La fiche technique d'un SSR indique la tension et le courant maximaux dans des conditions de test définies. Le tableau de commande ajoute les conditions qui déterminent généralement la fiabilité de l'appareil : courant de démarrage du moteur, impulsions de charge des condensateurs, chaleur emprisonnée à l'intérieur du coffret, dispositifs de puissance regroupés et transitoires qui n'apparaissent jamais dans la valeur nominale de la charge.
C'est pourquoi le choix d'un relais statique (SSR) ne se résume pas à une simple sélection par référence de catalogue. Une sélection fiable doit répondre à quatre questions techniques :
| Décision | Ce qui doit être établi |
|---|---|
| 1. Le SSR est-il électriquement compatible ? | Sortie CA ou CC, plage d'entrée de commande, polarité, tension, fréquence, disposition des phases et mode de commutation |
| Peut-il supporter la charge ? | Courant RMS continu, amplitude et durée du courant d'appel, facteur de puissance, fréquence de commutation et tension transitoire |
| L'installation peut-elle dissiper sa chaleur ? | Pertes par conduction, température ambiante du tableau, courbe de déclassement, interface thermique, dissipateur thermique, groupement et flux d'air |
| Que se passe-t-il en cas de défaut ? | Courant de fuite, coordination entre semi-conducteur et fusible, suppression des surtensions, réponse en cas de surchauffe et arrêt sécurisé après une défaillance par court-circuit en sortie |
Suivez ces quatre décisions dans l'ordre. Ne compensez pas l'absence de données de charge ou thermiques en appliquant un multiplicateur de courant universel.
Ce guide suppose une application en armoire de commande industrielle ou OEM. Les caractéristiques nominales des produits, le câblage, la coordination des protections et la conception thermique doivent être vérifiés par rapport à la fiche technique spécifique du relais statique (SSR) et à la norme d'équipement applicable.
Principaux enseignements
- Un Un relais statique (SSR) à sortie CA ne peut normalement pas commuter du courant continu., car une sortie à triac ou à thyristor dépend du passage par zéro du courant pour se couper. Un SSR à sortie CC utilise généralement des MOSFET et doit être sélectionné en fonction de la polarité et de la tension CC.
- Le courant indiqué sur le SSR est un maximum conditionnel, et non un courant d'utilisation garanti en tableau. Le courant admissible peut chuter brutalement à mesure que la température ambiante augmente ou que les performances du dissipateur thermique diminuent.
- Le courant de charge résistive seul ne suffit pas pour les charges de type moteur, transformateur, lampe, solénoïde ou capacitives. Leur courant de démarrage et la durée de l'appel de courant déterminent souvent la sélection.
- Le choix du dissipateur thermique doit être basé sur la dissipation de puissance et la température de jonction, et non sur une règle universelle telle que “ utiliser le double du courant de charge ”.”
- L'état bloqué ne signifie pas une isolation par circuit ouvert. Les SSR présentent un courant de fuite et peuvent tomber en panne en court-circuit ; ils ne doivent donc pas être utilisés comme unique dispositif de sectionnement pour la maintenance ou d'isolation de sécurité.
- Un disjoncteur de dérivation peut protéger le câble sans protéger le semi-conducteur. La coordination avec un fusible ultra-rapide pour semi-conducteurs doit être vérifiée séparément si nécessaire.
Aperçu de la sélection des relais statiques (SSR)
| Élément de sélection | Éléments à déterminer | Pourquoi c’est important |
|---|---|---|
| Type de sortie | Architecture compatible CA, CC ou CA/CC | Un dispositif de sortie inadapté peut ne pas s'éteindre ou être endommagé immédiatement |
| Entrée de commande | Plage de tension d'entrée, appel de courant, polarité | Une sortie d'automate programmable (API) de 24 V nominal doit piloter le relais statique (SSR) de manière fiable dans des conditions réelles de chute de tension |
| Catégorie de charge | Chauffage, moteur, transformateur, lampe, solénoïde, driver de LED, batterie de condensateurs | Chaque charge produit un courant d'appel, un facteur de puissance et une contrainte de commutation différents |
| Tension de fonctionnement | Normal, maximal, transitoire et fréquence | Le relais statique (SSR) doit résister à la fois à la tension nominale et aux perturbations répétitives |
| Courant continu | Courant efficace (RMS) au point de fonctionnement le plus défavorable | Établit le point de départ pour la sélection thermique |
| Courant de surtension | Amplitude de crête, forme d'onde et durée | Détermine si la puce de sortie survit aux transitoires de démarrage et de défaut |
| Mode de commutation | Passage par zéro, amorçage aléatoire ou contrôle proportionnel | Affecte les EMI, le comportement au courant d'appel et la méthode de contrôle |
| Conception thermique | Perte de puissance, température ambiante, valeurs R-thêta, flux d'air | Une température de jonction excessive est une cause principale de défaillance prématurée des relais statiques (SSR) |
| Comportement à l'état bloqué | Courant de fuite, dv/dt, charge minimale | Les faibles charges peuvent luire, vibrer ou sembler rester sous tension |
| Protection de l'environnement | Fusible à semi-conducteur, varistance (MOV), circuit RC (snubber), diode TVS, déclenchement thermique | Différents composants traitent différents mécanismes de défaillance |
Si vous avez d'abord besoin de la structure interne de base et du principe de fonctionnement, lisez Comprendre les relais statiques. Cette page se concentre sur le dimensionnement et les spécifications plutôt que de répéter la définition générale.
1. Collectez les données de charge avant de choisir un relais statique (SSR)
Un relais statique (SSR) ne peut pas être sélectionné correctement sur la seule base de “ 230 V, 10 A ”. Établissez un profil de charge incluant au moins les informations suivantes :
- Alimentation CA ou CC, incluant la fréquence et la polarité
- Circuit monophasé ou triphasé
- Tension d'alimentation normale maximale, et non seulement la tension nominale
- Puissance de la charge ou courant RMS en régime permanent mesuré
- Facteur de puissance et rendement, le cas échéant
- Courant d'appel au démarrage, à la charge, à la magnétisation ou à filament froid
- Durée de la surtension et fréquence de commutation
- Cycle de service et nombre de démarrages prévus par heure
- Température ambiante locale à l'intérieur de l'armoire
- Orientation de l'installation, ventilation et espacement par rapport aux sources de chaleur adjacentes
- Méthode de contrôle requise : marche/arrêt simple, train d'ondes (burst firing), contrôle par angle de phase ou cyclage rapide
- Conséquence d'une défaillance en court-circuit d'un relais statique (SSR)
Pour les équipements existants, les mesures de courant et les formes d'onde d'appel sont généralement plus utiles qu'une simple étiquette de puissance. Pour une nouvelle conception, obtenez les données de courant maximal et de courant de démarrage auprès du fabricant de la charge plutôt que de vous fier à des multiplicateurs génériques.
Estimation du courant de charge nominal
Pour une charge monophasée :
Formule du courant de charge monophasé
Icharge = P ÷ (V × FP × η)
Où ?
- Iload : Courant de charge (A)
- P : Puissance (W)
- V : Tension (V)
- PF : Facteur de puissance
- η : Rendement
Pour une charge triphasée équilibrée :
Formule du courant de charge triphasé
Iload = P ÷ (√3 × VLL × PF × η)
Où ?
- Iload : Courant de charge (A)
- P : Puissance (W)
- VLL : Tension entre phases (V)
- PF : Facteur de puissance
- η : Rendement
Pour un radiateur résistif, le facteur de puissance et le rendement sont souvent proches de 1. Pour un moteur, utilisez le courant indiqué sur la plaque signalétique si disponible. Si la puissance indiquée est la puissance mécanique de sortie, le rendement doit être pris en compte.
Choisissez la technologie de sortie correcte : relais statique (SSR) AC ou DC.
L'alimentation de la charge détermine l'étage de sortie, contrairement à la tension du contrôleur.
Par exemple, un relais décrit comme DC vers AC accepte généralement un signal de commande de 3 à 32 V DC mais commute une charge AC. Le premier terme décrit l'entrée ; le second décrit la sortie.
| Sortie SSR | Semi-conducteur typique | Alimentation de charge appropriée | Limitation importante |
|---|---|---|---|
| Sortie CA | Triac ou thyristors (SCR) en montage tête-bêche | Charges CA | S'éteint normalement lorsque le courant de charge passe par zéro ; ne convient pas à la commutation CC ordinaire |
| Sortie CC | MOSFET, parfois IGBT dans des conceptions spécialisées | Charges CC | Respecter la polarité, sauf si la sortie est explicitement bidirectionnelle |
| Sortie CC bidirectionnelle | MOSFET tête-bêche | CC où un blocage inverse est requis | Des pertes par conduction plus élevées peuvent résulter des dispositifs en série |
| Sortie CA triphasée | Trois pôles de sortie CA contrôlés | Charges CA triphasées | Le comportement thermique et en cas de défaillance de phase doit être évalué pour tous les pôles. |
N'utilisez pas la description de l'entrée pour déduire la compatibilité de la sortie. Lisez la désignation complète, le schéma des bornes et les spécifications de sortie.
Un relais statique (SSR) AC peut-il commuter du DC ?
Généralement non. Un triac ou un redresseur commandé au silicium (SCR) reste verrouillé tant que le courant demeure supérieur à son courant de maintien. Le courant continu ne présentant pas de passage naturel par zéro, le dispositif peut rester activé après la suppression du signal d'entrée.
Un relais statique (SSR) DC peut-il commuter de l'AC ?
Uniquement si sa sortie est spécifiquement conçue pour un courant bidirectionnel. Une sortie MOSFET polarisée conventionnelle ne peut pas remplacer un relais statique AC.
3. Faites correspondre l'entrée de commande à l'automate (PLC), au contrôleur ou au capteur.
Une entrée SSR courante marquée 3-32 V CC inclut une LED et un réseau de limitation de courant. Cette désignation générale ne garantit pas la compatibilité avec tous les contrôleurs.
Vérifier:
- tension d'enclenchement garantie et tension de déclenchement garantie
- courant d'entrée sur toute la plage de tension
- polarité d'entrée
- type de sortie du contrôleur : source, drain, relais, triac ou transistor
- courant de sortie de l'automate (PLC) disponible par canal et par groupe commun
- courant résiduel ou de fuite du contrôleur à l'état “ arrêt ”
- chute de tension dans les longs câblages de commande
- isolation requise entre les canaux et les circuits
Pour les relais statiques (SSR) à entrée CA, vérifiez la fréquence d'entrée, la plage de déclenchement, la tension de relâchement et le courant d'entrée. Un automate (PLC) à sortie CA ou un capteur bifilaire peut laisser passer un courant de fuite suffisant pour maintenir active l'entrée d'un relais statique sensible ; un réseau de dérivation (bleed resistor) ou un relais d'interface correctement dimensionné peut être nécessaire.
Sélectionner selon le type de charge, et non uniquement selon le courant de fonctionnement
Un même courant de fonctionnement de 10 A peut imposer des contraintes très différentes selon la charge.
| Type de charge | Contrainte électrique principale | Priorité de sélection | Approche de commutation typique |
|---|---|---|---|
| Chauffage résistif | Courant continu et chaleur dans l'armoire | Courant RMS, facteur de marche, dissipateur thermique | Le passage par zéro est couramment utilisé pour le contrôle marche/arrêt ou par train d'ondes |
| Moteur ou compresseur | Courant de démarrage et à rotor bloqué, cycles fréquents | Données nominales du moteur, durée de démarrage, protection contre le calage, marge thermique | Suivre les recommandations du fabricant de relais statique (SSR) pour les charges moteur |
| Transformateur | Le courant d'appel de magnétisation dépend de l'angle de commutation et de la rémanence | Courbe de surtension et méthode de commutation spécifiques au transformateur | Utiliser une solution adaptée à l'usage ; ne pas supposer que le passage par zéro est automatiquement la meilleure option |
| Solénoïde ou vanne | Tension de coupure inductive | Suppression des surtensions et exigence de temps de relâchement | Sortie CA ou CC adaptée à la bobine ; ajouter une suppression appropriée |
| Lampe à incandescence ou infrarouge | Courant d'appel à filament froid | Résistance à froid et capacité de surtension répétitive | Le passage par zéro réduit souvent les perturbations, sous réserve des données d'application |
| Driver de LED ou entrée capacitive | Impulsion de charge de condensateur, facteur de crête élevé, faible courant permanent | Courant de crête, durée d'impulsion, charge minimale, courant de fuite | Utilisez les données de charge capacitive ; la puissance nominale indiquée sur la plaque signalétique est insuffisante |
Charges de chauffage résistives
Les charges thermiques constituent généralement l'application SSR la plus simple, mais elles peuvent fonctionner à un cycle de service élevé pendant de longues périodes. Cela rend les pertes par conduction et la température du boîtier plus importantes que le courant de démarrage. Utilisez le courant maximal à chaud et la pire tension d'alimentation crédible.
Moteurs et compresseurs
Ne dimensionnez pas un relais statique (SSR) pour moteur uniquement sur la base du courant à pleine charge. Vérifiez le courant de démarrage, le temps d'accélération, le nombre de démarrages par heure, la protection contre le rotor bloqué, la perte de phase, ainsi que la nécessité d'une inversion ou d'un freinage. L'intensité nominale d'un SSR à usage général n'est pas équivalente à une valeur nominale d'utilisation pour moteur.
Pour les applications nécessitant un démarrage progressif, une limitation de courant ou une accélération contrôlée, un contrôleur de moteur à semi-conducteurs ou un démarreur progressif peut être plus approprié qu'un simple SSR tout ou rien. La norme IEC 60947-4-2 couvre les contrôleurs de moteur à semi-conducteurs, les démarreurs et les démarreurs progressifs dans son champ d'application.
Transformateurs
Le courant d'appel de magnétisation d'un transformateur est fortement influencé par l'angle de fermeture, le flux résiduel, l'impédance de la source et la conception du transformateur. Une fermeture exactement au passage par zéro de la tension peut produire une asymétrie de flux sévère dans certaines applications de transformateurs. Sélectionnez un SSR ou un contrôleur avec des directives explicites pour les charges de type transformateur et une enveloppe de courant de surtension validée.
Drivers de LED et charges capacitives
Une alimentation LED peut ne consommer qu'une fraction d'ampère après le démarrage, mais produire une courte impulsion de charge plusieurs fois supérieure. Comparez l'amplitude et la largeur d'impulsion du courant d'appel du driver avec les données de surtension répétitives et non répétitives du SSR. Vérifiez également le courant de fuite à l'état bloqué, car il peut charger le condensateur d'entrée et provoquer des clignotements.
5. Vérifiez la tension de sortie et la marge transitoire
La tension nominale de sortie du SSR doit dépasser la tension permanente la plus élevée pouvant apparaître aux bornes de la sortie ouverte. Elle doit également résister aux perturbations de ligne, aux commutations inductives et aux transitoires répétitifs.
Révision :
- Tension d'alimentation nominale et tension d'alimentation continue maximale
- Valeur efficace (RMS) en courant alternatif par rapport à la tension de blocage de crête
- Tension de fonctionnement maximale CC
- Tension de crête répétitive à l'état bloqué
- dv/dt statique et de commutation
- Environnement de surtension et protection en amont
- Niveau d'isolation entre les circuits de commande et de charge
N'appliquez pas un pourcentage de marge de tension universel à toutes les technologies de relais statiques (SSR). Utilisez la courbe d'application du fabricant et coordonnez le SSR avec la varistance à oxyde métallique (MOV), le dispositif de suppression des tensions transitoires (TVS) ou le parafoudre sélectionné.
Dimensionnez le courant du SSR à partir de la courbe de déclassement
Le courant imprimé sur un relais statique (SSR) est normalement établi dans des conditions thermiques spécifiées. Ces conditions peuvent inclure une température de boîtier particulière, un dissipateur thermique, un flux d'air, une orientation de montage ou une température ambiante. Un SSR de “ 40 A ” peut donc être incapable de supporter 40 A en continu à l'intérieur d'une armoire de commande fermée et chaude.
Utilisez le facteur de courant admissible provenant de la courbe exacte de la fiche technique :
Formule de sélection du courant nominal du SSR
ISSR,nominal ≥ Icharge ÷ Fadmissible
Où ?
- Icharge : Courant de charge continu maximal
- Fadmissible : Facteur de courant admissible
où :
- Icharge est le courant de charge RMS continu maximal ;
- Fadmissible est la fraction utilisable du courant nominal dans les conditions ambiantes et de montage réelles.
Si une fiche technique n'autorise que 50 % de la valeur nominale dans les conditions de conception, une charge continue de 18 A nécessite un relais statique (SSR) d'au moins 36 A avant les vérifications des courants de surtension et de la catégorie de charge. Il ne s'agit pas d'une règle de déclassement universelle de 50 % ; c'est un exemple de la manière d'appliquer la courbe d'un fabricant.
Le filtrage du courant ne suffit pas à finaliser la sélection. Le candidat doit encore passer les vérifications du courant de surtension, de la thermique, de la fréquence de commutation et de la coordination des protections.
Calculateur de sélection de relais statiques et de dissipateurs thermiques
Utilisez le calculateur de sélection de relais statiques et de dissipateurs thermiques VIOX pour estimer le courant nominal requis du SSR, les pertes par conduction, la résistance thermique du dissipateur, la température de jonction, la marge de surtension, le courant de fuite à l'état bloqué et la coordination préliminaire I^2t des fusibles semi-conducteurs.
Saisissez la technologie de sortie réelle, le type de charge, la tension du système, la puissance ou le courant mesuré, le facteur de puissance, le cycle de service, la température ambiante et les paramètres thermiques issus de la fiche technique du SSR candidat.
[Insérer ici le calculateur de sélection de relais statiques et de dissipateurs thermiques VIOX]
Sélection préliminaire uniquement : Le résultat ne remplace pas la courbe de déclassement exacte du fabricant, la valeur nominale de la catégorie de charge, la courbe de courant de surtension, les instructions de montage, les exigences d'interface thermique ou le tableau de coordination approuvé des fusibles semi-conducteurs.
Ouvrir le calculateur complet de sélection de relais statiques et de dissipateurs thermiques
7. SSR à passage par zéro vs à amorçage aléatoire
Ce choix s'applique principalement aux SSR à sortie CA.
Commutation au passage par zéro
Un SSR à passage par zéro attend que la tension alternative soit proche de zéro avant de s'enclencher. Il est largement utilisé pour le chauffage résistif et le contrôle par train d'ondes car il permet de réduire les perturbations conduites et rayonnées par rapport à une commutation à angle arbitraire.
Ce n'est pas la solution universelle. Le comportement de magnétisation des transformateurs, le démarrage des moteurs et les méthodes de contrôle spécialisées nécessitent une étude spécifique à l'application.
Commutation à amorçage aléatoire
Un SSR à amorçage aléatoire commence à conduire dès que la commande d'entrée et les conditions du semi-conducteur le permettent. Il est requis pour le contrôle de puissance par angle de phase et les applications où le contrôleur doit choisir l'angle d'amorçage.
| Application | Point de départ habituel | Vérification avant approbation |
|---|---|---|
| Chauffage résistif, marche/arrêt simple | Passage par zéro | Période de cycle, charge thermique, exigences CEM |
| Chauffage, contrôle par angle de phase | Amorçage aléatoire | Compatibilité du contrôleur, harmoniques, filtrage CEM |
| Transformateur | Relais statique (SSR)/contrôleur à usage spécifique | Courant d'appel de magnétisation, rémanence, stratégie de déclenchement |
| Moteur/compresseur | Relais statique (SSR) pour moteur | Courant de démarrage/calage, mode de commutation, nombre de démarrages par heure |
| Charge CC | Relais statique (SSR) à sortie CC | La terminologie de passage par zéro ne s'applique pas |
8. Relais statique (SSR) monophasé vs triphasé
Un SSR monophasé commute un seul chemin de courant contrôlé. Un système triphasé peut utiliser :
- un SSR triphasé intégré ;
- trois SSR monophasés contrôlés simultanément ; ou
- deux pôles contrôlés dans un circuit à trois fils lorsque la conception applicable le permet.
Une unité intégrée simplifie le montage et la commande coordonnée, mais sa chaleur combinée peut être importante. Des SSR séparés peuvent répartir la chaleur et simplifier le remplacement, mais la conception doit gérer les commandes simultanées, la détection de perte de phase, le refroidissement inégal et la température du dissipateur thermique partagé.
Pour les moteurs, ne considérez pas trois SSR indépendants à usage général comme un démarreur moteur complet. La protection contre les surcharges, la protection contre les courts-circuits, le comportement en cas de perte de phase, la logique de redémarrage et l'isolation nécessitent toujours une conception coordonnée.
9. Calcul de la perte de puissance du SSR et des besoins en dissipateur thermique
Pertes par conduction d'un relais statique (SSR) AC
Pour une estimation préliminaire utilisant une chute de tension à l'état passant :
Formule des pertes par conduction d'un relais statique (SSR) AC
Ppole ≈ VON × IRMS × D
Où ?
- VON : Chute de tension à l'état passant
- IRMS : Courant efficace (RMS)
- D : Rapport cyclique
où D est le rapport cyclique. Si le fabricant fournit une courbe de perte de puissance, utilisez cette courbe car la chute de tension n'est pas parfaitement constante.
Perte par conduction d'un relais statique (SSR) MOSFET CC
Pour une sortie MOSFET :
Formule de perte d'un relais statique (SSR) MOSFET CC
Ppole ≈ IRMS² × RDS(on) × D
Où ?
- RDS(on) : résistance à l'état passant du MOSFET
- D : Rapport cyclique
Utilisez la valeur R_{DS(on)} à la température de jonction prévue, et non uniquement la valeur nominale à basse température. La résistance du MOSFET augmente généralement avec la température.
Résistance thermique du dissipateur thermique
Pour un relais statique (SSR) sur un dissipateur thermique :
Formule de résistance thermique du dissipateur thermique
RθSA,max = (TJ,cible − TA) ÷ P − RθJC − RθCS
Où ?
- TJ,cible : Température de jonction cible
- TA : Température ambiante
- P : Dissipation de puissance du relais statique (SSR)
où :
- TJ,cible est la limite de température de jonction de conception, maintenue en dessous du maximum absolu ;
- TA est la température de l'air local autour du dissipateur thermique ;
- P est la perte de puissance du relais statique (SSR) ;
- R_{\theta JC} est la résistance thermique jonction-boîtier ;
- R_{\theta CS} est la résistance thermique boîtier-dissipateur ;
- R_{\theta SA} est la résistance thermique dissipateur-ambiant requise en degrés Celsius par watt.
Une valeur R_{\theta SA} plus faible signifie un dissipateur thermique plus efficace.
Exemple pratique
Supposons qu'un relais statique (SSR) AC transporte 18 A en continu, présente une chute de tension à l'état passant de 1,6 V et soit installé dans un environnement où la température ambiante locale peut atteindre 45 degrés C.
P = 1,6 \times 18 = 28,8\ W
Si la conception vise une température de jonction de 100 °C, R_{\theta JC}=0,5 °C/W et R_{\theta CS}=0,2 °C/W :
R_{\theta SA,max} = \frac{100-45}{28,8} – 0,5 – 0,2 \approx 1,21\ ^\circ C/W
Le dissipateur thermique sélectionné doit fournir 1,21 °C/W ou moins dans les conditions réelles d'orientation, de flux d'air dans l'enceinte, d'altitude et de montage. Cet exemple est illustratif ; utilisez les données de perte exactes du relais statique (SSR) et les résistances thermiques correspondantes.
Plusieurs SSR sur un même dissipateur thermique
Lorsque plusieurs modules partagent un dissipateur thermique, la chaleur totale augmente la température du dissipateur tandis que chaque module conserve son propre chemin thermique jonction-boîtier :
Formule de la température de jonction du SSR
TJ = TA + Ptotal × RθSA + Pmodule × (RθJC + RθCS)
Où ?
- TJ : Température de jonction
- TA : Température ambiante
Ne calculez pas chaque relais statique (SSR) comme s'il disposait de la totalité du dissipateur thermique.
10. Tenir compte de la température du tableau, du groupement et du montage
La température ambiante de la pièce n'est pas la température de conception. Mesurez ou estimez la température de l'air à proximité du SSR et de l'entrée du dissipateur thermique une fois que le tableau a atteint son équilibre thermique.
Les causes courantes de sous-estimation de la température des SSR incluent :
- les coffrets étanches exposés à la lumière du soleil ;
- les dissipateurs thermiques montés là où la convection naturelle est obstruée ;
- plusieurs relais statiques (SSR), contacteurs ou alimentations regroupés étroitement ;
- ailettes horizontales empêchant le développement d'un flux d'air ascendant ;
- haute altitude, filtres à poussière ou performance réduite de la ventilation forcée ;
- pâte thermique excessive ou mal appliquée ;
- pression de montage inégale ou surface de dissipateur thermique voilée.
Respectez les instructions du fabricant du relais statique concernant le couple de serrage, la planéité, le pad thermique et le montage. Une quantité excessive de pâte thermique n'est pas préférable ; le matériau d'interface doit combler les vides microscopiques sans créer une couche isolante épaisse.
Dissipateur thermique intégré ou dissipateur thermique séparé ?
Un relais statique avec dissipateur thermique intégré pour rail DIN peut réduire le nombre de composants et le temps d'assemblage, tandis qu'un dissipateur séparé offre au concepteur plus de liberté pour gérer des pertes plus importantes, des charges thermiques partagées, le flux d'air et le remplacement. Aucune de ces conceptions n'est intrinsèquement meilleure.
| Configuration | Avantage principal | Limitation principale | Meilleure méthode d'évaluation |
|---|---|---|---|
| Dissipateur thermique intégré | Assemblage compact et installation simplifiée | Capacité de refroidissement fixe et encombrement possible dans la zone du rail DIN | Vérifier le courant admissible à la température ambiante réelle du tableau et l'espacement |
| Dissipateur thermique séparé | Plus large choix de résistance thermique, de taille et de flux d'air | Plus de travail de montage et plus grande dépendance vis-à-vis de la qualité de l'interface | Calculer le chemin thermique complet et valider la température du boîtier |
| Dissipateur thermique partagé | Peut réduire l'espace dans le tableau pour plusieurs relais statiques (SSR) | La chaleur de chaque module augmente la température du dissipateur commun | Utiliser la perte thermique totale ainsi que le chemin de jonction individuel de chaque module |
Ne pas choisir entre ces options uniquement sur la base du courant de charge. Comparer la marge de température de jonction résultante dans les mêmes conditions d'enceinte.
11. Comprendre le courant de fuite à l'état bloqué et la charge minimale
Un relais statique (SSR) ne se comporte pas comme un entrefer mécanique. Son semi-conducteur de sortie et tout circuit d'aide à la commutation (snubber) interne laissent passer un faible courant lorsqu'il est à l'état bloqué.
Cette fuite peut provoquer :
- Le scintillement ou le clignotement des lampes LED ;
- L'affichage de tensions “ fantômes ” sur les multimètres à haute impédance ;
- Le bourdonnement de petits solénoïdes ou leur incapacité à se relâcher ;
- Le chargement et le redémarrage périodique des alimentations électroniques ;
- L'apparence d'une charge sous tension lors du dépannage.
Comparez le courant de fuite maximal à l'état bloqué du relais statique (SSR) avec le courant de relâchement et le courant de fonctionnement minimal de la charge. Une résistance de purge approuvée par le fabricant peut résoudre certains problèmes de faible charge, mais elle génère de la chaleur et doit être dimensionnée pour une tension continue et une décharge sécurisée. Un circuit RC externe (snubber) peut également augmenter le courant de fuite.
Isolez toujours et vérifiez l'absence de tension avant toute opération de maintenance. La commande d'arrêt du relais statique (SSR) ne constitue pas une méthode d'isolation sécurisée.
Coordination de la protection autour du relais statique (SSR)
Aucun composant de protection unique ne permet de contrer toutes les contraintes liées aux SSR.
| Mesure de protection | Objectif principal | Précautions de sélection |
|---|---|---|
| Disjoncteur divisionnaire ou fusible général | Protection des câbles et des circuits | Peut être trop lent pour protéger la jonction semi-conductrice |
| Fusible ultra-rapide pour semi-conducteurs | Limite l'énergie de défaut via le relais statique (SSR) | Utiliser le tableau de coordination du fabricant du SSR ou comparer sur une base de test commune valide |
| MOV | Écrête les surtensions répétitives ou occasionnelles | Coordonner la tension de service maximale en régime permanent (MCOV), le niveau d'écrêtage, l'énergie, le vieillissement et le courant de suite |
| Snubber RC | Limite le dv/dt et les oscillations sur les circuits inductifs en courant alternatif | Ajoute un courant de fuite à l'état bloqué et une dissipation thermique |
| Diode de roue libre | Supprime la décharge inductive d'une bobine à courant continu | Ralentit le relâchement de la bobine et doit respecter la polarité |
| Diode TVS | Écrête les transitoires CC à une tension plus élevée | Déclenchement de charge plus rapide mais contrainte plus élevée qu'une diode de roue libre |
| Interrupteur ou capteur thermique | Détecte la surchauffe du dissipateur thermique | Placer à un endroit représentatif du chemin thermique critique |
| Contacteur/sectionneur mécanique | Assure l'isolation ou l'arrêt redondant | Doit être coordonné pour le séquençage et le courant de défaut |
Coordination des fusibles pour semi-conducteurs
Un disjoncteur boîtier moulé ou un disjoncteur miniature peut éliminer un défaut tout en laissant passer suffisamment d'énergie pour détruire un relais statique (SSR). Lorsque la protection des semi-conducteurs est requise, utilisez un fusible ultrarapide recommandé par le fabricant du SSR.
Une comparaison préliminaire de l'énergie d'impulsion peut utiliser :
Estimation de l'énergie d'impulsion
I²t ≈ Icrête² × timpulsion
Où ?
- Icrête : Courant de crête
- timpulsion : Durée de l'impulsion
Cependant, l'I²t de coupure total du fusible et l'I²t de tenue du SSR ne sont significatifs que si leur forme d'onde, leur durée, leur température initiale, la tension du système et les conditions d'essai sont compatibles. Un tableau de coordination approuvé constitue une preuve plus solide qu'une comparaison isolée de références de catalogue.
Sélection de la varistance (MOV) et du circuit amortisseur (snubber)
La tension de fonctionnement continu maximale de la MOV doit rester supérieure à la tension de ligne normale la plus élevée, tandis que son niveau de protection doit rester inférieur à la tenue aux transitoires pertinente du relais statique (SSR). Les transitoires répétitifs, l'impédance de la source et le comportement de la MOV en fin de vie sont également importants.
Un circuit amortisseur RC est utile lorsque des dv/dt excessifs ou des oscillations inductives risquent de provoquer un déclenchement intempestif ou une contrainte sur le composant. Il doit être conçu comme faisant partie intégrante du circuit et non ajouté systématiquement, car il augmente le courant à l'état bloqué.
Utiliser les tendances de température, et pas seulement un seuil de déclenchement fixe
Dans les équipements fonctionnant en continu ou à haute criticité, un capteur de température sur le dissipateur thermique peut offrir bien plus qu'un simple arrêt d'urgence. L'analyse des tendances de température, combinée au courant de charge et à la température ambiante du coffret, peut révéler une obstruction du flux d'air, une défaillance de ventilateur, un dissipateur encrassé, une interface thermique dégradée ou une augmentation du cycle de service avant que le SSR n'atteigne son seuil de déclenchement.
Une augmentation de la température du dissipateur ne prouve pas que le SSR lui-même est défectueux. Comparez les relevés dans des conditions de charge et ambiantes similaires, et examinez l'ensemble de la chaîne thermique. Un interrupteur thermique connecté uniquement à l'entrée de commande ne peut pas non plus couper une charge après que le SSR a déjà échoué en court-circuit ; un dispositif de coupure mécanique ou d'isolement séparé est requis lorsque l'évaluation des risques exige une coupure positive.
13. Conception face aux modes de défaillance courants des SSR
Les semi-conducteurs de puissance tombent souvent en panne en court-circuit, en particulier après une surchauffe, un courant de choc, une surtension ou une limitation insuffisante de l'énergie de défaut. La charge peut rester sous tension même lorsque l'entrée de commande est désactivée.
| Symptôme | Causes probables | Intervention technique |
|---|---|---|
| La charge reste entièrement sous tension | Défaillance du semi-conducteur de sortie en court-circuit ; pontage du câblage | Isoler l'alimentation, vérifier la résistance de sortie selon la méthode de test du fabricant, remplacer le relais statique (SSR), rechercher les causes thermiques et les surtensions |
| La charge ne s'active pas | Sortie ouverte, commande d'entrée insuffisante, fusible grillé, défaut de charge | Mesurer en toute sécurité la tension d'entrée et de sortie de commande, la continuité du fusible et le courant de charge |
| Fonctionne à froid, défaillant à chaud | Dissipateur thermique inadéquat, mauvaise interface, température ambiante excessive, entrée marginale | Enregistrer la température du boîtier/dissipateur thermique et le courant après stabilisation thermique |
| Déclenchement intempestif du fusible | Courant d'appel de charge sous-estimé, mauvais fusible, surtension répétitive | Capturer la forme d'onde du courant d'appel et examiner la coordination fusible/relais statique (SSR) |
| Mise en conduction intempestive | dv/dt excessif, bruit de commande, couplage de câblage | Améliorer le routage, la suppression, le blindage et la marge de bruit d'entrée |
| La petite charge brille ou vibre lorsqu'elle est éteinte | Courant de fuite ou courant de circuit RC (snubber) | Vérifier le courant de fuite maximal par rapport aux caractéristiques de déclenchement de la charge ; utiliser un réseau de décharge approuvé ou une architecture de sortie différente |
Lorsque la mise sous tension continue peut créer des risques d'incendie, de mouvement, de pression ou de processus, ne pas se fier à un seul relais statique (SSR) pour assurer l'état de sécurité. Utiliser un sectionneur mécanique approprié ou une architecture conforme aux normes de sécurité, une protection indépendante contre la surchauffe et une surveillance des défauts, conformément à l'évaluation des risques.
14. Spécification d'approvisionnement des SSR
Une description d'achat telle que “ SSR 40 A, entrée 24 V ” est incomplète. Utiliser une spécification permettant au fournisseur et au constructeur de tableaux de valider l'application réelle.
| Champ de spécification | Informations à demander ou à fournir |
|---|---|
| Application | Équipement de charge, objectif de commutation, cycle de service, démarrages/cycles par heure |
| Entrée | Nominal/plage, courant d'entrée, niveaux d'enclenchement/déclenchement, polarité, type de sortie API |
| Technologie de sortie | Triac/SCR CA, MOSFET CC, CC bidirectionnel ou triphasé intégré |
| Alimentation de la charge | Tension nominale et maximale, fréquence, disposition des phases |
| Données de charge | Courant RMS, facteur de puissance, rendement, forme d'onde d'appel de courant, durée de la surtension |
| Mode de commutation | Compatibilité avec les contrôleurs à passage par zéro, à enclenchement aléatoire ou proportionnels |
| Capacité en courant | Courant continu aux conditions de température ambiante et de montage spécifiées |
| Données thermiques | Courbe de perte de puissance, V_{ON} ou R_{DS(on)}, R_{\theta JC}, exigences d'interface, courbe de déclassement |
| Données à l'état bloqué | Courant de fuite, charge minimale, tension de blocage, dv/dt statique et de commutation |
| Données de surtension | Courant de crête, forme d'onde, durée d'impulsion, limites de répétition, base I^2t |
| Protection de l'environnement | Fusible semi-conducteur approuvé, conseils sur les MOV/circuits RC, option de surchauffe |
| Mécanique | Boîtier, bornes, montage, dissipateur thermique, couple de serrage, protection contre les contacts directs |
| Documentation | Révision de la fiche technique, rapports d'essai, traçabilité, preuves de certification applicables |
15. Liste de contrôle d'audit fournisseur pour les projets OEM et les tableaux électriques
Avant d'approuver une gamme de relais statiques (SSR), demandez au fournisseur de fournir :
- Courbes de déclassement du courant en fonction de la température ambiante pour la configuration de montage exacte ;
- Données de perte de puissance sur la plage de courant prévue ;
- Résistance thermique jonction-boîtier et instructions d'interface ;
- Courbes de courant de surtension avec indication de la forme d'onde et de la durée ;
- Modèles de fusibles rapides recommandés ou méthode de coordination documentée ;
- Courant de fuite maximal et charge minimale à la température de fonctionnement ;
- Données dv/dt et de tension transitoire ;
- Couple de serrage des bornes et exigences relatives aux conducteurs ;
- traçabilité des lots et processus de contrôle des changements ;
- données de lots de production pour les caractéristiques critiques telles que le courant de fuite à l'état bloqué, la chute de tension à l'état passant, la tension de blocage et le seuil d'amorçage en entrée, là où la maîtrise statistique des procédés est utilisée ;
- preuves de toute certification ou conformité aux normes revendiquée ;
- échantillons pour la validation de l'échauffement thermique, du courant d'appel, du courant de fuite et de la réponse aux défauts dans l'assemblage réel.
Pour l'approvisionnement OEM à haut volume, les données de capabilité statistique peuvent aider à déterminer si un paramètre est contrôlé de manière cohérente plutôt que simplement conforme aux limites de spécification. Si un fournisseur communique un indice de capabilité de processus tel que le Cpk, confirmez la caractéristique mesurée, la taille de l'échantillon, les limites de contrôle, la température d'essai et la période du lot. Une valeur Cpk sans ce contexte ne constitue pas une preuve significative de la fiabilité d'un relais statique (SSR).
La norme IEC 62314:2022 traite des exigences relatives aux relais statiques tout-ou-rien relevant de son domaine d'application. Les contrôleurs et contacteurs à semi-conducteurs CA pour charges non motrices relèvent de la norme IEC 60947-4-3, tandis que les contrôleurs et démarreurs de moteurs à semi-conducteurs sont traités par la norme IEC 60947-4-2. Les exigences applicables au produit et à l'assemblage dépendent de la manière dont le relais statique est fourni et intégré ; un certificat de composant ne certifie pas à lui seul le tableau complet.
16. Erreurs courantes lors de la sélection d'un relais statique (SSR)
Considérer le courant nominal de la plaque signalétique comme le courant utilisable dans le tableau
La correction consiste à utiliser la courbe de déclassement exacte et à vérifier la température de jonction dans les conditions ambiantes les plus défavorables.
Ignorer le courant d'appel de la charge
Mesurer ou obtenir la forme d'onde du courant d'appel. Une valeur de courant de crête sans durée d'impulsion est insuffisante.
Supposer que le passage par zéro est toujours préférable
Le passage par zéro est une valeur par défaut robuste pour de nombreuses applications de chauffage résistif, mais ce n'est pas une règle universelle pour les transformateurs, les moteurs ou le contrôle par angle de phase.
Sélectionner un dissipateur thermique en fonction de l'intensité nominale du relais statique (SSR)
Calculer la perte réelle du semi-conducteur et le chemin thermique complet. Deux relais statiques avec la même intensité nominale peuvent présenter des chutes de tension et des exigences thermiques différentes.
Compter sur un disjoncteur général pour protéger le relais statique (SSR)
La protection des conducteurs et la protection des jonctions à semi-conducteurs sont des tâches de coordination distinctes.
Considérer la position “ arrêt ” comme une isolation.
Tenir compte du courant de fuite et de la défaillance par court-circuit. Assurer une isolation sûre et un chemin de coupure adapté au risque.
Remplacer un relais électromécanique (EMR) sans examiner le comportement du circuit.
Un relais statique (SSR) modifie le courant de fuite, la chaleur, le mode de défaillance, la chute de tension et le comportement transitoire. Si le choix entre les technologies n'est pas encore arrêté, examinez Relais électromécanique vs Relais statique avant de finaliser la conception.
Foire Aux Questions
Un calibre d'ampérage plus élevé pour un SSR est-il toujours plus sûr ?
Pas automatiquement. Une classe de courant supérieure offre généralement une plus grande surface de puce ou une marge thermique plus importante, mais l'avantage dépend de la conception interne, du dissipateur thermique, de la température ambiante, des bornes, de la tenue aux surtensions et de la protection. Le surdimensionnement ne peut pas compenser une technologie de sortie inadaptée ou un montage thermique inadéquat.
Deux relais statiques (SSR) peuvent-ils être connectés en parallèle pour partager le courant ?
Ne mettez pas en parallèle des sorties de SSR ordinaires, sauf si le fabricant le permet explicitement. De faibles différences de tension à l'état passant, de température et d'impédance de câblage peuvent amener un appareil à supporter un courant disproportionné, provoquant un emballement thermique. Utilisez un seul SSR correctement dimensionné ou un assemblage en parallèle approuvé par le fabricant.
Plusieurs SSR peuvent-ils partager un même dissipateur thermique ?
Oui, si les distances d'isolement électrique, les instructions de montage et le calcul thermique combiné le permettent. Utilisez la perte totale des modules pour calculer la température du dissipateur, puis ajoutez l'élévation de température propre à chaque SSR (jonction-boîtier et boîtier-dissipateur).
Pourquoi une tension est-elle mesurée au niveau de la charge lorsque le SSR est éteint ?
Le courant de fuite à l'état bloqué à travers le semi-conducteur ou le circuit d'aide à la commutation (snubber) interne peut produire une lecture sur le multimètre, surtout avec un appareil de mesure numérique à haute impédance. Déterminez s'il s'agit d'une tension fantôme inoffensive ou d'un courant suffisant pour actionner la charge. Ne supposez jamais que le circuit est sûr au toucher sur la seule base de la commande de contrôle.
Un SSR à passage par zéro est-il toujours le meilleur choix pour une charge CA ?
Non. Il est généralement privilégié pour la commutation de chauffages résistifs et le contrôle par train d'ondes, mais le contrôle par angle de phase nécessite un amorçage aléatoire. Les applications avec transformateurs et moteurs nécessitent des conseils spécifiques à la charge, car l'angle de commutation peut modifier le courant d'appel et les contraintes électromagnétiques.
Pourquoi utiliser un fusible à semi-conducteur si le circuit possède déjà un disjoncteur ?
Le disjoncteur protège principalement le câblage et élimine les défauts du circuit. Une jonction de semi-conducteur peut être endommagée avant qu'un disjoncteur standard ne s'ouvre. Un fusible ultrarapide coordonné limite l'énergie passante à un niveau que le relais statique (SSR) peut supporter.
Quelle température est considérée comme trop élevée pour un SSR ?
Il n'existe pas de règle fiable basée sur la température au toucher. Utilisez la température maximale de boîtier ou de jonction spécifiée par le fabricant, puis concevez le système avec une cible inférieure pour assurer une marge de fonctionnement. Validez la température ambiante locale, la température du boîtier, la température du dissipateur thermique et le courant une fois que l'armoire a atteint son régime permanent.
Règle de sélection finale
Un SSR fiable se sélectionne en partant de la charge vers l'amont, et non en se basant uniquement sur le courant nominal du catalogue. Faites d'abord correspondre la technologie de sortie (AC ou DC) et l'entrée de commande. Qualifiez ensuite le dispositif en fonction du courant d'appel de la charge, du déclassement de la fiche technique, de la méthode de commutation, des pertes par conduction, de la température de jonction, du courant de fuite, de la protection contre les transitoires et de la réponse aux défauts.
La meilleure référence d'achat n'est pas simplement “ SSR, 40 A ”. Il s'agit d'un point de fonctionnement documenté indiquant la charge réelle, la température ambiante, le dissipateur thermique, le profil de surtension, les dispositifs de protection et la réponse sécurisée en cas de défaillance de la sortie en court-circuit.
Références techniques
- IEC 62314:2022 – Relais statiques
- IEC 60947-4-2:2020+AMD1:2024 – Contrôleurs et démarreurs de moteur à semi-conducteurs et démarreurs progressifs
- IEC 60947-4-3:2020 – Contrôleurs et contacteurs à semi-conducteurs en courant alternatif pour charges non-moteur
