC

Ce type de configuration d’opto-coupleur forme la base d’une application de relais à état solide très simple qui peut être utilisée pour contrôler n’importe quelle charge alimentée par le réseau AC, comme des lampes et des moteurs. Ici, nous avons utilisé le MOC 3020 qui est un isolateur à commutation aléatoire.

L’opto-isolateur MOC 3041 a les mêmes caractéristiques mais avec détection de passage zéro intégrée permettant à la charge de recevoir toute sa puissance sans les forts courants d’appel lors de la commutation des charges inductives.

La diode D₁ empêche les dommages dus à une connexion inversée de la tension d’entrée, tandis que la résistance de 56 ohms (R₃) court-circuite tous les courants di/dt lorsque le TRIAC est OFF, éliminant ainsi les déclenchements intempestifs. Elle relie également le terminal de la porte à MT1, garantissant que le TRIAC s’éteint complètement.

Si utilisé avec un signal d’entrée modulé par largeur d’impulsion, la fréquence de commutation ON/OFF doit être réglée à moins de 10Hz au maximum pour une charge AC, sinon la commutation de sortie de ce circuit de relais à état solide pourrait ne pas pouvoir suivre.