Une fiche technique de relais statique (SSR) indique la tension et le courant maximaux dans des conditions d'essai définies. Le tableau de commande ajoute les conditions qui déterminent généralement la fiabilité du dispositif : courant de démarrage du moteur, impulsions de charge de condensateur, chaleur emprisonnée à l'intérieur de l'armoire, dispositifs de puissance regroupés à proximité 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 AC ou DC, plage d'entrée de commande, polarité, tension, fréquence, disposition des phases et mode de commutation |
| 2. Peut-il supporter la charge ? | Courant RMS continu, amplitude et durée du courant d'appel, facteur de puissance, fréquence de commutation et tension transitoire |
| 3. L'installation peut-elle évacuer sa chaleur ? | Pertes par conduction, température ambiante locale du tableau, courbe de déclassement, interface thermique, dissipateur thermique, groupement et circulation d'air |
| 4. Que se passe-t-il en cas de défaut ? | Courant de fuite, coordination entre semi-conducteur et fusible, suppression des surtensions, réponse à la 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 exacte du SSR et à la norme d'équipement applicable.
Principaux enseignements
- Un Un SSR à sortie AC ne peut normalement pas commuter du DC, car une sortie à triac ou à thyristor repose sur le passage par zéro du courant pour s'éteindre. Un SSR à sortie DC utilise généralement des MOSFET et doit être sélectionné en fonction de la polarité et de la tension DC.
- Le courant imprimé du 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 capacitif. Leur courant de démarrage et la durée de l'appel de courant déterminent souvent la sélection.
- La sélection du dissipateur thermique doit être basée sur la dissipation de puissance et la température de jonction, et non sur une règle universelle telle que “ utiliser deux fois le courant de charge ”.”
- L'état bloqué ne signifie pas une isolation par ouverture de circuit. 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-conducteur doit être vérifiée séparément si nécessaire.
Points clés pour la sélection d'un SSR
| Élément de sélection | Ce qu'il faut déterminer | Pourquoi c’est important |
|---|---|---|
| Type de sortie | Architecture AC, DC ou compatible AC/DC | Le mauvais dispositif de sortie peut ne pas s'éteindre ou être endommagé immédiatement |
| Entrée de commande | Plage de tension d'entrée, demande de courant, polarité | Une sortie d'automate nominale de 24 V doit piloter le SSR de manière fiable dans des conditions réelles de chute de tension |
| Catégorie de charge | Chauffage, moteur, transformateur, lampe, solénoïde, driver de LED, banc 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 supporter à la fois la tension en régime permanent et les perturbations répétitives |
| Courant continu | Courant 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 commande proportionnelle | Affecte les EMI, le comportement à l'appel de courant et la méthode de commande |
| Conception thermique | Perte de puissance, température ambiante, valeurs R-theta, débit d'air | Une température de jonction excessive est une cause principale de défaillance prématurée des SSR |
| Comportement à l'état bloqué | Courant de fuite, dv/dt, charge minimale | Les petites charges peuvent luire, vibrer ou sembler rester sous tension |
| Protection de l'environnement | Fusible à semi-conducteur, MOV, circuit RC, TVS, déclenchement par surchauffe | 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 SSR
Un SSR ne peut pas être sélectionné correctement uniquement à partir de “ 230 V, 10 A ”. Établissez un profil de charge avec au moins les informations suivantes :
- Alimentation AC ou DC, incluant la fréquence et la polarité
- Circuit monophasé ou triphasé
- Tension d'alimentation normale maximale, pas 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'enveloppe
- Orientation de l'installation, ventilation et espacement par rapport aux sources de chaleur adjacentes
- Méthode de commande requise : marche/arrêt simple, train d'ondes, commande par angle de phase ou cyclage rapide
- Conséquence d'une défaillance en court-circuit d'un relais statique (SSR)
Pour les équipements existants, le courant mesuré 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 du fabricant de la charge plutôt que de vous fier à des multiplicateurs génériques.
Estimation du courant de charge normal
Pour une charge monophasée :
Formule du courant de charge monophasé
Iload = P ÷ (V × PF × 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 appareil de chauffage 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 inclus.
2. Choisir la technologie de sortie appropriée : SSR AC ou SSR DC
L'alimentation de la charge détermine l'étage de sortie. La tension du contrôleur ne le détermine pas.
Par exemple, un relais décrit comme DC-vers-AC accepte généralement un signal de commande de 3-32 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 AC | Triac ou SCR en parallèle inverse | Charges AC | S'éteint normalement lorsque le courant de charge passe par zéro ; ne convient pas à la commutation DC ordinaire |
| Sortie CC | MOSFET, parfois IGBT dans des conceptions spécialisées | Charges DC | Respecter la polarité, sauf si la sortie est explicitement bidirectionnelle |
| Sortie DC bidirectionnelle | MOSFET tête-bêche | DC lorsque le blocage inverse est requis | Des pertes par conduction plus élevées peuvent résulter des dispositifs en série |
| Sortie AC triphasée | Trois pôles de sortie AC commandés | Charges AC triphasées | Le comportement en cas de surcharge thermique et de perte 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 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 DC ne présente pas de passage naturel par zéro du courant, le dispositif peut donc rester activé après le retrait du signal d'entrée.
Un relais statique DC peut-il commuter du courant 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. Faire correspondre l'entrée de commande à l'automate, au contrôleur ou au capteur
Une entrée de relais statique courante marquée 3-32 V DC inclut une LED et un réseau de limitation de courant. Cette étiquette large ne prouve toujours 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 disponible de l'automate par canal et par groupe commun
- courant résiduel ou de fuite du contrôleur à l'état “ off ”
- chute de tension dans les longs câblages de commande
- isolation requise entre les canaux et les circuits
Pour les relais statiques (SSR) à entrée AC, vérifiez la fréquence d'entrée, la plage de déclenchement, la tension de relâchement et le courant d'entrée. Un automate à sortie AC ou un capteur à deux fils peut laisser passer un courant de fuite suffisant pour maintenir active l'entrée d'un relais statique sensible ; un réseau de dérivation ou un relais d'interface correctement conçu peut être nécessaire.
4. Sélectionner selon le type de charge, pas seulement 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 la commande tout ou rien 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 du 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 spécifique au transformateur et méthode de commutation | 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 déclenchement | Sortie AC ou DC 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 |
| Pilote 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 en watts indiquée sur la plaque signalétique est insuffisante |
Charges de chauffage résistives
Les charges de chauffage constituent généralement l'application la plus simple pour un SSR, 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 SSR pour moteur uniquement à partir 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 et si une inversion ou un freinage est requis. Une valeur nominale en ampères d'un SSR à usage général n'est pas équivalente à une valeur nominale d'utilisation moteur.
Pour les applications nécessitant un démarrage progressif, une limitation de courant ou une accélération contrôlée, un démarreur 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 démarreurs 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 conseils explicites pour les charges de 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 un clignotement.
5. Vérifiez la tension de sortie et la marge transitoire
La tension nominale de sortie du SSR doit dépasser la tension en régime permanent la plus élevée pouvant apparaître aux bornes de la sortie ouverte. Il doit également résister aux perturbations de ligne, aux commutations inductives et aux transitoires répétitifs.
Examen :
- tension d'alimentation nominale et continue maximale
- valeur nominale RMS AC 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
- tension assignée d'isolement entre les circuits de commande et de charge
N'appliquez pas un pourcentage de marge de tension universel à chaque technologie de 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 SPD sélectionné.
6. Dimensionner le courant du SSR à partir de la courbe de déclassement
Le courant imprimé sur un 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 assigné du SSR
ISSR,rated ≥ Iload ÷ Fallowable
Où ?
- Iload : Courant de charge continu maximal
- Fallowable : Facteur de courant admissible
où :
- I_{load} est le courant de charge RMS continu maximal ;
- F_{allowable} 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 surtensions 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 relatives au courant de surtension, à la thermique, à la fréquence de commutation et à la coordination des protections.
Sélection de relais statiques et calculateur de dissipateur thermique
Utilisez le calculateur de sélection de relais statiques et de dissipateur thermique VIOX pour estimer le courant nominal requis du SSR, la perte 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 à partir de la fiche technique du SSR candidat.
[Insérer ici le calculateur de sélection de relais statique et de dissipateur thermique 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 des fusibles semi-conducteurs approuvés.
Ouvrir le calculateur complet de sélection de relais statique et de dissipateur thermique
7. SSR à commutation au passage par zéro vs à fermeture aléatoire
Ce choix s'applique principalement aux SSR à sortie AC.
Commutation au passage par zéro
Un relais statique (SSR) à passage par zéro attend que la tension AC 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.
Il n'est pas universellement optimal. 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 relais statique (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 | Vérifier avant approbation |
|---|---|---|
| Chauffage résistif, marche/arrêt simple | Passage par zéro | Période de cycle, charge thermique, exigences CEM |
| Chauffage, commande par angle de phase | Amorçage aléatoire | Compatibilité du contrôleur, harmoniques, filtrage CEM |
| Transformateur | SSR/contrôleur à usage spécifique | Courant d'appel de magnétisation, rémanence, stratégie d'amorçage |
| Moteur/compresseur | SSR pour moteur | Courant de démarrage/calage, mode de commutation, démarrages par heure |
| Charge DC | SSR à sortie DC | La terminologie de passage par zéro ne s'applique pas |
8. SSR monophasé vs triphasé
Un SSR monophasé commute un chemin de courant contrôlé. Un système électrique triphasé peut utiliser :
- un SSR triphasé intégré ;
- trois SSR monophasés contrôlés ensemble ; ou
- deux pôles commandés 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 à usage général indépendants 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
Perte par conduction d'un SSR AC
Pour une estimation préliminaire utilisant une chute de tension à l'état passant :
Formule de perte par conduction d'un SSR AC
Ppole ≈ VON × IRMS × D
Où ?
- VON : chute de tension à l'état passant
- IRMS : courant efficace
- 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 DC
Pour une sortie MOSFET :
Formule de perte pour relais statique (SSR) MOSFET DC
Ppole ≈ IRMS² × RDS(on) × D
Où ?
- RDS(on) : résistance à l'état passant du MOSFET
- D : rapport cyclique
Utilisez R_{DS(on)} à la température de jonction prévue, et non seulement 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,target − TA) ÷ P − RθJC − RθCS
Où ?
- TJ,target : température de jonction cible
- TA : Température ambiante
- P : Perte de puissance du SSR
où :
- T_{J,target} est la limite de température de jonction de conception, maintenue en dessous du maximum absolu ;
- T_A est la température locale de l'air autour du dissipateur thermique ;
- P est la perte de puissance du 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 de R_{\theta SA} plus faible signifie un dissipateur thermique plus efficace.
Exemple pratique
Assume an AC SSR carries 18 A continuously, has a 1.6 V on-state drop, and is installed where local ambient temperature may reach 45 degrees C.
P = 1,6 \times 18 = 28,8\ W
Si la conception vise une température de jonction de 100 °C, avec R_{\theta JC}=0,5 °C/W et R_{\theta CS}=0,2 °C/W :
R_{\theta SA,max} = ÷{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 selon l'orientation réelle, le flux d'air de l'enveloppe, l'altitude et les conditions de montage. Cet exemple est illustratif ; utilisez les données de perte exactes du SSR et les résistances thermiques.
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 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 SSR comme s'il disposait de l'intégralité du dissipateur thermique pour lui seul.
10. Tenir compte de la température du tableau, du groupement et du montage
La température ambiante 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 au rayonnement solaire ;
- les dissipateurs thermiques montés dans des zones où la convection naturelle est obstruée ;
- plusieurs SSR, contacteurs ou alimentations regroupés étroitement ;
- les ailettes horizontales qui ne permettent pas de créer un flux d'air ascendant ;
- l'altitude élevée, les filtres à poussière ou une performance réduite de la ventilation forcée ;
- une pâte thermique excessive ou mal appliquée ;
- une pression de montage inégale ou une surface de dissipateur thermique voilée.
Utilisez les instructions du fabricant du SSR concernant le couple de serrage, la planéité, le pad thermique et le montage. Une quantité plus importante 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 SSR avec un dissipateur thermique intégré pour rail DIN peut réduire le nombre de composants et le temps d'assemblage, tandis qu'un dissipateur thermique 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 des deux constructions 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 à l'espacement prévu |
| Dissipateur thermique séparé | Choix plus large de résistance thermique, de taille et de débit 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 SSR | La chaleur de chaque module augmente la température du dissipateur commun | Utilisez la perte thermique totale ainsi que le chemin de jonction individuel de chaque module |
Ne choisissez pas entre ces options en vous basant uniquement sur le courant de charge. Comparez la marge de température de jonction résultante dans les mêmes conditions d'enveloppe.
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 RC interne laissent passer un faible courant à l'état bloqué.
Ce courant de fuite peut entraîner :
- le scintillement ou le clignotement de lampes LED ;
- l'affichage de tensions “ fantômes ” sur des appareils de mesure à haute impédance ;
- le bourdonnement ou le non-relâchement de petits solénoïdes ;
- alimentations électroniques pour charger et redémarrer périodiquement ;
- une charge pour paraître sous tension lors du dépannage.
Comparez le courant de fuite à l'état bloqué maximal du 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 snubber externe peut également augmenter le courant de fuite.
Isolez toujours et vérifiez l'absence de tension avant toute maintenance. La commande d'arrêt du SSR n'est pas une méthode d'isolation sûre.
12. Coordonner la protection autour du SSR
Aucun composant de protection unique ne traite toutes les contraintes du SSR.
| Mesure de protection | Objectif principal | Précautions de sélection |
|---|---|---|
| Disjoncteur de dérivation ou fusible général | Protection des câbles et des circuits | Peut être trop lent pour protéger la jonction du semi-conducteur |
| Fusible ultra-rapide pour semi-conducteurs | Limite l'énergie de défaut à travers le SSR | Utilisez le tableau de coordination du fabricant du SSR ou effectuez une comparaison sur une base de test commune valide |
| MOV | Écrête les surtensions répétitives ou occasionnelles | Coordonnez la 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 AC | Ajoute un courant de fuite à l'état bloqué et de la chaleur |
| Diode de roue libre | Supprime la surtension inductive d'une bobine DC | Ralentit le relâchement de la bobine et doit respecter la polarité |
| Diode TVS | Écrête les transitoires DC à une tension plus élevée | Relâchement de charge plus rapide mais contrainte plus élevée qu'une diode de roue libre |
| Interrupteur ou capteur thermique | Détecte la surchauffe du dissipateur thermique | Placez-le là où il représente le chemin thermique critique |
| Contacteur/sectionneur mécanique | Assure l'isolation ou l'arrêt redondant | Doit être coordonné pour le séquençage et le pouvoir de coupure en cas de défaut |
Coordination fusible-semi-conducteur
Un MCCB ou un MCB peut éliminer un défaut tout en laissant passer suffisamment d'énergie pour détruire un 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 ≈ Ipeak² × tpulse
Où ?
- Ipeak : Courant de crête
- tpulse : Durée de l'impulsion
Cependant, l'I^2t de coupure total d'un fusible et l'I^2t de tenue d'un relais statique (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 RC
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 en fin de vie de la MOV sont également importants.
Un circuit RC est utile lorsqu'un dv/dt excessif ou des oscillations inductives risquent de provoquer un amorçage intempestif ou une contrainte sur le dispositif. Il doit être conçu comme faisant partie du circuit et non ajouté systématiquement, car il augmente le courant à l'état bloqué.
Utilisez les tendances de température, et pas seulement un seuil de déclenchement fixe
Dans les équipements fonctionnant en continu ou à haute conséquence, un capteur de température de dissipateur thermique peut offrir bien plus qu'un arrêt d'urgence. L'analyse des tendances de température, combinée au courant de charge et à la température ambiante du tableau, peut révéler une obstruction du flux d'air, une défaillance de ventilateur, un dissipateur thermique encrassé, une interface thermique desserrée ou une augmentation du cycle de service avant que le SSR n'atteigne son seuil de déclenchement.
Une augmentation de la température du dissipateur thermique ne prouve pas que le SSR lui-même est défectueux. Comparez les relevés dans des conditions de charge et ambiantes similaires, et examinez l'intégralité du chemin thermique. Un interrupteur thermique connecté uniquement à l'entrée de commande ne peut pas non plus interrompre une charge après que le SSR a déjà échoué en court-circuit ; un dispositif de commutation mécanique ou d'isolement séparé est requis lorsque l'évaluation des risques exige une coupure positive.
13. Conception pour les 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 crête, une surtension ou une limitation inadéquate de l'énergie de défaut. La charge peut rester sous tension même lorsque l'entrée de commande est désactivée.
| Symptôme | Causes probables | Réponse technique |
|---|---|---|
| La charge reste entièrement sous tension | Semi-conducteur de sortie en court-circuit ; bypass de câblage | Isoler l'alimentation, vérifier la résistance de sortie selon la méthode de test du fabricant, remplacer le SSR, rechercher les causes thermiques et de surtension |
| La charge ne s'active pas | Sortie ouverte, commande d'entrée insuffisante, fusible grillé, défaut de charge | Mesurer l'entrée de commande, la tension de sortie, la continuité du fusible et le courant de charge en toute sécurité |
| 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 la charge sous-estimé, mauvais fusible, surtension répétitive | Capturer la forme d'onde du courant d'appel et vérifier la coordination fusible/SSR |
| Mise en marche intempestive | dv/dt excessif, bruit de commande, couplage de câblage | Améliorer le cheminement, la suppression, le blindage et la marge de bruit d'entrée |
| Une 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 le maintien de la mise sous tension peut engendrer des risques d'incendie, de mouvement, de pression ou liés au procédé, ne vous fiez pas à un seul SSR pour garantir un état sûr. Utilisez un dispositif de sectionnement mécanique approprié ou une architecture de sécurité, une protection contre la surchauffe indépendante 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. Utilisez une spécification qui permet au fournisseur et au tableautier d'évaluer l'application réelle.
| Champ de spécification | Informations à demander ou à fournir |
|---|---|
| Application | Équipement de charge, objectif de commutation, facteur de marche, démarrages/cycles par heure |
| Entrée | Nominal/plage, courant d'entrée, niveaux de déclenchement/retombée, polarité, type de sortie API |
| Technologie de sortie | Triac/SCR AC, MOSFET DC, DC 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, durée de la surtension |
| Mode de commutation | Compatibilité avec contrôleur à passage par zéro, à amorçage aléatoire ou proportionnel |
| Capacité en courant | Courant continu à la température ambiante et aux conditions de montage spécifiées |
| Données thermiques | Courbe de perte de puissance, V_{ON} ou R_{DS(on)}, R_{\theta JC}, exigence 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 pour semi-conducteur homologué, conseils sur les MOV/circuits RC, option de surchauffe |
| Mécanique | Boîtier, bornes, montage, dissipateur thermique, couple, 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 de tableaux électriques
Avant d'approuver une gamme de 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 forme d'onde et durée indiquées ;
- 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'enclenchement en entrée lorsque la maîtrise statistique des procédés est utilisée ;
- preuves de toute certification ou conformité aux normes revendiquée ;
- échantillons pour la validation de l'élévation thermique, du courant d'appel, du courant de fuite et de la réponse aux défauts dans l'assemblage réel.
Pour l'approvisionnement OEM à grand volume, les données de capacité statistique peuvent aider à déterminer si un paramètre est contrôlé de manière cohérente plutôt que de simplement respecter les limites des spécifications. 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 des 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 AC pour charges non motrices relèvent de la norme IEC 60947-4-3, tandis que les contrôleurs et démarreurs de moteur 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 SSR 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 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 selon l'intensité nominale du SSR
Calculer la perte réelle du semi-conducteur et le chemin thermique complet. Deux SSR avec la même intensité nominale peuvent avoir des chutes de tension et des exigences thermiques différentes.
Compter sur un disjoncteur général pour protéger le SSR
La protection des conducteurs et la protection des jonctions de semi-conducteurs sont des tâches de coordination distinctes.
Considérer “ hors tension ” comme isolé
Tenir compte du courant de fuite et de la défaillance par court-circuit. Assurer une isolation sûre et un chemin d'arrêt adapté au risque.
Remplacer un relais électromécanique sans examiner le comportement du circuit
Un relais statique 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 reste à faire, examinez Relais électromécanique vs relais statique avant de finaliser la conception.
Foire Aux Questions
Un calibre d'intensité plus élevé pour un relais statique 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 SSR peuvent-ils être connectés en parallèle pour partager le courant ?
Ne mettez pas en parallèle des sorties de SSR ordinaires à moins que le fabricant ne le préconise 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, créant ainsi un emballement thermique. Utilisez un 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, l'isolation, les instructions de montage et le calcul thermique combiné le permettent. Utilisez la perte totale du module pour calculer la température du dissipateur thermique, puis ajoutez l'élévation de température propre à chaque SSR entre la jonction et le boîtier, et entre le boîtier et le dissipateur.
Pourquoi la 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 RC interne peut produire une lecture sur l'appareil de mesure, surtout avec un multimètre numérique à haute impédance. Déterminez s'il s'agit d'une tension fantôme inoffensive ou d'un courant suffisant pour faire fonctionner 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 préférable pour une charge AC ?
Non. Il est généralement préféré 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 pour semi-conducteurs 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 l'ouverture d'un disjoncteur standard. Un fusible ultrarapide coordonné limite l'énergie passante à un niveau que le 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 indiquée par le fabricant, puis concevez le système avec une cible inférieure offrant une marge de fonctionnement. Validez la température ambiante locale, la température du boîtier, la température du dissipateur thermique et le courant une fois que le tableau 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 partant du 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 comportement des courants de fuite, de la protection contre les transitoires et de la réponse aux défauts.
La meilleure spécification 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 – Démarreurs et contrôleurs de moteur à semi-conducteurs et démarreurs progressifs
- IEC 60947-4-3:2020 – Contacteurs et contrôleurs à semi-conducteurs AC pour charges non-moteur