Couverture ElectroniqueS n°127

Si le relais électromécanique est caractérisé par une souplesse d'emploi qui ne justifie pas la multiplication des modèles à l'infini, il n'en est pas de même des relais statiques. Et ce, malgré tout l'avantage que l'on peut tirer de l'emploi exclusif de semiconducteurs dans les applications de puissance. Si l'on excepte les relais reed et autres relais à ampoule, la majorité des relais électromécaniques est construite sur le même modèle. Hormis leur dimensionnement, ils s'adaptent à une multitude de situations, tant du point de vue du mode de commande que de celui du type de signal commuté. Ainsi, la plupart des relais courants conviennent aussi bien à la commutation de charges sur le secteur qu'à la commutation d'alimentations continues, ou à celle de signaux dans une large gamme de niveaux et de fréquences. Une telle souplesse est loin de se retrouver dans les relais statiques, entièrement constitués de semiconducteurs. Les arguments en faveur d'une conception exclusivement statique ne manquent cependant pas. En premier lieu on évoque l'excellence de la fiabilité, imputable à l'absence de pièces mobiles et de pièces d'usure. A cela s'ajoutent la vitesse de commutation, l'absence de rebonds, et, côté circuit de commande, une faible demande en énergie et parfois une tension d'isolement supérieure. Néanmoins, chacun de ces attraits a une contrepartie. La fiabilité a beau être meilleure sur le papier (figure 1), elle suppose que les semiconducteurs fonctionnent dans leurs conditions de sécurité. A tel point qu'on ne confie jamais à un relais statique des fonctions mettant en jeu la sécurité des personnes intervenant sur le circuit commuté. De ce fait, bien que ces dispositifs aient un rôle important à jouer dans les systèmes d'alimentation moderne (figure 2), pour la sécurité des personnes, on n'échappera jamais à l'obligation de disposer des commutateurs mécaniques (disjoncteur, sectionneur…) afin d'assurer l'isolation galvanique de la charge lors des interventions. Quant à la vitesse de commutation élevée, elle constitue souvent un inconvénient dans les applications de puissance. En effet, surcharges résistives (lampes, dispositifs chauffants), elle engendre des pointes de courant dues au fait que la résistance de la charge à froid est inférieure à la valeur nominale à chaud. Sur les charges réactives, elle est à l'origine de surtensions (inductances) ou de surintensités (capacités) aux nombreuses conséquences fâcheuses. Enfin, si la commande est moins gourmande en énergie, elle est aussi moins flexible que celle des relais qui peut souvent se faire indifféremment tant en courant alternatif que continu, et ce sur une large plage de valeurs. L'aspect thermique Comme nous l'avons indiqué précédemment, les relais statiques dissipent de la puissance. Il y a lieu d'assurer leur refroidissement de telle manière que la température de jonction ne dépasse pas la valeur spécifiée, généralement de 110 ou 125°C. Le principal outil de calcul est la loi d'Ohm thermique. Deux éventualités se présentent alors. Soit le relais est présenté sous forme de module, sans radiateur ou avec un radiateur intégré qu'on ne maîtrise pas, et il s'agit de limiter la puissance dissipée pour tenir les contraintes thermiques. Soit il est question d'un relais à semelle qu'il est possible d'associer au dissipateur de son choix, auquel cas le problème consiste à dimensionner correctement le radiateur. Dans le premier cas, le constructeur indique la résistance thermique jonction-ambiante et la température de jonction maximale. La puissance dissipée à ne pas dépasser est PDmax (TJmax - TAmax) / RTHJA (1). Il reste à traduire cette puissance dissipée maximale en termes de courant ou de puissance disponible pour la charge, ce qui dépend de la technologie et du mode de commande du relais : Mos avec charge en continu ou charge en alternatif et thyristor/triac commandé en mode synchrone ou asynchrone. Dans le deuxième cas de figure, on connaît en général la puissance ou le courant fourni à la charge, la résistance thermique jonction-boîtier du relais, la température de jonction maximale et on cherche à déterminer le dissipateur requis. Ce dernier est caractérisé par une résistance thermique boîtier-ambiante RTHCA. L'équation (1) permet de calculer la résistance thermique souhaitée avec deux remarques. En effet la résistance thermique de l'équation (1) devient RTHJA RTHJC + RHTCA et, par ailleurs, il faut traduire le courant ou la puissance fourni(e) à la charge en termes de puissance dissipée dans le relais. La remarque énoncée plus haut s'applique ici aussi, mais dans le sens inverse. On notera que quelques sociétés mettent à disposition des outils fort utiles dans cette démarche (encadré). Certains constructeurs assimilent aux relais statiques des éléments fonctionnant certes en commutation, mais de manière proportionnelle. Ainsi, les dispositifs de commande linéaire appelés gradateurs, conçus pour le chauffage ou l'éclairage et dotés d'une commande électronique isolée (par exemple de type 4-20 mA), sont parfois considérés comme des relais statiques. Ces systèmes fonctionnent selon deux schémas : la commande par angle de phase (relais asynchrone) ou la commande par trains d'ondes (relais synchrone). Des relais électroniques de démarrage progressif pour moteurs (« soft start ») sont également assimilés à cette famille de produits. Nous n'irons pas beaucoup plus loin dans cette voie car si l'on pousse la logique jusqu'au bout, les variateurs de vitesse et toutes les commandes de puissance peuvent entrer dans cette catégorie. Ce qui constituerait une famille de produits beaucoup trop étoffée et variée pour être considérée comme suffisamment homogène. Déterminer le dissipateur requis Les courbes fournies par certains fabricants (ici, Celduc) permettent de calculer directement les caractéristiques des dissipateurs à employer, selon un type de relais déterminé et une application donnée. Par exemple, avec le relais choisi et un courant de 20 A, la courbe de PD f(I) donne directement la puissance dissipée (P1). Cette valeur reportée dans le diagramme de droite, pour une température ambiante de 30°C donne le point P2. Il suffit de sélectionner le dissipateur situé immédiatement au-dessus du point obtenu, soit 2°C/W. On voit que ce choix laisse une certaine marge par rapport aux conditions nominales. Et ce que la température ambiante monte jusqu'à 43°C (point P3), ou que le courant atteigne 25 A (point P4). Si l'utilisation n'est pas permanente, le calcul de la puissance moyenne dissipée ou l'emploi d'une courbe de puissance peuvent tenir compte du rapport cyclique de l'application (par exemple 0,5). Cependant, ceci est correct si la période de marche est largement inférieure à la constante de temps thermique du radiateur. En particulier, il faut prendre garde aux longues phases de démarrage ou de préchauffage des charges (moteurs, fours, etc…) qui sont assimilables à des régimes permanents.

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